Satelliten beobachten Veränderungen der Natur

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Veränderungen auf der Erde können heute nahezu in Echtzeit beobachtet
werden, denn viele Satelliten im Weltall sind mit Kameras und Sensoren
genau dafür ausgestattet. Sei es der Rückgang von Gletschern, ein
Ölteppich auf dem Meer, ein aufziehender Wirbelsturm, oder wie erst
kürzlich vor der Küste Tongas, der Ausbruch eines (Unterwasser-) Vulkans –
die Erde wandelt ihre Gestalt und Satelliten schauen dabei zu.

Seit September 2021 gibt es an der Universität der Bundeswehr München eine
neue Professur am Institut für Raumfahrttechnik und Weltraumnutzung
(ISTA), die Professur für Erdbeobachtung. Prof. Michael Schmitt
beschäftigt sich hier mit der Auswertung von Erdbeobachtungsdaten zur
Gewinnung von Geoinformationen.

Die Erdbeobachtung liefert Informationen darüber, welche Art der
Landbedeckung wo vorliegt, sie dient der geometrischen und topografischen
Erkundung der Erde. Seine Forschungsschwerpunkte sind unter anderem die
satelliten- und flugzeuggestützte Erdbeobachtung, die Bildverarbeitung,
Signalverarbeitung und maschinelles Lernen zur Informationsextraktion
sowie die Fusion unterschiedlicher Erdbeobachtungsdaten. Diese
Schwerpunkte werden in einem aktuellen Forschungsprojekt verbunden und
angewandt. Das durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderte
Projekt „Kartierung und Interpretation von Wildnis aus dem Weltraum /
MapInWild“ startete Ende 2021 und soll bis 2024 eine Karte über die
Natürlichkeit der Erde bereitstellen.

Wie natürlich ist die Erde (noch?): MapInWild
Mit Blick auf das 50-jährige Bestehen des Nationalparks Bayerischer Wald
forderten die Grünen und die SPD im Bayerischen Landtag 2020 einen neuen,
dritten Nationalpark für Bayern. Das Interesse des Naturschutzes steht dem
der Bevölkerung oft entgegen, würde ein Nationalpark doch starke
Einschränkungen im Ausbau der Infrastruktur und der Bebauung bedeuten. Um
zu entscheiden wo ein neuer Nationalpark überhaupt sinnvollerweise
geschaffen werden könnte, müssten erst einmal Daten über die
Beschaffenheit der Gebiete, die Bevölkerungsdichte und den bisherigen
Einfluss des Menschen auf die Natürlichkeit der Umgebung erhoben werden,
meint Prof. Schmitt. Dass der dritte Nationalpark wohl so schnell nicht
realisiert werden wird, sei an dieser Stelle vorweggenommen, doch die
Idee, eine Methode zu entwickeln, mit der die Natürlichkeit eines
beliebigen Ortes auf der Welt datenbasiert beurteilt werden kann, blieb
dem Professor für Erdbeobachtung.

Das Ziel des Projektes MapInWild ist es, eine Natürlichkeitskarte der
Erdoberfläche zu erstellen. Anhand eines Index wird die Erde bewertet und
in Kategorien von sehr natürlich bis kaum natürlich unterteilt. Als ersten
Schritt auf dem Weg zu dieser Karte fusionieren Prof. Schmitt und sein
Team verschiedene Daten, die es bereits gibt, z.B. aus Satellitendaten,
dem freien Kartendienst „OpenStreetMap“ oder der Landbedeckungskarte der
ESA. Die Definition von Natürlichkeit mag teilweise unterschiedlich
gesehen werden, doch im Falle des Forschungsprojektes bedeutet
Natürlichkeit die Abwesenheit von menschlichen Einflüssen. Im
Natürlichkeitsindex wird klassifiziert nach Art der Landbedeckung (z.B.
Wald oder Stadt), Nähe zur nächstgelegenen Straße, bzw. Zeit bis man diese
erreichen würde, Licht aus künstlichen Lichtquellen und
Bevölkerungsdichte. Diese Daten werden zunächst aus bereits vorhandenen
Karten und Beobachtungen zusammengetragen.

Bisher wurde der Natürlichkeitsindex exemplarisch für drei europäische
Regionen erstellt: Bayern als Beispiel für eine dicht besiedelte Region
mit nur wenigen ausgewiesenen Schutzgebieten, Schottland als Region mit
mittlerer Bevölkerungsdichte und einer größeren Anzahl an abgelegenen
Gebieten und die finnische Region Lappland als Beispiel für eine dünn
besiedelte Region mit vielen Schutzgebieten.

Im Projekt soll nun eine neue Methode mithilfe von Künstlicher Intelligenz
(KI) entwickelt werden, die aus Satellitendaten direkt den
Natürlichkeitsindex erstellen kann. Diese Methode wird zu viel schnelleren
Ergebnissen führen als bisherige Techniken, da nur noch ein einziges
aktuelles Bild benötigt wird. Damit wäre es jederzeit möglich, aktuelle
Aussagen über die Natürlichkeit eines bestimmten Ortes auf der Welt zu
treffen. Dies kann besonders bei Beobachtungen zum Klimawandel hilfreich
sein. Durch die Beobachtung aus dem All könnten beispielsweise der
Rückgang von Eisflächen oder die Vergrößerung von Wüstengebieten genau und
in Echtzeit aufgezeichnet werden. Oder es könnten Flächen ausgemacht
werden, die einen zukünftigen Nationalpark beherbergen können.

Nachvollziehbare KI
Neben der Entwicklung der Methode zum satellitenbildgestützten
Natürlichkeitsindex steht das Projekt noch auf einem zweiten Pfeiler, der
in Kooperation mit Prof. Ribana Roscher von der Universität Bonn umgesetzt
wird. Es soll nachvollziehbar gemacht werden, wie die KI ihre
Entscheidungen trifft. KI kommt bereits in vielen Projekten zum Einsatz,
doch meist wissen die Benutzerinnen und Benutzer nur, welche Daten sie zur
Verfügung stellen, nicht was die KI mit ihnen macht und wie sie sie
beurteilt. Das soll bei MapInWild anders sein. Die Forschenden wollen
herausfinden, warum die gelernten Wildniskartierungs-Modelle zu
spezifischen Entscheidungen kommen. Das Projekt trägt damit zur
methodischen Weiterentwicklung von übertragbaren Verfahren des
maschinellen Lernens mit wenigen und fehlerbehafteten Trainingsdaten und
deren Interpretierbarkeit bei.