Wie sehen Satelliten unsere Böden?

Die Forschungsfrage in: Forschungsfelder – Magazin für Ernährung und Landwirtschaft, hrsg. v. BMEL, Heft 1/2020 (März), Seite 34 (PDF) – (Titel des Heftes: „Unter uns. Die komplizierte Beziehung zwischen Mensch und Boden“)

Das Gespräch führte Martin Sattler mit Matthias Trapp, dem Leiter des Konsortiums zum Forschungsvorhaben SoFI am Forschungsinstitut RLP AgroScience in Neustadt an der Weinstraße.

Matthias Trapp (SoFI). Ill.: Sarah Heiß

Das Forschungsvorhaben SoFI entwickelt in Rheinland-Pfalz sensorbasierte Kartendienste für die Landwirtschaft. Dafür setzt es auch auf Hilfe aus dem Weltall.

Herr Dr. Trapp, warum beobachten Sie den Boden so genau?

Gesunder Boden ist eines der wertvollsten Güter, das wir haben. Mit dem Projekt SoFI – Smart Soil Information for Farmers – wollen wir helfen, ihn zu schützen. Wir entwickeln einen sensorbasierten Kartendienst. Dieser liefert Daten, mit deren Hilfe Landwirtinnen und Landwirte ihre Flächen möglichst schonend und effizient bewirtschaften können. Dabei geht es vor allem darum, wie feucht die Böden sind.

Warum ist das so wichtig?

Werden Böden direkt nach einem Starkregen mit schwerem Gerät bearbeitet, kann das den Boden verdichten. Oder: Werden Mineraldünger und Gülle bei zu geringer Bodenfeuchte ausgebracht, können Pflanzen die Nährstoffe nicht effizient aufnehmen und verwerten. Dies kann zu erhöhter Nährstoffauswaschung in Gewässer und Grundwasser führen. Die Daten von SoFI helfen, den idealen Zeitpunkt für diese Arbeiten abzupassen.

Welche Daten verwenden Sie dafür?

Wir setzen auf drei verschiedene Quellen: Der erste Datensatz heißt Bodenschätzung. Er enthält Daten zu allen ackerbaulich genutzten Flächen. Davon nutzen wir besonders Informationen zur Wasserspeicherfähigkeit des Bodens. Unsere zweite Quelle sind exakte Höhendaten als Geländemodell. Dank des abgeleiteten Feuchtigkeitsindex wissen wir, wie das Wasser bei Regen oberflächennah abfließt. Zudem verwenden wir Wetterdaten wie Niederschlag, Verdunstung und Temperatur. Daraus ermitteln wir die Menge an Feuchtigkeit, die von Pflanzen oder durch offene Bodenporen verdunstet und dem Boden nicht zur Verfügung steht. Diese drei Quellen führen wir in einem Modell zusammen – und errechnen daraus eine tägliche Vorhersage über die potentielle pflanzenverfügbare Wassermenge im Boden.

Wie überprüfen Sie Ihre Annahmen?

Wir verwenden Daten, die mit festinstallierten und mobilen Messgeräten direkt im Boden erhoben werden. Hinzu kommen Daten zweier Satelliten aus dem Copernicus-Programm der Europäischen Union: Der radargestützte Sentinel-1 kann bis zu fünf Zentimeter in unbewachsene trockene Böden eindringen. Der optische Satellit Sentinel-2 misst unter anderem via Infrarot das Chlorophyll der Pflanzen. Somit haben wir eine tägliche Simulation, die wir anhand von Messwerten überprüfen und mit den Satellitendaten vergleichen. In Kürze erhalten wir zudem noch Daten, die direkt von einer Düngemaschine stammen, und wissen so, wie gut die Gülle in den Boden eingebracht wird. So erfahren wir auch direkt aus der Praxis, wie gut unsere Berechnungen waren – und können das Modell weiter verbessern.

Um am Ende welches Ziel zu erreichen?

