Neue Technologien für komplexe Fragen: Umweltbeobachtung auf Höhenflug

In den letzten Jahren haben die technischen Möglichkeiten der Umweltbeobachtung erheblich zugenommen. Trotzdem sind Spürsinn und Urteilskraft des Menschen nach wie vor gefragt, denn nicht alles lässt sich an die Technik delegieren. Und auch die Kosten setzen dem technischen Einsatz Grenzen.

Text: Mirella Wepf

Ursprünglich war die Umweltbeobachtung eine bodenständige Wissenschaft: Man nahm Boden- und Wasserproben, katalogisierte Tier- und Pflanzenarten, mass Pegelstände von Gewässern oder erstellte Landkarten. Doch dann hoben die Forscherinnen und Forscher ab - im besten Sinne: 1858 gelang es Gaspard-Félix Tournachon (Künstlername: Nadar) erstmals, aus einem Ballon die Welt von oben zu fotografieren. Weitere Pioniere folgten: Sie erstellten Luftbilder, indem sie Flugzeuge, Drachen, kleine Raketen oder gar, wie der hessische Apotheker Julius Neubronner in den 1910er-Jahren, Brieftauben einsetzten. Ein weiterer Höhepunkt der sogenannten Fernerkundung folgte 1959: Der amerikanische Satellit Explorer 6 lichtete die Erde aus dem Weltraum ab. Die systematische Erdbeobachtung per Satellit begann jedoch erst 1972 mit dem Landsat-Programm der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA.

Die Fernerkundung eröffnete der Umweltbeobachtung kontinuierlich neue Möglichkeiten, und ein Ende dieser Entwicklung ist nicht abzusehen. Aber auch bei den terrestrischen Erhebungsmethoden blieb die Zeit nicht stehen.

Irena Hajnsek, ETH Zürich
Irena Hajnsek, ETH Zürich

Global betrachtet und vorausschauend

«Mit Blick in die Zukunft stellen sich für mich zwei zentrale Probleme», sagt Markus Wüest, Leiter der Sektion Umweltbeobachtung beim BAFU. Erste Schwierigkeit: Die Schweiz verlagert ihre Umweltbelastung aufgrund der Importe immer mehr ins Ausland. Im Jahr 1996 betrug dieser Anteil 56 %, bis 2011 stieg er auf 73 %. «Das zwingt uns, global hinzuschauen und Verantwortung zu übernehmen», erklärt Markus Wüest.

Das zweite Problem geht mit einer technisch kniffligen Frage einher: «Wie schaffen wir es, die Risiken, die durch Umweltbelastungen entstehen, frühzeitig zu erkennen?» Ökologische Systeme entwickeln sich bekanntlich nicht linear mit der Belastung. «Ein Fischbestand kann der Überfischung lange widerstehen, dann bricht er plötzlich zusammen.» Ähnliche Risiken berge auch die Klimaerwärmung. Für Markus Wüest ist klar: «Diese Herausforderung lässt sich mit Beobachtungstechnologie allein nicht bewältigen. Aber sie kann helfen, kostspielige Schäden zu minimieren und der Politik Entscheidungsgrundlagen verschaffen.»

Ein Beispiel, wie Umweltbeobachtung und Politik demnächst zusammenspielen könnten, ist das Waldmonitoring via Satelliten. Diese operieren mit elektromagnetischen Wellen. «Je nach Welle, die ein Satellit ausstrahlt, empfängt er von den Pflanzen unterschiedliche Signale», erklärt Irena Hajnsek, Professorin für Erdbeobachtung an der ETH Zürich. «Lange Wellen etwa durchdringen den Wald bis zum Boden und erfassen seine innere Struktur sehr genau.» Auf diese Weise lasse sich das in der Biomasse gespeicherte CO2 berechnen. Das würde es technisch erleichtern, das Konzept «Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation» REDD+ der UNO umzusetzen. Dieses setzt finanzielle Anreize ein, um den Schutz von Wäldern als Kohlenstoffspeicher zu fördern.

