Quelle: Arianespace. 29. April 2025

Am Dienstag, dem 29. April 2025, um 6:15 Uhr Ortszeit (9:15 Uhr UTC, 11:15 Uhr MESZ) hat Arianespace den Satelliten Biomass des Earth Explorer-Programms der Europäischen Weltraumorganisation ESA an Bord einer Vega C-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana gestartet. Die Mission mit der Bezeichnung VV26 hat den Satelliten 57 Minuten nach dem Start in eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 666 km Höhe gebracht.

„Mit dem erfolgreichen Start von Biomass für die Europäische Weltraumorganisation gewährleistet Arianespace Europa nicht nur einen unabhängigen Zugang zum Weltraum, sondern trägt auch dazu bei, den Weltraum für ein besseres Leben auf der Erde nutzbar zu machen. Die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten hat es ermöglicht, einen Satelliten für die Umweltüberwachung und Klimaforschung in die Umlaufbahn zu bringen, der uns helfen wird, die Wälder unseres Planeten besser zu verstehen. Wir freuen uns, mit dieser Mission einen Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel und zum Erhalt der Artenvielfalt zu leisten. Ich möchte den Teams von Arianespace und unseren Partnern für die perfekte Durchführung dieser europäischen Mission danken“, erklärte David Cavaillolès, CEO von Arianespace.

Nach dem Start vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou wurde die Trägerrakete Vega C etwas mehr als sieben Minuten lang von ihren ersten drei Stufen angetrieben. Die vierte Stufe AVUM+ zündete anschließend zweimal, bevor sie ihren Passagier, den Biomass-Satelliten, in die Zielbahn brachte und damit den erfolgreichen Start abschloss. Das Signal des Satelliten wurde etwa 14 Minuten nach dem Eintritt in die Umlaufbahn von der ESA empfangen.

Simonetta Cheli, Direktorin für Erdbeobachtungsprogramme bei der ESA, erklärte: „Ich möchte Arianespace und Avio für den erfolgreichen Start der Vega-C danken, die unseren Satelliten Biomass in die Umlaufbahn gebracht hat. Diese bemerkenswerte Mission reiht sich in die Earth Explorer-Serie ein, die stets bahnbrechende Erkenntnisse über unseren Planeten geliefert und wissenschaftliche Spitzenleistungen erbracht hat. Biomass wird wichtige Daten liefern, die unser Verständnis davon verbessern werden, wie viel Kohlenstoff in den Wäldern der Welt gespeichert ist, und die entscheidende Lücken in unserem Wissen über den Kohlenstoffkreislauf und damit das Klimasystem der Erde schließen.“

Der Biomass-Satellit bringt den ersten P-Band-Radar mit synthetischer Apertur zur Erdbeobachtung ins All. Dank seiner langen Wellenlänge von etwa 70 cm kann das Radarsignal Baumkronen durchdringen. Dadurch können Informationen über die Höhe und Struktur verschiedener Waldtypen gesammelt und die Menge an Kohlenstoff, die in den Wäldern der Erde gespeichert ist, sowie deren Veränderung im Laufe der Zeit gemessen werden. Darüber hinaus wird die Biomass-Mission auch zur Kartierung der unterirdischen Geologie von Wüsten, zur Erforschung der Struktur der Eiskappen und zur Analyse der Topographie von Waldböden beitragen.

Die Earth Explorer-Missionen der ESA gehören zu den weltweit führenden Forschungsmissionen und liefern bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse über die komplexen Systeme unseres Planeten. Wälder, die „grünen Lungen der Erde“, absorbieren jedes Jahr etwa 8 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Wenn diese Wälder zerstört werden oder verschwinden, wird das von ihnen gespeicherte CO₂ in der Atmosphäre wieder freigesetzt. Die Quantifizierung des globalen Kohlenstoffkreislaufs ist unerlässlich, um dessen Auswirkungen auf das Klima besser zu verstehen.