Dass Landwirtinnen und Landwirte den Datensatz nutzen. Dabei ist Datenschutz sehr wichtig. Es ist ganz klar, dass die Daten den Betrieben gehören. Sie erhalten spezielle Soft- und Hardware, mit der sie ihre Daten geschützt bei sich haben. So können sie frei entscheiden, welche Informationen sie mit wem teilen. Kommen die Daten zum Einsatz, sollten seltener schädliche Bodenverdichtungen entstehen. Optimal wäre, wenn dadurch zum Beispiel Gülle seltener zu ungünstigen Zeiten ausgebracht würde und weniger Treibhausgase ausgestoßen würden. Das hieße dann auch weniger Folge- und Umweltschäden. Mich würde es freuen, wenn ein Ansatz wie SoFI auch für andere Bundesländer weiterentwickelt werden könnte – und in einigen Jahren bundesweit zum Boden- und Klimaschutz beitrüge.


Im selben Heft, Seite 29:

Punktgenau

Drunter oder drüber? Im Verbundprojekt GülleBest sucht das Thünen-Institut gemeinsam mit Projektpartnern nach einem Weg, um Gülle emissionsarm, stickstoffeffizient und gezielt in wachsende Pflanzenbestände auszubringen. Dazu experimentieren Forscherinnen und Forscher auf Feldern in ganz Deutschland mit verschiedener Technik, Gülle auszubringen: Bei der Schleppschlauchtechnik wird die Gülle streifenförmig nah an der Pflanzenwurzel ausgebracht. Im Grünland wird hierfür das Schleppschuhverfahren genutzt. Wird die Gülle zusätzlich angesäuert, können die Ammoniakemissionen sinken. Und mit der Schlitztechnik, bei der der Boden eingeschnitten wird, kann die Gülle tiefer in den Boden abgelegt werden.

Der Blick von oben

PortalWissen, Universität Potsdam

Der Geoforscher Bodo Bookhagen setzt Drohnen in der Geologischen Fernerkundung ein

Bericht von Barbara Eckardt und Simon Schneider in Portal Wissen – dem Forschungsmagazin der Universität Potsdam, Heft 1/2020 („Energie“), Seite 82–87 (ISSN 2194-4237) – 15-Jan-2020 – Download (PDF)
Punktwolkenmodell von Santa Cruz Island vor der Küste Kaliforniens – mit einer Visualisierung der Abflussnetzwerke (Photo: Bodo Bookhagen, Universität Potsdam)

Eines der beliebtesten Geschenke zu Weihnachten: unbemannte Luftfahrzeuge, umgangssprachlich als Drohnen bezeichnet. Ihre Nutzung im Hobby-Bereich ist inzwischen weit verbreitet. Doch Drohnen sind mehr als nur Spielzeuge: In der Wissenschaft zum Beispiel gewinnen sie immer mehr an Bedeutung. So können sie eingesetzt werden, um den Baumbestand in Wäldern zu kontrollieren oder die Aufenthaltsorte von Tieren festzustellen. Der Geowissenschaftler Bodo Bookhagen, Professor für Geologische Fernerkundung an der Universität Potsdam, nutzt seit einigen Jahren Drohnen bei seinen wissenschaftlichen Arbeiten – und immer wieder eröffnen sich ihm neue Anwendungsgebiete.

Den Wissenschaftlern geht es darum, aus der Vogelperspektive eine buchstäblich neue Sicht auf die Welt zu erlangen. Drohnen ermöglichen es, aus 20, 50 oder 100 Metern Höhe die Erde aus der Luft zu beobachten. Sie schließen damit die Lücke, die zwischen Messungen direkt auf der Erdoberfläche und der Beobachtung der Erde mit Flugzeugen aus mehreren Tausend Metern Höhe bestand. Ziel der Geowissenschaftler ist es, hochauflösende digitale Geländemodelle und Luftfotos zu erstellen, die es gestatten, Böden und Pflanzen zu analysieren. „Mit Aufnahmen von Drohnen können wir die Vegetationsdecke ganz genau vermessen, Bäume zählen oder ihre CO2-Aufnahme indirekt bestimmen.“ Beispielsweise trägt das Wissen über den Zustand der Biomasse dazu bei, Waldbrände besser bekämpfen oder gar voraussagen zu können. Gerade für das waldreiche Land Brandenburg ist dies von großer Bedeutung, wie sich in den vergangenen sehr trockenen und heißen Sommern deutlich zeigte.