Neue Satellitenprogramme in Europa

In den letzten Jahrzehnten hat Europa gegenüber dem US-amerikanischen Vorbild Boden gutgemacht und sich zu einem Akteur der Weltraumforschung entwickelt. So startete das Erdbeobachtungsprogramm Copernicus (vormals Global Monitoring for Environment and Security, GMES) der Europäischen Union im April 2014 den ersten Satelliten des Projekts Sentinel. Tom Klingl, Fachmann für Geoinformationssysteme beim BAFU, erläutert dessen Vorteile: «Früher unterstützte die EU Einzelprojekte; mit den Sentinel-Satelliten entsteht nun ein Dauerprogramm.» Dieses liefere Daten in hoher zeitlicher Kadenz und decke eine grosse Bandbreite von elektromagnetischen Wellen ab. «Das gestattet Aussagen zu ganz unterschiedlichen Umweltparametern wie etwa verschiedene Vegetationstypen und Bodenfeuchtigkeit, aber auch zu Aerosolen in der Luft.»

Solche Kenngrössen sind wichtig, um den ökologischen Wechselwirkungen nachzuspüren. «Für das BAFU wäre es interessant, wenn wir dank der Daten dieser Satellitengeneration künftig die Kulturarten auf Landwirtschaftsflächen besser auseinanderhalten könnten», führt Tom Klingl aus. Der Grund: Ackerland und Weideland haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Nährstoffeintrag in Gewässer. Mithin wäre es mit aktuelleren Informationen über diese Kulturen möglich, bessere Modelle zu erstellen.

Zwar ist die Schweiz kein Mitglied von Copernicus. Zahlreiche inländische Hochschulen waren jedoch mit Forschungsprojekten an dessen Vorgängerprogramm beteiligt. Und im Auftrag der Europäischen Umweltagentur (EUA), bei der die Schweiz Mitglied ist, wird im laufenden Monitoring ganz Europa flächendeckend bearbeitet. Laut Tom Klingl würden derzeit mehrere Datensätze erzeugt, die für das BAFU von Interesse seien. «Dazu zählen der Forest Layer mit Informationen über die Baumkronendichte, der Imperviousness Layer, der einen Überblick über die Bodenversiegelung gibt, sowie der Urban Atlas.» Letzterer ermögliche aufschlussreiche Erkenntnisse über Naturnähe und Lebensqualität von Städten.

Jean-Christophe Zufferey, CEO SenseFly
Jean-Christophe Zufferey, CEO SenseFly

Von der flächenhaften Karte zur plastischen Darstellung

Copernicus ist nicht das einzige zukunftsträchtige Projekt. Irena Hajnsek von der ETH Zürich nennt etwa die deutsche Satellitenmission TandEM-X, die 2010 gestartet wurde. «Zwei aufeinander abgestimmte Satelliten erstellen eine dreidimensionale Abbildung der Welt.» Bisher habe es kein einheitliches globales Referenzhöhenmodell gegeben. Ein solches würde jedoch als Grundlage für verschiedene geowissenschaftliche Anwendungen dringend benötigt.

«An sich sind 3D-Darstellungen nichts Neues», erläutert Tom Klingl. «Aber der Einsatz von Flugzeugen und Satelliten verschafft uns aktuellere Daten von viel grösseren und unzugänglichen Gebieten.» (Vgl. dazu auch den Artikel «Massenbewegungen: Radarwellen erkennen Unsichtbares» in umwelt 1/2014) Durch häufig wiederholte 3D-Aufnahmen der Schneedecke liessen sich zudem der zu erwartende Abfluss bei der Schneeschmelze und die verfügbaren Wasservorräte immer besser vorhersagen. Dieses Forschungsgebiet wird zurzeit intensiv von der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) bearbeitet.

Mittlerweile sind 3D-Anwendungen nicht mehr nur wissenschaftlich, sondern auch wirtschaftlich erfolgreich. Für Furore sorgten beispielsweise SenseFly und Pix4D, zwei Spin-off-Unternehmen der Eidgenössischen technischen Hochschule in Lausanne (EPFL): Im Jahr 2013 erstellten sie mithilfe von Mini-Drohnen ein dreidimensionales Modell des Matterhorns. «Wir wollten demonstrieren, wozu diese Geräte in Extremverhältnissen fähig sind», erklärt Jean-Christophe Zufferey, CEO von SenseFly. Inzwischen sei die Technik so weit, dass mehrere Drohnen als Schwarm operieren könnten. Eingesetzt werden sie im Bereich Landwirtschaft und Umweltüberwachung, für die Erforschung von Meeresschildkröten, aber auch in der humanitären Hilfe. Das Ausbildungs- und Forschungsinstitut der Vereinten Nationen UNITAR verwendete sie im Februar 2012, um sich einen Überblick über einige Quartiere von Port-au-Prince zu verschaffen. Die haitianische Hauptstadt befindet sich nach dem schweren Erdbeben von 2010 noch immer im Notzustand.