Biomass wurde von Airbus Defence and Space gebaut und wird mindestens fünf Jahre lang detaillierte Beobachtungen durchführen und dabei mindestens acht Wald-Wachstumszyklen dokumentieren. Die Beobachtungen dieser Mission werden außerdem zu einem besseren Verständnis des Tempos des Verlusts natürlicher Lebensräume und damit auch seiner Auswirkungen auf die biologische Vielfalt beitragen.

Der VV26-Launch auf einen Blick:

• 353. Start von Arianespace und 4. Launch von Vega C
• 10 % der von Arianespace gelaunchten Satelliten dienen der Erdbeobachtung
• 52. Mission für die Europäische Weltraumorganisation ESA
• 146. von Airbus Defence and Space gebauter und von Arianespace gelaunchter Satellit

Über Arianespace

Arianespace erschließt den Weltraum zur Verbesserung der Lebensqualität auf der Erde. Dazu bietet das Unternehmen seit 1980 Startdienste für alle Arten von Satelliten in alle Umlaufbahnen an. Arianespace ist für die Vermarktung und den Betrieb der neuen Generation von Trägerraketen, Ariane 6, verantwortlich, die von der ESA mit ArianeGroup als industriellem Hauptauftragnehmer entwickelt wird. Arianespace wird auch die Vega C-Starts bis zur Mission VV29 durchführen. Ab diesem Zeitpunkt wird Avio der alleinige Betreiber und Anbieter von Startdienstleistungen für Vega sein. Arianespace hat seinen Hauptsitz in Evry in der Nähe von Paris und verfügt über technische Anlagen im Guiana Space Center in Französisch-Guayana sowie über lokale Büros in Washington, D.C., Tokio und Singapur. Arianespace ist eine Tochtergesellschaft der ArianeGroup, die 74 % des Aktienkapitals hält. Der Rest gehört 15 weiteren Aktionären aus der europäischen Ariane- und Vega-Trägerraketenindustrie. ESA und CNES sind im Verwaltungsrat vertreten.

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• Biomass auf Vega-C (VV26)

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Quelle: ETH Zürich.

20. April 2022 – Seit letztem Jahr befinden wir uns in der UN-​Dekade für die Wiederherstellung von Ökosystemen (engl. «UN Decade on Ecosystem Restoration»). Die Initiative hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 die Degradation der Ökosysteme aufzuhalten, ihr vorzubeugen und bereits entstandene Schäden, wenn möglich zu beheben. Für solche Vorhaben benötigen die Akteure präzise Grundlagen wie zum Beispiel Vermessungen und Karten des Bestands. Ralph Dubayah, Leiter der «Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI)»-​Mission der NASA erklärt in einem Interview: «Wir wissen schlicht nicht, wie hoch die Bäume weltweit sind. […] Wir brauchen globale Karten davon, denn wenn wir Bäume fällen, setzen wir CO₂ in die Atmosphäre frei, und wir wissen nicht, um wie viel es sich handelt.»

Auf die Analyse und Aufbereitung ebensolcher Umweltdaten spezialisiert ist das EcoVision Lab am ETH-​Departement für Bau, Umwelt und Geomatik, das 2017 von ETH-​Professor Konrad Schindler und UZH-​Professor Jan Dirk Wegner gegründet wurde. Im Lab entwickeln die Forscher Machine-​Learning-Algorithmen, die es ermöglichen, großflächige Umweltdaten automatisch zu analysieren. Einer dieser Forscher ist Nico Lang. In seiner Doktorarbeit hat er einen Ansatz – basierend auf neuronalen Netzwerken – entwickelt, um aus optischen Satellitenbildern die Vegetationshöhe ableiten zu können. Daraus konnte er die erste Vegetationshöhen-​Karte erstellen, welche die gesamte Erde abdeckt (engl. «Global Canopy Height Map»).

