Erdbeobachtung, auch Fernerkundung genannt, liefert täglich weltweit hochrelevante Informationen über den Zustand und die Veränderung unseres Planeten über Satellitendaten. Aus den Daten lassen sich zum Beispiel Informationen über Hitzeinseln in Städten, Dürren oder den Zustand von Wäldern gewinnen.
Die Erdbeobachtung erschließt derzeit zusätzliche Datenquellen: Mit Sensoren, die auf handelsüblichen Drohnen installiert sind, gewinnt sie weitere detaillierte Umweltinformationen – und das in einer räumlichen Auflösung, die so hoch ist, wie sie mit Satellitendaten nicht erreicht werden kann.
„Die sehr hohen Auflösungen im Zentimeterbereich eröffnen neue Anwendungsgebiete und Forschungsfragen“, sagt Wissenschaftlerin Dr. Mirjana Bevanda vom Earth Observation Research Hub der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), einem Zusammenschluss der JMU-Lehrstühle Fernerkundung und globale Urbanisierung und Fernerkundung. „Damit gewinnen wir hochrelevante Informationen für Stadtforschung, Ökologie und Naturschutz.“
Kartierung von Wärmeinseln und Stadtbäumen
Für eine Machbarkeitsstudie hat Mirjana Bevanda zusammen mit Antonio Castañeda und anderen Kollegen 2022 die Neue Universität am Sanderring und Teile des Würzburger Ringparks mit Drohnen abgebildet. Lidar, eine Form des dreidimensionalen Laserscannings, sowie thermische und multispektrale Sensoren wurden benutzt. Letztere erfassen fünf bis zehn Lichtwellenlängen und damit deutlich mehr als eine einfache Fotokamera.
Ziel der Studie ist es, auszuloten, welchen Mehrwert die gewonnenen Daten für die Erforschung urbaner Räume bieten können, beispielsweise um urbane Strukturen zu erfassen und zu analysieren oder urbane Bäume oder Hitzeinseln zu kartieren.
„Damit können wir zum Beispiel durch gezielte Gegenmaßnahmen dazu beitragen, den Hitzeinseleffekt zu reduzieren“, erklärt Professor Hannes Taubenböck. Dieser Effekt tritt auf, wenn sich Städte mit ihren vielen Steinen und Asphaltflächen im Sommer stärker aufheizen als das Umland. Das belastet nicht nur die Menschen in der Stadt, sondern auch Tiere und Pflanzen.
Auch für die Kartierung von Stadtbäumen eröffnen Drohnen neue Möglichkeiten. „Wir konnten jeden Baum einzeln inklusive seiner Höhenstruktur beschreiben und Rückschlüsse auf seine Vitalität ziehen“, sagt Professor Tobias Ullmann.
In vielen Studienbereichen tätig
Auch in Kanada und anderen Untersuchungsgebieten ist das Team des Earth Observation Research Hub der JMU mit Drohnen aktiv und dokumentiert deren Veränderungen im Laufe der Zeit. Mit Partnern, zum Beispiel aus der Biologie, werden auch ökologische Aspekte betrachtet. So werden beispielsweise Umweltdaten aus dem JMU-Wald im Steigerwald, aus Kalkrasen in Unterfranken oder aus hochalpinen Bauwerken auf der Zugspitze verarbeitet.
„Die Datenerfassung mit Drohnen ist unter anderem wegen der notwendigen Genehmigungsverfahren sehr zeitintensiv. Aber die gewonnenen Daten und vor allem deren Detaillierungsgrad sind für viele Forschungsfragen sehr relevant“, sagt Tobias Ullmann.
Die Würzburger Studien konzentrieren sich auf methodische Ansätze, um die Datenerfassung und deren Verarbeitung effizienter zu gestalten. Darüber hinaus sind die für die einzelnen Forschungsfragen relevanten Umweltinformationen zu identifizieren. „Langfristig wollen wir aus diesen Arbeiten neue Erkenntnisse für die Erdbeobachtung gewinnen, die wiederum auf weltraumgestützte Systeme übertragen werden können“, sagt Mirjana Bevanda.
Kontakte bestehen auch zur JMU-Informatik. „Wir betreiben Feldarbeit und werten die gewonnenen Daten für die Umweltforschung aus. Aber die Entwicklung neuer Sensoren und Systeme ist nicht unsere Expertise. Hier sehen wir großes Potenzial in der Zusammenarbeit mit verschiedenen Informatik-Arbeitsgruppen“, sagt Hannes Taubenböck.
Einsatz im EAGLE-Masterprogramm
Die Studien zur Erdbeobachtung mit Forschungsdrohnen – die Experten sprechen von UnOccupated Aerial Systems (UAS) – fließen in die Lehre im internationalen Würzburger Masterstudiengang EAGLE (Applied Earth Observation and Geoanalysis of the Living Environment) ein. Schließlich muss auch der Nachwuchs auf diesem Gebiet ausgebildet werden.
Antonio Castañeda, ein EAGLE-Alumnus aus Kolumbien, ist einer der Beteiligten. Er ist derzeit ein Ph.D. Studentin am Earth Observation Research Hub mit Schwerpunkt UAS-basierte Fernerkundungsforschung.
„Durch die Integration von UAS in die Lehre erhalten die Studierenden ganz neue Erfahrungen in Missionsplanung, Sensorgeometrie, Datenmanagement und -analyse“, sagt Tobias Ullmann. Sie werden damit vor neue Herausforderungen gestellt, die es in der weltraumgestützten Erdbeobachtung normalerweise nicht gibt.