Einsatz von Drohnen in den argentinischen Anden (Photo: Marisa Repasch, GFZ / Universität Potsdam)
Punktwolkenmodell von Santa Cruz Island (Photo: Bodo Bookhagen, Univ. Potsdam)
Auf Santa Cruz Island (Photo: Bodo Bookhagen, Universität Potsdam)

Geländemodelle in 3D

Auch geologische Strukturen und Prozesse lassen sich mithilfe von Drohnen untersuchen. Wo fließt Wasser? Wo kann sich bei extremen Niederschlägen Wasser aufstauen? Fragen, die bei der Erforschung von Naturrisiken durch den Einsatz von Drohnen beantwortet werden können. Die Forscher nutzen dabei eine Methode, die räumliche Koordinaten und dreidimensionale Modelle der Oberfläche aus mehreren überlappenden Fotos erstellt. „Dadurch erschließen sich verschiedene dreidimensionale Blickwinkel auf die Oberfläche und es lassen sich exakte Geländemodelle erstellen“, sagt Bodo Bookhagen. Solche Geländemodelle wiederrum helfen, zum Beispiel die Fließrichtung und mögliche Engstellen schon vor einem Extremereignis zu bestimmen.
    Moderne Fernerkundung, wie sie Geoforscher mit Drohnen betreiben, verwendet unter anderem sogenannte Punktwolken. Eine Punktwolke ist eine Menge von Messpunkten mit unorganisierter räumlicher Struktur – ihr Abstand untereinander variiert von wenigen Millimetern bis in den Dezimeter-Bereich. Diese Punkte lassen sich aus den Fotos errechnen. Die Arbeitsgruppe von Bodo Bookhagen analysiert solche Punktwolken und arbeitet an Verfahren, mit denen sie automatisch ausgewertet werden können. So enthalten die Daten zum Beispiel Informationen über die Biomasse, die Geländestrukturen und den Wassergehalt oder für Modelle zur Vorhersage von Bergstürzen.
    Die Potsdamer Wissenschaftler setzen die Drohnen bei ihren Forschungsaufenthalten rund um den Globus ein. In Argentinien beispielsweise arbeiten die Geoforscher eng mit Kollegen aus Buenos Aires, Salta, Jujuy und Tucumán zusammen, um die Oberflächendynamik der Anden im Detail zu verstehen. „Wir haben dort Veränderungen in der Natur untersucht, die auf bevorstehende Bergstürze schließen lassen. Zudem haben wir hochauflösende Geländemodelle von sogenannten Erdbebenrupturzonen erstellt“, so Bookhagen. Dank der Drohnen sind die Forscher in der Lage, diese Vorgänge nun präzise zu dokumentieren und zu analysieren.
    Bodo Bookhagen nutzt die Drohnen in der Regel als Trägersysteme für optische und geowissenschaftliche Messtechnik. Er rüstet sie zum Beispiel mit verschiedenen Sensoren aus, die hochauflösende Fotos produzieren. Mit thermischen Kameras können so die Temperaturen an der Erdoberfläche gemessen werden, was wiederum Rückschlüsse auf den Feuchtegrad des Bodens zulässt. In Zusammenarbeit mit Professor Rajiv Sinha vom Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur) führen die Wissenschaftler solche Messungen im indischen Gangesbecken und im Himalaya durch. Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit, die im Rahmen einer Alexander-von-Humboldt-Institutspartnerschaft gefördert wird, werden etwa zur Vorhersage von Waldbränden oder zum Monitoring der Bewässerung in der Landwirtschaft genutzt. Wie effektiv Felder bewässert werden, hat angesichts des Klimawandels und der zunehmenden Wasserknappheit eine hohe Relevanz für die Menschen vor Ort. Noch bis vor wenigen Jahren wurden entsprechende Daten mit Messstationen nur punktuell, also auf einer sehr begrenzten Fläche, erhoben. Heute können die Wissenschaftler mit Drohnen große Landstriche schnell, flächendeckend und mit hoher Genauigkeit vermessen. „Drohnengestützte Messungen sind vergleichsweise einfach und gleichzeitig großflächiger als Punktmessungen. Darin steckt ein Riesenpotential, das noch lange nicht ausgeschöpft ist“, sagt Bodo Bookhagen.