Ein Novum ist zudem die hohe Auflösung der Karte: Dank Langs Arbeit können Nutzer*innen bis zu 10×10 Meter an jedes Waldstück der Erde heranzoomen, um die Baumhöhe abzulesen. Eine solche Vermessung der Wälder könnte in Zukunft insbesondere im Umgang mit dem CO₂-​Ausstoß wegweisend sein, denn die Baumhöhe ist ein wichtiger Indikator für die Biomasse und die Menge an gespeichertem Kohlenstoff. «Etwa 95 Prozent der Biomasse im Wald sind im Holz und nicht in den Blättern. Daher hängt die Biomasse stark mit der Höhe zusammen», klärt Konrad Schindler, Professor für Photogrammetrie und Fernerkundung, auf.

Trainiert mit Laserscanning-​Daten aus dem Weltraum
Doch wie liest ein Computer die Baumhöhe von einem Satellitenbild ab? «Da wir nicht wissen, nach welchen Mustern der Computer Ausschau halten muss, um die Höhe zu schätzen, lassen wir ihn die optimalen Bildfilter selbst lernen», sagt Nico Lang. Daher zeigt er seinem neuronalen Netzwerk Millionen von Beispielen: Als Input dienen die Bilder der zwei Copernicus Sentinel-​2-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Diese Satelliten nehmen alle fünf Tage jeden Ort der Erde mit einer Auflösung von 10×10 Metern pro Pixel auf. Es sind die qualitativ besten Bilder, die zurzeit öffentlich zugänglich sind.

Daneben muss dem Algorithmus die korrekte Antwort – das heißt die Baumhöhe aus Space-​Lasermessungen der NASA GEDI-​Mission – zur Verfügung gestellt werden. «Die GEDI-​Mission liefert global verteilte, punktuelle Daten der Vegetationshöhe zwischen dem 51. nördlichen und südlichen Breitengrad, sodass der Computer im Trainingsprozess viele verschiedene Vegetationstypen sieht», erklärt Nico Lang. Mit Input und Antwort kann sich der Algorithmus die Filter für Textur-​ und Spektralmuster selbst aneignen. Ist das neuronale Netzwerk erst einmal trainiert, kann es die Baumhöhen aus den mehr als 250.000 Bildern (etwa 160 Terabyte Daten), die für die globale Karte notwendig sind, automatisch schätzen.

In der Fachterminologie nennt sich Langs neuronales Netzwerk Convolutional Neural Network (CNN). Die «Convolution» – zu Deutsch Faltung – ist eine mathematische Operation, bei welcher der Algorithmus die 3×3 Pixel großen Bildfilter über das Satellitenbild gleiten lässt und dadurch Informationen über Helligkeitsmuster im Bild erhält. «Der Trick dabei ist, dass wir die Bildfilter stapeln und der Algorithmus dadurch Kontextinformationen erhält, da er von jedem Pixel bereits Informationen über die Nachbarpixel hat», erläutert Konrad Schindler. Dadurch ist es dem EcoVision Lab erstmalig gelungen mit einer Satellitenkarte auch Baumhöhen von bis zu 55 Meter zuverlässig einzuschätzen.

Weil diese neuronalen Netzwerke mit ihren vielen Schichten «tief» sind, spricht man auch von «Deep Learning». Diese Methode läutete vor rund 10 Jahren eine große Revolution in der Bildverarbeitung ein. Der Umgang mit der schieren Menge an Daten, die dazu nötig ist, ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung: Um die globale Vegetationshöhen-​Karte zu berechnen, bräuchte ein leistungsstarker Rechner allein drei Jahre. «Zum Glück haben wir Zugriff auf den ETH-​Hochleistungsrechencluster, sodass wir nicht drei Jahre auf die Berechnung der Karte warten mussten», lacht Nico Lang.

Transparenz durch Abschätzung der Unsicherheiten
Nico Lang bereitete denn nicht nur ein CNN auf diese Aufgabe vor, sondern gleich mehrere – ein sogenanntes Ensemble – davon. «Ein wichtiger Aspekt für uns war, den Nutzer*innen auch die Unsicherheit der Schätzung mitzuliefern», sagt er. Die insgesamt fünf neuronalen Netzwerke wurden unabhängig voneinander trainiert, wobei jedes seine eigene Schätzung der Baumhöhen angibt.

