Monitoring von Dürreschäden in Wäldern mithilfe von künstlichen neuronalen Netzen

In den letzten Jahrzenten führte der anhaltende Klimawandel weltweit zum vermehrten Auftreten von Dürren. Auch Deutschland ist immer häufiger betroffen. In den letzten Jahren kam es vor allem in den Sommern 2018 und 2019 zu langanhaltenden Dürren, gekoppelt mit intensiven Hitzewellen. Der Dürresommer 2018 verursachte Waldschäden großen Ausmaßes. Dadurch kam es allein in Deutschland zum Absterben vieler Millionen Bäume. Die Waldwirtschaft verzeichnete Verluste in Millionenhöhe. Mit fortschreitendem Klimawandel ist davon auszugehen, dass die Auswirkungen von Dürren und anderen Störungen auf Wälder zunehmen werden.
Um die Auswirkungen vermehrter Störungen besser zu verstehen und Förstern, sowie anderen Stakeholdern, Informationen für zukunftsweisendes Forstmanagement bereitzustellen, ist es wichtig Wälder großflächig und zeitlich engmaschig zu beobachten. Traditionelle Beobachtungsmethoden wie z.B. Forstinventuren beschränken sich meist auf kleinere Flächen und werden nicht jährlich durchgeführt. Hinzu kommt, dass diese Methoden zeitlich, finanziell und personell relativ aufwändig sind.
Um die räumlichen und zeitlichen Lücken direkter Beobachtungsmethoden zu schließen ist die Fernerkundung, also die Untersuchung der Erdoberfläche mit Sensoren, die z.B. an Flugzeugen und Satelliten angebracht werden können ein wichtiges Mittel. Wir nutzen Luftbilder, mit einer hohen Auflösung um das Absterben von Baumkronen nach dem Dürresommer 2018 zu untersuchen. Hierfür machen wir uns die aktuellen Errungenschaften der Informationstechnologie zunutze. Durch Deep Learning Algorithmen, sogenannten Convolutional Neural Networks, ist es einem Computer möglich das Erkennen von Objekten auf Bildern zu trainieren. Wir nutzen dies, um dem Computer beizubringen tote Baumkronen anhand von Farbe und Struktur zu erkennen. Wir untersuchen die Unterschiede in den Luftbildern von 2017 und 2019 um zu erfassen wie viele Bäume in diesem Zeitraum abgestorben sind und abzuschätzen wie groß der Verlust der Biomasse in diesem Zeitraum war.

Erste Ergebnisse aus einem Pilotprojekt in Luxembourg zeigen, dass dort in 2019 ~ 950% mehr tote Waldbäume vorhanden waren als noch 2017, was ca. 1 % der Waldfläche des Landes entspricht. Die Einteilung in Laub und Nadelbäume, zeigte dass Nadelbäume proportional viel stärker von dem Ereignis betroffen waren. Beobachtungen legen nahe, dass die Fichte stark an der Sommerdürre gelitten hat, was durch Borkenkäfer-Kalamitäten noch verstärkt wurde. Somit könnte ein Umbau der Wälder hin zu mehr Laubbäumen die Resilienz gegenüber Dürreperioden in der Zukunft erhöhen.  
Mithilfe der großräumigen Daten zur Baummortalität können weitere Fragestellungen erkundet werden. Durch den räumlich expliziten Charakter lassen sich z.B. Standortfaktoren, welche zur Baummortalität unter Dürrebedingungen beitragen, erforschen. Außerdem kann der bereits trainierten Algorithmus auf neue Luftbilder angewandt werden. Somit können die Informationen über den Waldzustand regelmäßig, mit geringem Aufwand, aktualisiert werden.

Zugehöriges Institut am KIT: Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU), KIT-Campus Alpin, Garmisch-Partenkirchen
Autorin: Selina Schwarz (Okt. 2021)