Drohnen sammeln Umweltdaten

Bäume kartieren, Hitzeinseln finden: Für die kleinräumige Beobachtung der Umwelt bieten Forschungsdrohnen viele neue Optionen.

Die Erdbeobachtung, auch Fernerkundung genannt, liefert über Satellitendaten weltweit täglich hoch relevante Informationen über den Zustand und den Wandel unseres Planeten. Mit Hilfe der Daten können beispielsweise Informationen über Hitzeinseln in Städten, Dürren oder den Zustand von Wäldern gesammelt werden.

Aktuell erschließt sich die Erdbeobachtung zusätzliche Datenquellen: Mit Sensoren, die auf handelsüblichen Drohnen installiert sind, erhält sie weitere detaillierte Umweltinformationen – und zwar in einer so hohen räumlichen Auflösung, wie sie sich mit Satellitendaten nicht erreichen lässt.

„Die sehr hohen Auflösungen im Zentimeterbereich eröffnen neue Anwendungsgebiete und Forschungsfragen“, sagt die Wissenschaftlerin Dr. Mirjana Bevanda vom Earth Observation Research Hub der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), einem Zusammenschluss der beiden JMU-Lehrstühle für Fernerkundung sowie für Globale Urbanisierung und Fernerkundung. „Wir gewinnen damit hoch relevante Informationen für die urbane Forschung, für Ökologie und Naturschutz.“

Hitzeinseln und Stadtbäume kartieren

Für eine Machbarkeitsstudie hat Mirjana Bevanda mit Antonio Castañeda und weiteren Kolleginnen und Kollegen im Jahr 2022 die Neue Universität am Sanderring und Teile des Würzburger Ringparks mit Drohnen aufgenommen. Zum Einsatz kamen dabei Lidar, eine Form des dreidimensionalen Laserscannings, sowie Wärme- und Multispektralsensoren. Letztere erfassen fünf bis zehn Lichtwellenlängen und damit deutlich mehr als eine einfache Fotokamera.

Ziel der Studie ist es zu erkunden, welchen Mehrwert die gewonnen Daten für Forschungen im städtischen Raum bieten, etwa zur Erfassung und Analyse der urbanen Struktur oder zur Kartierung von Stadtbäumen oder Hitzeinseln.

„Wir können damit einen Beitrag leisten, um beispielsweise den Hitzeinseleffekt mit gezielten Gegenmaßnahmen zu verringern“, 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.

Drohnen eröffnen auch bei der Kartierung von Stadtbäumen neue Optionen. „Wir könnten jeden Baum einzeln beschreiben, auch in seiner vertikalen Struktur, und Rückschlüsse auf seine Vitalität ziehen“, sagt Professor Tobias Ullmann.

Auf vielen Studiengebieten aktiv

Das Team vom Earth Observation Research Hub der JMU ist mit Drohnen auch in Kanada und anderen Studiengebieten aktiv und dokumentiert deren Veränderungen über die Zeit. Mit Partnern, etwa aus der Biologie, nimmt es auch ökologische Aspekte in den Blick. So werden unter anderem Umweltdaten aus dem JMU-Universitätsforst im Steigerwald, von Kalkmagerrasen in Unterfranken oder von hochalpinen Strukturen der Zugspitze bearbeitet.

„Die Datenaufnahme mit Drohnen ist zwar sehr aufwendig, unter anderem wegen der nötigen Genehmigungsverfahren. Aber die gewonnenen Daten und besonders deren Detailgrad ist für viele Forschungsfragen sehr relevant“, sagt Tobias Ullmann.

Im Mittelpunkt der Würzburger Studien stehen methodische Ansätze, um die Datenaufnahme und deren Verarbeitung effizienter zu machen. Außerdem sollen die für die einzelnen Forschungsfragen relevanten Umweltinformationen identifiziert werden. „Aus dieser Arbeit wollen wir langfristig neue Erkenntnisse für die Erdbeobachtung gewinnen, die sich wiederum auf weltraumgestützte Systeme übertragen lassen“, so Mirjana Bevanda.

Kontakte bestehen auch zur JMU-Informatik. „Wir machen 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 Potential in der Zusammenarbeit mit verschiedenen Arbeitsgruppen der Informatik”, sagt Hannes Taubenböck.

Einsatz im Masterstudiengang EAGLE

Die Studien zur Erdbeobachtung mit Forschungsdrohnen – die Fachleute sprechen von Unoccupied Aerial Systems (UAS) – fließen in die Lehre im internationalen Würzburger Masterstudiengang EAGLE ein (Applied Earth Observation and Geoanalysis of the Living Environment). Schließlich soll die zukünftige Generation von Forschenden auch auf diesem Feld ausgebildet werden.

Dafür engagiert sich unter anderem Antonio Castañeda, EAGLE-Alumnus aus Kolumbien. Er ist aktuell Doktorand am Earth Observation Research Hub, sein Schwerpunkt liegt auf der UAS-basierten Fernerkundungsforschung.

„Die Integration von UAS in die Lehre ermöglicht den Studierenden ganz neue Erfahrungen in Missionsplanung, Sensorgeometrie, Datenhaltung und Auswertung“, so Tobias Ullmann. Sie werden so mit neuen Herausforderungen konfrontiert, die es in der weltraumgestützten Erdbeobachtung meist nicht gibt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Mirjana Bevanda, Prof. Dr. Tobias Ullmann, Prof. Dr. Hannes Taubenböck, Earth Observation Research Hub, Universität Würzburg, mirjana.bevanda@uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

https://www.geographie.uni-wuerzburg.de/fernerkundung/startseite/ Earth Observation Research Hub Würzburg
http://www.eagle-science.org Masterstudiengang EAGLE (Applied Earth Observation and Geoanalysis of the Living Environment)

http://www.uni-wuerzburg.de