«Sind alle Modelle einer Meinung, ist die Antwort auf Basis der Trainingsdaten eindeutig. Kommen die Modelle zu unterschiedlichen Antworten, bedeutet dies, dass es eine höhere Unsicherheit in der Schätzung gibt», erklärt Nico Lang. In die Modellierung fließen auch Unsicherheiten in den Daten selbst mit ein: Ist ein Satellitenbild beispielsweise dunstig, ist die Unsicherheit grösser, als wenn die atmosphärischen Verhältnisse gut sind.

Grundlage für zukünftige ökologische Forschung
Dank ihrer hohen Auflösung bietet Langs globale Karte Einblick in interessante Details: «Wir konnten bereits spannende Muster entdecken», erzählt Konrad Schindler. «In den Rocky Mountains beispielsweise wird die Forstwirtschaft in fixen Quadraten betrieben und auch der Regenwald formt interessante Strukturen, die nicht zufällig sein können.» Nun sei es Ökolog*innen möglich, die aufgenommenen Muster und Daten weltumfassend zu interpretieren.

Damit die Forschung weitergeführt werden kann, werden die Karte sowie der Source Code öffentlich zugänglich sein. Erste Interessenten haben sich bereits gemeldet: Walter Jetz, Professor an der Yale Universität, möchte die Global Canopy Height Map zur Biodiversitätsmodellierung nutzen. Doch auch für Regierungen, Verwaltungen und NGOs könnte die Karte interessant sein. «Dank Sentinel-​2 könnte man alle fünf Tage die Vegetationshöhen neu berechnen und hätte so ein Monitoring, um die Regenwaldabholzung zu beobachten», meint Nico Lang.

Darüber hinaus sei es nun auch möglich, regionale Erkenntnisse wie die Eigenschaft von tropischen Blätterdächern als klimatischer Puffer zu wirken, global zu validieren. Gekoppelt mit dem High Carbon Stock Approach, der wertvolle Wälder für Kohlenstoffspeicherung und Biodiversität klassifiziert, ist die Vegetationshöhen-​Karte eine wichtige Grundlage für die Erhaltung und Stärkung der Ökosysteme. Gemäß Langs Berechnungen befindet sich bloß auf 5 Prozent der Landmasse Vegetation von mehr als 30 Metern Höhe und nur 34 Prozent davon stehen in geschützten Gebieten.

Da die GEDI-​Mission im Jahr 2023 beendet werden soll, bietet Langs neu entwickelter Ansatz die Möglichkeit auch zukünftig Vegetationshöhen zu kartieren. Allerdings wäre eine Verlängerung der GEDI-​Mission, über die zurzeit auch international in Mediencall_made diskutiert wird, wichtig, um die Daten mit zukünftigen Satellitenmissionen wie der ESA Biomass Mission abzugleichen und das Modell auf Veränderungen zu kalibrieren.

Originalpublikation:
ETH: https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/04/neuronales-netzwerk-kann-baumhoehen-von-satellitenbildern-ablesen.html
arXiv: https://arxiv.org/abs/2204.08322

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• Planet Erde

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Stevenage, 21. Oktober 2021 – Biomass, der “Waldsatellit” der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), hat mit der erfolgreichen Entfaltung des Large Deployable Reflector (LDR), der künftig von den Wäldern der Erde reflektierte P-Band-Daten empfangen soll, einen wichtigen Meilenstein erreicht.

Der Test, der bei L3Harris in Florida, USA, stattfand, die den 12 Meter großen Reflektor hergestellt haben, wurde von Vertretern von Airbus, der europäischen Weltraumorganisation ESA und JPL (NASA) beobachtet.

