Quelle: DLR 2. November 2022.

2. November 2022 – Seit seinem Start vor sieben Monaten hat der deutsche Umweltsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) fleißig Daten gesammelt. Mehr als 11,4 Millionen Quadratkilometer unserer Erdoberfläche hat er aus circa 650 Kilometern Entfernung mit seinen 242 Spektralkanälen aufgenommen – eine Fläche größer als Europa. Doch diese Daten wurden noch nicht für die Wissenschaft erhoben. Sie wurden gebraucht, um das Hyperspectral Imager (HSI) Instrument optimal für den wissenschaftlichen Betrieb einzustellen und die Qualität der Daten zu überprüfen.

„EnMAP hat uns bereits in seiner sogenannten Kommissionierungsphase erstklassige Aufnahmen von herausragender Qualität von unserem Planeten geliefert. Wir freuen uns, dass wir diese Testphase im Oktober erfolgreich abschließen konnten und nun in den Routinebetrieb starten. Wir dürfen schon sehr darauf gespannt sein, welche neuen, spannenden Erkenntnisse die Wissenschaft in den kommenden Dekaden aus EnMAP-Daten für den Schutz unseres Planeten gewinnen wird. Denn sie können zum Beispiel dazu beitragen, die Erträge in der Landwirtschaft nachhaltig zu verbessern und damit die Ernährungssicherheit bei einer steigenden Weltbevölkerung sicherzustellen“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die die EnMAP-Mission im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) führt.

Während der Kommissionierung mussten die verschiedenen Komponenten des EnMAP-Satelliten sowie das HSI-Instrument verschiedene Tests durchlaufen. In dieser heiklen Phase konnte das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (GSOC) durch seine langjährige Erfahrung zum erfolgreichen Verlauf der Kommissionierung beitragen und wird auch weiterhin für den Betrieb und – wenn nötig – rund um die Uhr für die Sicherheit des Satelliten im All zur Verfügung stehen. Empfangen werden die EnMAP-Daten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) und dem Institut für Methodik der Fernerkundung in Oberpfaffenhofen, die auch alle Bilder im Rahmen der Kommissionierungsphase kalibriert, auf die Eigenschaften des Instrumentes im Orbit optimiert und gemeinsam mit dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) die Datenqualität so stetig verbessert haben. Denn die Daten, die der Satellit zur Erde schickt, sind für den Nutzer nicht direkt verwendbar. Nur wenn sie weiterverarbeitet, also kalibriert, mit Lage- und Positionsbestimmungen versehen sowie die Einflüsse der Atmosphäre korrigiert werden, können die Nutzer am Ende quantitative und qualitative Aussagen aus den Produkten ziehen.

Ab sofort können Forscherinnen und Forscher weltweit ihre Anfragen beim DLR einreichen. Auf archivierte Daten kann unmittelbar kostenfrei zugegriffen werden. Ein Konsortium unter Leitung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und des GFZ prüft die Beobachtungsanträge, die aus den Bereichen Einflüsse des Klimawandels, Veränderungen der Landbedeckung und Oberflächenprozesse, Biodiversität und Ökosystem, Zugang zu Wasser und Wasserqualität, natürliche Ressourcen sowie Katastrophenmanagement kommen können. Auch für die „International Charter Space and Major Disasters“ zur kurzfristigen Notfallunterstützung im Katastrophenfall wird EnMAP auf Anfrage wichtige Daten liefern und so die Rettungskräfte weltweit unterstützen. Besonders wichtig erachtet die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR die langfristige Überwachung von Umweltveränderungen. Daher wird diesem Themenkomplex ab Start der Routinephase der Mission Priorität bei der Auswahl zukünftiger Beobachtungen eingeräumt.

Auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft
Der Landwirtschaft kommt in unserer Gesellschaft eine bedeutende Rolle in den Bereichen der Nahrungsmittelversorgung, aber auch in der Baustoff- und Energieversorgung zu. Mit EnMAP eröffnen sich nun neue Möglichkeiten für die Präzisionslandwirtschaft und das landwirtschaftliche Monitoring. Denn seine spektral hochaufgelösten Daten enthalten wichtige Informationen über den Zustand und die Gesundheit von Nutzpflanzen. Am 28. Juli 2022 machte EnMAP bereits während der Kommissionierungsphase eine Aufnahme vom nördlichen Raum Münchens. Unter der Verwendung von effizienten Algorithmen und modernen Techniken des maschinellen Lernens konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Departments für Geographie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erstmalig biophysikalische und biochemische Pflanzeneigenschaften großflächig quantifizieren und kartieren. Durch eine wachsende Weltbevölkerung und gleichzeitig starke Umwelteinflüsse der Landwirtschaft, zum Beispiel die Emission klimawirksamer Gase betreffend, steigt die Nachfrage nach landwirtschaftlicher Produktion. Vor diesem Hintergrund können die neuen Informationen in landwirtschaftlichen Managementsystemen genutzt werden, um die Ressourceneffizienz und die Nachhaltigkeit der erforderlichen Ertragsoptimierung zu unterstützen.

Mit EnMAP „verräterischen Methanfahnen“ auf der Spur
Die Produktion fossiler Brennstoffe – hauptsächlich Öl- und Gasförderung sowie Kohlebergbau – ist für große Teile der menschengemachten Methanemissionen verantwortlich. Sie treten häufig als „Methanfahnen“ auf, die von punktförmigen Quellen ausgestoßen werden. Diese relativ kleinen Oberflächenelemente setzen verhältnismäßig große Gasmengen frei und hinterlassen damit eine verräterische Spur in der Atmosphäre. Erkennt man diese Spur schnell, dann kann man die Ursache rasch entfernen und damit die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre bedeutend verringern. Mit weltraumgestützten, bildgebenden Spektrometern wie EnMAP lassen sich diese Methanemissionen am besten weltweit und flächendeckend überwachen. Das Potenzial der deutschen Umweltmission zur Kartierung dieser Methanfahnen wurde durch erste Messungen in der Kommissionierungsphase bereits bestätigt. Bei diesen Aufnahmen wurden Öl- und Gasförderbecken im südlichen Teil Turkmenistans von EnMAP am 6. Oktober 2022 erfasst. Gleich mehrere aktive Methan-Punktquellen in dieser Region haben Forscherinnen und Forscher vom Research Institute of Water and Environmental Engineering (IIAMA) der Universitat Politècnica de València anhand abgeleiteter EnMAP-Karten zur Erhöhung der Methankonzentration entdeckt.

Einblicke in die Geologie des größten Erosionskraters der Welt
In der israelischen Wüste Negev liegt der größte, durch natürliche Erosion entstandene Krater der Welt – das Makhtesh-Ramon-Basin. In den letzten 220 Millionen Jahren hat sich das weichere Gestein wie beispielsweise Sandstein aus den Flächen härterer Sorten wie Kalkstein und Dolomit herausgewaschen, weggeschwemmt und einen einzigartigen Krater geschaffen. Dieser Nationalpark, der zu den trockensten Gegenden auf unserem Planeten gehört, ist ein Sammelbecken für Fossilien, urzeitliche Vulkankegel, Magmaspalten und -kammern sowie versteinerte Korallenriffe – aber vor allem für Mineralien, die in größter Vielfalt und Fülle dort im Gestein einlagern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessieren sich besonders für diese geologische Einheiten einschließlich Sandstein, eisenoxidreiche Gesteine, Gips, Kalkstein, Dolomit, Tonminerale – wie das Schichtsilikat Kaolinit – und bereits tief in der Erde abgekühlte (plutonisch), kristalline Gesteinseinheiten. Mit dem bloßen Auge sind der Sandstein und die an die Oberfläche „gewanderten“, plutonisch kristallinen Gesteinseinheiten zwar sichtbar. Doch was verbirgt sich darunter? Welche Mengen an Gestein und Mineralien lagern dort im Felsen? Und wie sind diese Einheiten verteilt? Diesen Fragen ist EnMAP zusammen mit Forschenden des Remote Sensing Laboratory der Universität Tel-Aviv auf den Grund gegangen.

Deren Daten aus der Kommissionierungsphase des Satelliten, die vom DLR-Bodensegment prozessiert, bereitgestellt und mit dem GFZ zusammen aufbereitet wurden, geben einen guten Vorgeschmack auf die hohe Qualität der Daten, die wir während der Betriebsphase erwarten können. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten sehr genau zwischen verschiedenen Gesteinsarten (zum Beispiel Dolomit oder Kalkstein) und Mineralien (wie Tone, Sulfate) sowie Variationen innerhalb von Mineralarten aus einem Streifen von vierzig mal sieben Kilometern unterscheiden und sich ein gutes Bild von der Menge und Verteilung der kartierten Einheiten im Vergleich zu flugzeug- und bodengestützten Daten machen – Wissen, dass ohne hyperspektrale EnMAP-Bilder aus dem All gar nicht möglich wäre.

Wasserqualität im Bodensee vom All aus überwachen
Als größtes Wasserreservoir Europas spendet der Bodensee Millionen von Menschen Trinkwasser. Doch in den Monaten Juli und August 2022 erreichte der See einen traurigen Tiefststand: Bedingt durch eine lange Trockenheit in Zeiten des Klimawandels wurde am 9. August 2022 ein sehr niedriger Wasserstand von nur 3,05 Metern in Konstanz gemeldet – nur vier Zentimeter über dem saisonalen Rekord. Die Folge: Je flacher das Wasser, desto schneller erwärmt es sich. Daraufhin wurden an einigen Stellen Sedimente an die Wasseroberfläche gespült und es bildeten sich grüne Algenteppiche in riesigem Ausmaß.

Diese Teppiche wachsen besonders schnell, wo es viele Nährstoffe gibt und das Wasser warm ist. Um einen Überblick über das exzessive Algenwachstum zu bekommen, hat EnMAP am 1. August 2022 in der Kommissionierungsphase den Bodensee und seine Chlorophyll-a-Konzentration aus dem All unter die Lupe genommen. Die vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) ausgewerteten Daten dieses wichtigen Pflanzenfarbstoffs geben Aufschluss über die Photosynthese und damit über das Wachstum der Algen. Die satellitengestützten Datensätze zur Verbreitung und Produktivität verschiedener Phytoplanktongruppen sind äußerst wertvoll für die Überwachung der Wasserqualität von Binnengewässern und deren Nutzung als Wasser- und Nahrungsquelle sowie als Naherholungsgebiet.

EnMAP – die deutsche Umweltmission und ihre Partner
Die Umweltmission EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen führt den Satellitenbetrieb durch und überwacht ihn. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das Institut für Methodik der Fernerkundung empfangen, kalibrieren und prozessieren, archivieren und machen die Satellitendaten der Wissenschaft zugänglich. Auch Firmen und Behörden werden die Daten verwenden und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg 25. Oktober 2022.

25. Oktober 2022 – Die größte Wanderungsbewegung, die die Menschheit jemals vollzogen hat, ist in vollem Gange. Dabei führt der Bevölkerungsstrom vom Land in die Städte. Jede Woche migrieren statistisch betrachtet 1,4 Millionen Menschen vom Land in die urbanen Räume auf unserem Planeten. Und wenn die Prognosen stimmen, wird es bis zum Jahr 2050 weitere 2,3 Milliarden Menschen auf der Erde geben – und diese 2,3 Milliarden werden im Prinzip alle in der Stadt wohnen.

Diese beiden Statistiken zeigen eindrucksvoll, dass die Urbanisierung ein wichtiger Treiber des globalen Wandels ist.

Doch die Urbanisierung hat viele Gesichter. Sie zeigt sich in Vorstädten aus Einfamilienhäusern, in hochgeschossigen Großwohnsiedlungen, in urbanen Blockrandbebauungen oder in Stadtlandschaften, die komplett auf dem Reißbrett designt wurden. Im Gegensatz dazu steht die weitgehend ungeplant verlaufende Bildung von Slums durch illegale Landnahme.

„Wir bezeichnen zwar alles davon als Stadt, aber wenn Sie mal durch die lebendige Innenstadt von Würzburg gehen, durch eine Einfamilienhaussiedlung oder durch einen Slum, dann spüren Sie, was sich alles hinter dem Begriff Stadt verbergen kann. Gebaute Stadtlandschaften sind wie ein Seelenzustand“, sagt der neue Würzburger Geographie-Professor Hannes Taubenböck, „sie haben Einfluss darauf, wie wir uns verhalten, wie wir fühlen und denken“.

Big Data zur Analyse von Urbanisierungsprozessen anwenden
Höchstaufgelöste Satellitendaten erlauben es, die Siedlungsstrukturen extrem genau abzubilden. Am Beispiel von Delhi in Indien zeigen sich Gegensätze in direkter Nachbarschaft: Im Norden die komplexe, unvorstellbar dichte Bebauung von „Old Delhi“, im Süden dagegen die auf dem Reißbrett designten, geometrischen und gering verdichteten Siedlungen von Neu-Delhi.

Obwohl sich die Menschheit im Informationszeitalter befindet, existieren immer noch große Wissenslücken über urbane Phänomene. Mit Fernerkundungsdaten von Satelliten können unterschiedliche Dynamiken, Dimensionen und Strukturen physischer Transformationsprozesse auf unserem Planeten anschaulich dokumentiert und analysiert werden. In Kombination mit anderen Datensätzen, etwa aus sozialen Netzwerken oder aus Befragungen, können im Sinne von Big Data gesellschaftliche Auswirkungen von Urbanisierungsprozessen eruiert und Wissenslücken verringert werden.

Die Forschung am neuen Lehrstuhl
Um diese Thematik dreht sich die Forschung am neuen Lehrstuhl für Globale Urbanisierung und Fernerkundung der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Hannes Taubenböck wurde zum 1. Oktober 2022 als Leiter des Lehrstuhls berufen. Sein Team erfasst mit Satelliten- und Luftbilddaten Formen der Urbanisierung, dokumentiert deren Veränderungen über die Zeit und analysiert deren ökologische, ökonomische oder soziale Auswirkungen.

Am neuen JMU-Lehrstuhl wird das Wachstum von Megastädten kartiert und quantifiziert. Dort werden auch neue Dimensionen von Stadtlandschaften beobachtet – etwa im Perlflussdelta in China, wo 65 Millionen Menschen leben. Und es werden unterschiedliche Formen der Urbanisierung studiert, etwa Geisterstädte in China, die für weitaus mehr Menschen gebaut wurden als dort aktuell leben, oder die übervollen Slums des globalen Südens, aber auch Stadtentwicklungen in Deutschland.

„Im Zentrum unserer Forschungen stehen zum einen methodische Ansätze, um die immer größer werdenden fernerkundlichen Datensätze in verlässliche Geoinformation zu überführen. Und zum anderen steht die Frage im Fokus, wie und wo wir bauen und wohnen wollen“, sagt Hannes Taubenböck. „Aus dieser Arbeit wollen wir Ideen entwickeln, wie die Städte der Zukunft gestaltet werden können.“

Engagiert in EAGLE und CAIDAS
All diese Themen wird Hannes Taubenböck auch in die Lehre im internationalen Würzburger Masterstudiengang EAGLE (Applied Earth Observation and Geoanalysis) einbringen, um die zukünftige Generation von Forschenden zu dem Thema auszubilden.

„Ich freue mich auch sehr auf die vielfältigen Kooperationsmöglichkeiten mit den Kolleginnen und Kollegen der Universität Würzburg innerhalb von CAIDAS und auch fächerübergreifend, zum Beispiel mit der englischen Sprachwissenschaft. Es ist das Ziel, das Themenfeld in den kommenden Jahren an der JMU fest zu etablieren und zu verstärken“, so Taubenböck.

CAIDAS ist das im Aufbau befindliche Center for Artificial Intelligence and Data Science der JMU. In dem Forschungszentrum werden Strategien entwickelt, um in allen Wissenschaftsgebieten große Datenmengen effizient und mit intelligenten Methoden auswerten und nutzen zu können.

Kooperation nach dem Jülicher Modell
Der neu geschaffene JMU-Lehrstuhl für Globale Urbanisierung und Fernerkundung ist ein Kooperationslehrstuhl mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nach dem Jülicher Modell. