Leistungsstarkes Instrument misst vom Weltraum aus Wassertiefe in Flachwassergebieten
Das Verständnis der Flachwasser-Bathymetrie und Morphologie unserer Meere ist für das Meeres- und Küstenzonenmanagement entscheidend. Dieses Wissen ist für Tätigkeiten wie die Berichterstattung für die Seeverkehrsrichtlinie der EG, das Küsteningenieurwesen und Planungsaktivitäten unerlässlich, die integrale Bestandteile der blauen Wirtschaft sind. Digitale Daten über die Eigenschaften des Meeresbodens sind bei Arbeiten wie Flachwasserbaggerungen und Sandgewinnung sowie in der Schifffahrt eine große Hilfe. Zudem übernimmt die euphotische Zone in diesen Flachwassergebieten, die wichtige Lebensräume beherbergen, eine wichtige Funktion im Zusammenhang mit der biologischen Vielfalt, der Kohlendioxidspeicherung und dem Küstenschutz. Zur Kartierung und Überwachung dieser Flachwasserzonen kommen gegenwärtig kostenintensive Erhebungen per Boot oder Flugzeug, Tauchgänge oder Absenkkameras zum Einsatz. Diese Methoden weisen jedoch aufgrund begrenzter Budgets Einschränkungen auf und es kann keine kontinuierliche und objektive Überwachung gewährleistet werden.
Eine neue Ära der Datenerfassung im Wasser
„Wir sind optimistisch, dass moderne Satellitenkapazitäten und die Analyse der aquatischen Erdbeobachtung unsere derzeitige Vorgehensweise bei der Datenerfassung über die Morphologie und die Lebensräume des Flachwassers erheblich verbessern könnten“, erklärt Kim Knauer, Koordinator des EU-finanzierten Projekts 4S. Es arbeiteten Partner aus sieben Ländern zusammen, darunter EOMAP, Fugro, der Nationale Forschungsrat Italiens, Poseidon System, die Bezirksverwaltung von Västerbotten, das portugiesische Hydrographische Amt, Maritime Software Solutions und Smith Warner International. „Die Daten der Copernicus SENTINEL-2-Mission, die jüngsten Fortschritte in der physikalischen Modellierung aquatischer Erdbeobachtung, maschinelles Lernen und neue Erdbeobachtungs-Archivierungs- und Verarbeitungszentren bilden den Kern unserer neu entwickelten Lösung“, fügt Knauer hinzu. „Unser Team bei EOMAP hat bereits Teile des deutschen Ostseebodens und das Great Barrier Reef in Australien kartiert. Wir müssen jedoch die Genauigkeit der Algorithmen weiter verbessern, die manuelle Interpretation reduzieren, operationelle Softwarelösungen entwickeln und Big Data aus aktuellen Erdbeobachtungsmissionen einbinden.“
Technologien zur genauen Habitatkartierung am Meeresboden
Das 4S-Projektteam sollte die Kartierung der Lebensräume am Meeresboden durch ein höheres Maß an Automatisierung und Normung verändern. „Die 4S-Lösung ist eine benutzungsfreundliche, cloudbasierte Software, mit der die Nutzenden Flachwasserbereiche an Küsten von ihrem Büro aus kartieren und überwachen können. Wichtig dabei ist, dass sie sich nahtlos in bestehende Arbeitsabläufe integrieren lässt“, betont Knauer. Ein entscheidender erster Schritt war der Ansatz in Bezug auf die Bildauswahl, bei dem ein KI-Prozessor automatisch die Verwendbarkeit von Satellitenbilddaten auf der Grundlage von Wolkenbedeckung, Sonneneinstrahlung und Trübung vorhersagt. Die Inversion der Strahlungstransportgleichung – das analytische Konzept zur Berechnung der Tiefeninformation – wird direkt mit dem ausgewählten Satellitenbildmaterial gekoppelt und in einer Wolkenumgebung installiert. Auf diese Weise wird die Lösung skalierbar und es können mehrere hundert Prozesse gleichzeitig ausgeführt werden. Die Algorithmen minimieren außerdem die durch das Wasser und die Atmosphäre entstehenden Signalverzerrungen, wobei ein genormtes Reflexionsprodukt entsteht, das genau dem Meeresboden entspricht. Zusätzlich wurden ICESat-2 Atlas-Lidar-Bathymetriedaten mit Multispektraldaten von Copernicus zusammengeführt. Aus dieser Integration ergaben sich genauere Karten und die Produktunsicherheiten wurden erheblich reduziert. Zu guter Letzt kombinierte das Team hochaufgelöstes Bildmaterial von Drohnen mit Satellitendaten, indem es die zentimetergenauen Drohnendaten mit den Multispektralband-Informationen von den Satelliten kombinierte. Im Ergebnis entstanden sehr detaillierte und präzise Karten.
Auswirkungen des Projekts
„Wir konnten mit Erfolg automatische Routinen entwickeln, um aus dem aktiven grünen LIDAR an Bord des Satelliten ICESat-2 bathymetrische Punktdaten zu erzeugen. Unsere Webapplikation SDB-Online generiert dichte bathymetrische Gitter für Flachwassergebiete auf der Grundlage physikalischer, satellitengestützter Bathymetrie“, legt Knauer dar. „Diese Web-App lässt sich über Programmierschnittstellen nahtlos in die Anwendungen unserer Projektpartner und Dritter integrieren. Im Laufe des Projekts wurde SDB-Online überarbeitet und um neue Funktionen wie eine Kalibrierungs-/Validierungsoption mit selbst gesammelten Felddaten ergänzt.“ Detaillierte Ergebnisse der Validierungsanalyse wurden in der von Fachleuten begutachteten Zeitschrift „International Hydrographic Review“ veröffentlicht. Jeder Anwendungsfallpartner führte weitere Analysen unter Einsatz seiner eigenen Daten und SDB-Online-Ergebnisse durch. Das Feedback war insgesamt positiv. In sehr trüben Gebieten, in denen die manuelle Szenenauswahl für eine erfolgreiche Bathymetrie entscheidend wichtig ist, traten jedoch einige Schwierigkeiten auf. Die Projektergebnisse fanden in Form mehrerer Workshops und Präsentationen Verbreitung, unter anderem 2021 und 2022 auf den von EOMAP veranstalteten SDB Days.
Schlüsselbegriffe
4S, Satellit, Meeresboden, Lebensraum, aquatisch, Flachwassergebiete, Drohne, Erdbeobachtung