Chris Lloyd, Projektleiter von Biomass bei Airbus Defence and Space, sagte: „Das erfolgreiche Entfalten des größten Reflektors für die Erdbeobachtung ist ein großer Fortschritt für Biomass. Nach den erfolgreichen Struktur- und Mechanik-Tests zu Beginn dieses Jahres sind wir auf Kurs für den Start im Jahr 2023.“

Michael Fehringer, ESA-Projektleiter von Biomass, sagte: „Es war großartig zu sehen, wie sich der riesige Reflektor erfolgreich entfaltet hat. Das ist ein Beweis für die einzigartige Zusammenarbeit der Industrieteams in Europa und den USA sowie für die Kooperation zwischen ESA und NASA/JPL.“

Dr. Paul Bate, Chief Executive der britischen Raumfahrtagentur, sagte: „Mit Blick auf die bevorstehende COP26 geht Großbritannien bei der Nutzung des Weltraums zur Überwachung des Klimawandels voran, wobei Unternehmen wie Airbus bei der Entwicklung von Satelliten, die Wissenschaftlern Zugang zu wertvollen Informationen über unseren Planeten verschaffen, eine zentrale Rolle spielen“. „Die Biomass-Mission wird die Qualität der Daten über die Wälder der Welt erheblich verbessern. Ich hatte das Privileg, kürzlich in Stevenage zu sehen, wie der Satellit Gestalt annimmt, und ich freue mich sehr auf den Start im Jahr 2023“.

Der 12-Meter-Reflektor ist der Schlüssel zum ersten weltraumgestützten P-Band-Radar mit synthetischer Apertur, der längsten für die Erdbeobachtung verfügbaren Radarwellenlänge. Biomass, eine Earth-Explorer-Mission der ESA, wird fünf Jahre lang die Biomasse der Wälder messen, um die terrestrischen Kohlenstoffbestände und -veränderungen zu bewerten.

Der Satellit wird außergewöhnlich genaue Karten der Biomasse der tropischen, gemäßigten und borealen Wälder sowie der Veränderungen des Biomasse-Bestands während der fünfjährigen Laufzeit der Mission liefern, die mit bodengestützten Messverfahren nicht zu erzielen sind. In trockenen Gebieten des Planeten wird das Radarsignal bis zum darunter liegenden Gestein vordringen und so die Kartierung der Gesteinsstruktur und die Suche nach unterirdischen Wasserreservoirs ermöglichen.

Der LDR wird voraussichtlich Ende 2021 an den Hauptauftragnehmer der ESA, Airbus in Stevenage, zur Integration in das Raumfahrzeug geliefert. Biomass soll im Jahr 2023 mit einer Vega-Trägerrakete von Französisch-Guayana aus starten.

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• Biomass (ESA Earth Explorer 7) auf VEGA

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Quelle: ESA.

20. Februar 2015 – Die Mission Biomass gilt einem der wichtigsten Bestandteile des Systems Erde, nämlich dem Zustand und der Entwicklung der tropischen Regenwälder. Zu ihren wissenschaftlichen Hauptzielen gehören die Bestimmung der Verteilung der oberirdischen Biomasse in den Regenwäldern und die Messung der jährlichen Veränderungen dieser Masse während des Einsatzzeitraums des Satelliten.

Die Biomasse und die Vegetationshöhe werden mit einer Auflösung von 200m, Eingriffe in das Waldsystem, wie etwa Kahlschlag, mit einer Auflösung von 50m erfasst, womit die Mission ein wichtiges Hilfsmittel für eine nachhaltige Waldbewirtschaftung darstellt.

Die Untersuchung der tropischen Biomasse ist für das Verständnis des Klimas auf unserem Planeten von grundlegender Bedeutung.

Mit Biomass bietet sich zum ersten Mal die Möglichkeit, satellitengestützte Radarbeobachtungen der Erdoberfläche im P-Band zu machen. Über die Untersuchung der Regenwälder hinaus werden die Daten auch der Überwachung der Ionosphäre, von Gletschern und Eiskappen sowie der Erfassung unterirdischer geologischer Strukturen in Wüstengebieten und der Topografie von unter dichter Vegetation verborgenen Oberflächen dienen.

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