Charlotte Steinmeier, WSL
Charlotte Steinmeier, WSL

Technische Mittel zweckgerichtet einsetzen

Um Drohnen ist in den letzten Jahren ein Hype entstanden, der sich auch in der Umweltbeobachtung bemerkbar macht. BAFU-Fachmann Tom Klingl meint dazu: «Für lokal begrenzte Untersuchungen, wie das Monitoring eines kleinen Moorgebiets, ist diese Technik sinnvoll.» Charlotte Steinmeier, Expertin für Fernerkundung bei der WSL, sieht das ähnlich und spricht den kleinen Fluggeräten die Eignung für grossflächige Aufnahmen zurzeit noch ab. Gründe dafür seien unter anderem die beschränkte Akkuleistung und die rechtlichen Bestimmungen: Drohnen dürfen nur auf Sicht fliegen, müssen sich also immer im Blick des Operateurs befinden.

Näher als der Einsatz von Drohnen liegt es aus Sicht von Charlotte Steinmeier, die guten Luftbilder, die beispielsweise durch Swisstopo erstellt würden, mit Satellitendaten zu ergänzen. «Und wir müssen uns fragen, was es für ein modernes Landmonitoring wirklich braucht.» Es sei nicht unbedingt erforderlich, Bilder mit immer besserer Auflösung zu erstellen. Eine hohe zeitliche Dichte, mit der die Aufnahmen wiederholt würden, sei wichtiger.

Neuland am Boden

Dass es eines ausgewogenen Zusammenspiels zwischen neuen und bewährten Monitoringmethoden bedarf, anerkennt auch Markus Wüest, Sektionschef Umweltbeobachtung im BAFU. «Die Messungen von Schadstoffen per Satellit machen unser bisheriges Messnetz nicht obsolet, können es aber sinnvoll ergänzen, etwa bei der Frühwarnung», ist er überzeugt. Dies gelte auch für andere Bereiche wie Wald und Wasser.

Ausserdem seien beim terrestrischen Umweltmonitoring ebenfalls erfolgversprechende Entwicklungen zu verfolgen. «Viele bekannte Techniken wie Laser, Radar oder Schadstoffsensoren werden immer billiger; dadurch erschliessen sich der Forschung neue Möglichkeiten», so Markus Wüest. Spannend sei zudem der Aspekt des sogenannten Crowdsourcing - des Informationsgewinns aus zahlreichen unabhängigen kleinen Quellen: «Es gibt Autos, die bereits jetzt die Luftqualität innerhalb und ausserhalb des Fahrzeugs messen.» Es sei eine Frage der Zeit, bis diese Daten zusammengezogen und für ein Echtzeit-Warnsystem genutzt würden.

Visionär - und insbesondere im Hinblick auf die Auswertung von Umweltdaten von grossem Interesse - sei der Versuch von IBM, die menschlichen Fähigkeiten zur Mustererkennung nachzubilden. «Das menschliche Gehirn ist Computern bei der Bildauswertung immer noch um Längen überlegen», betont Markus Wüest. Dies sei ein Grund, weshalb auch bei modernstem Satellitenmonitoring immer noch sehr viel «Handarbeit» verlangt werde.

Bei der Frage, ob auch beim Bodenmonitoring Innovationen zu verzeichnen seien, bringt Markus Wüest das Gespräch von der technischen auf die politische Ebene. Die Bodenqualität verändere sich nur sehr langsam. «Vor lauter Diskussionen über die Qualität darf aber die Quantität nicht vergessen werden!» Die Schweiz verliere gemäss Arealstatistik seit 1985 jedes Jahr rund 35 Quadratkilometer Kulturland. Hier sei die Raumplanung, also auch die Politik, gefragt. Denn letztlich gilt: Der nachhaltigen Entwicklung dient die Umweltbeobachtung nur dann, wenn sie in handfeste Massnahmen mündet.

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Letzte Änderung 11.02.2015

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