Unter Federführung von UFZ-Wissenschaftlern stellt ein internationales Forscherteam im Fachmagazin Ecological Indicators die heutigen Möglichkeiten, Entwicklungen und Perspektiven der Fernerkundung zusammen und zeigt ihr großes Potenzial für die zukünftige Biodiversitätsforschung.
Die Folgen des Klimawandels machen sich unter anderem durch Änderungen in der
Artenvielfalt bemerkbar. Eine wichtige Aufgabe der Biodiversitätsforschung ist es, den Status quo aufzuzeichnen, Prozesse innerhalb der Ökosysteme zu untersuchen und mögliche Änderungen als auch Störungen aufzuspüren. "Dafür benötigen wir zuverlässige Daten über möglichst große Flächen und engmaschige Zeiträume hinweg", sagt UFZ-Landschaftsökologin PD Dr. Angela Lausch.
"Verschiedene Methoden der Fernerkundung erfüllen diese Anforderungen bereits in hervorragender Weise." Mithilfe von Satellitenaufnahmen kann beispielsweise das Vorkommen einer zu untersuchenden Pflanzenart anhand ihrer Wuchsform, Blattform, Blattgeometrie, Phänologie oder Blütenfarbe bestimmt werden - und das über große Flächen und im zeitlichen Verlauf.
Darüber hinaus können Satelliten, die mit spektralen Sensoren ausgestattet sind, dabei helfen, Pflanzenarten oder Pflanzengesellschaften anhand ihres spezifischen Gehalts an biochemischen Merkmalen (u.a. Chlorophyll, Cellulose, Blattwassergehalt oder Proteingehalt) zu unterscheiden und zu erfassen.
Generell sind die Methoden der Fernerkundung je nach Fragestellung dafür unterschiedlich gut geeignet. Bei der Wahl der Methode muss immer berücksichtigt werden, ob der Fernerkundungs-Sensor die gewählten Schlüsselparameter auch tatsächlich messen kann - also ob beispielsweise die spektrale, räumliche oder zeitliche Auflösung für die zu beantwortende Fragestellung ausreichend ist, und welche Aussagen sich daraus für die Biodiversitätsforschung ableiten lassen.
"Für die Zukunft ist es daher wichtig, dass Biologen, Ökologen, Geografen und Fernerkundler noch mehr als bislang an einem Strang ziehen und die Sprache der anderen besser verstehen lernen", sagt UFZ-Biodiversitätsforscher Prof. Dr. Josef Settele, Mitautor der Studie. "Das verbindende Element zwischen der Fernerkundung und anderen Disziplinen", ergänzt Lausch, "sind die Eigenschaften (engl. "traits") von Pflanzen, Tieren, Wasser und Boden".
Im Jahr 2018 soll der Hyperspektralsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) an den Start gehen und Bilddaten mit besonders hoher spektraler Auflösung liefern. Mit der hyperspektralen Fernerkundung könnten dann noch sehr viel mehr biochemische Parameter erfasst werden, etwa Stickstoff, Phosphat oder der Wasseranteil im Blattgewebe. "EnMAP wird die Bestimmung von Arten und Pflanzengesellschaften über die Fernerkundung noch deutlich verbessern.
Das größte Potenzial der hyperspektralen Fernerkundung aber liegt darin, Prozesse und Störungen innerhalb von Ökosystemen über große Flächen hinweg zu erfassen", sagt Lausch. "Die Daten des EnMAP-Satelliten werden allen Anwendern frei zur Verfügung stehen. Wir sollten in der Biodiversitätsforschung daher darauf vorbereitet sein, die Potenziale der neuen Generation von Satelliten zu kennen und zu nutzen."
Ohne Freilanduntersuchungen, bei denen Proben gesammelt, Arten und Pflanzengesellschaften erfasst und ökosystemare Prozesse - wie die Photosynthese-Aktivität oder die Fähigkeit, Kohlenstoff zu binden - bestimmt
werden, geht es künftig trotzdem nicht.
Sie stellen zwar im Gegensatz zur Fernerkundung immer nur einen lokal und zeitlich begrenzten Ausschnitt dar und sind zudem aufwendig und in der Auswertung meist langwierig. Aber sie liefern entscheidende Informationen, die mit Fernerkundung nicht erfasst werden können - etwa über die ökologische Potenz, das Stressverhalten und die Anpassungsfähigkeit von Arten und Pflanzengemeinschaften. Darüber hinaus sind sie unersetzlich, um Fernerkundungsdaten auszuwerten und zu interpretieren. "Das Eine geht nicht ohne das Andere", sagt Lausch.
"Nur in der Kombination von
in-situ-Untersuchungen und Fernerkundung können auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen
Biodiversität optimaler als bislang erfasst und Prozesse inklusive deren Veränderungen und Störungen abgebildet werden."
In der praktischen Umsetzung gibt es laut Lausch jedoch noch einige Stolpersteine. Dazu gehört etwa, dass es weltweit nach wie vor kaum einheitlichen Standards gibt, mit denen Biodiversitätsdaten erfasst werden. Außerdem muss die Verknüpfung von Freiland- und Fernerkundungsdaten dahingehend optimiert werden, dass die Zusammenführung großer, komplexer und heterogener Datenmengen besser klappt sowie Daten einfacher ausgewertet und in Modelle überführt werden können.
Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist die Entwicklung der sogenannten "Essenziellen Biodiversitätsvariablen" (EBV), der sich unter anderem Wissenschaftler wie Angela Lausch und viele ihrer Mitautorinnen und -autoren weltweit widmen.
Publikation: Lausch, A., Bannehr, L., Beckmann, M., Boehm, C., Feilhauer, H., Hacker, J.M., Heurich, M., Jung, A., Klenke, R., Neumann, C., Pause, M., Rocchini, D., Schaepman, M.E.; Schmidtlein, S., Schulz, K., Selsam, P., Settele, J., Skidmore, A.K., Cord, A.F.,
2016. Linking Earth Observation and taxonomic, structural and functional biodiversity: Local to ecosystem perspectives. Ecological Indicators 70., 317-339., http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.06.022.