Einsätze von Potsdam bis Namibia

In Zusammenarbeit mit dem Ökologen Dr. Niels Blaum von der Universität Potsdam entstehen Drohnenaufnahmen auch in Namibia. Mit ihrer Hilfe soll die Biomasse der Savannen erfasst werden. Im Fokus steht dabei die Analyse saisonaler Unterschiede, die mit regelmäßig wiederholten Aufnahmen der Pflanzenstrukturen beobachtet werden. Außerdem helfen die hochaufgelösten Daten dabei, Tierpfade aufzuspüren. Dies kann zum Beispiel dazu beitragen, dass Schutzgebiete besser an die Lebensräume von Wildtieren angepasst werden können [BMBF-Fördermaßnahme SPACES 2, Forschungsprojekte OPTIMASS , Laufzeit 2014–2018, und ORYCS, Laufzeit 2019–2022]. Und auch die Forschung zu Naturrisiken steht in Namibia auf der Agenda: Bookhagen und seine Kollegen setzen hier Drohnen ein, um das Hochwasserrisiko insbesondere in den Trockentälern zu bestimmen. Gerade hier ist die Gefahr von Sturzfluten nach extremen Regenfällen besonders hoch. Die Geoforscher bestimmen in der Trockenzeit aus den Drohnen-Luftbildern die Korngrößenverteilung und Anzahl von Flusskieseln in einem definierten Gebiet. Nach einer Flut hingegen vermessen sie die Aufschotterung in Flussbereichen, also die Menge der Gesteine, die durch die Fluten bewegt wurden. Beide Daten, die Größe der Kiesel wie auch die Menge des transportierten Materials, sind entscheidende Parameter, um das Risiko für Menschen und Infrastrukturen entlang der Trockentäler zu bestimmen.
    Doch die Drohnen der Potsdamer Forscher fliegen nicht immer nur in der Ferne. In regionalen Kooperationen zum Beispiel mit der Stiftung Preußische Schlösser und Gärten Berlin-Brandenburg (SPSG) sowie der Stadt Potsdam helfen sie bei Baumzählungen oder der Bestimmung von Baumarten.
    Recht neu ist der Einsatz von Drohnen in der sogenannten Archäometrie. Hierzu rüsten Bookhagen und sein Instituts-Kollege Prof. Dr. Jens Tronicke die Drohnen mit geophysikalischen Sensoren aus. Die Kombination aus optischen Luftbildern und geophysikalischen Messungen erleichtert etwa die Identifizierung von alten Stadtmauern oder Siedlungen. Bodo Bookhagen und Jens Tronicke arbeiten dabei an innovativen Methoden, um den Einsatz von Drohnen und geophysikalischen Instrumenten zu kombinieren und weiter zu verbessern. Sie hoffen, dass diese Methoden auch bei der Detektierung von Altlasten verwendet werden können – eine Aufgabe, die gerade im Land Brandenburg immer noch ansteht. So war es bei den zahlreichen großen Waldbränden im Sommer 2019 häufig nicht möglich, brennende Flächen zu betreten, weil dort alte Munition aus dem Zweiten Weltkrieg und den DDR-Jahren vermutet wurde. Drohnengestützte Kartierungen mit geophysikalischen Methoden könnten dabei helfen, die meist mit Metallhülsen produzierte Munition zu orten.
    Um all diese Aufgaben erfüllen zu können, reicht es kaum, die für den Hobby-Bereich ausgelegten Drohnen einfach online zu kaufen. Zwar sind die kommerziell erhältlichen Drohnen als Trägersysteme gut einsetzbar, das Anbringen spezieller geophysikalischer Sensoren verlangt von den Forschern aber auch reichlich Erfindergeist. Darüber hinaus haben die Geowissenschaftler an Methoden gearbeitet, die Position der Drohnen in der Luft auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. Kommerzielle Anbieter haben zudem die Stabilität der Drohnen in der Luft deutlich verbessert. „Früher mussten wir bei Windstößen jedes Mal neu ausrichten. Das ist heute dank automatischer Flugsteuerung nicht mehr erforderlich. Die Drohne folgt dem Weg, den wir ‚eingeben‘ und korrigiert selbst.“ Bodo Bookhagen sieht aber noch Optimierungspotential – daher denken er und seine Kollegen aus dem Forschungsschwerpunkt Erd- und Umweltsystemforschung der Universität Potsdam darüber nach, ein Testgelände für den wissenschaftlichen Einsatz von Drohnen aufzubauen.

Punktwolkenmodelle des Unicampus Golm in Potsdam (Photos: Bodo Bookhagen, Universität Potsdam)
Bodo Bookhagen ist Professor am Institut für Geowissenschaften der Universität Potsdam und leitet dort die Arbeitsgruppe Geologische Fernerkundung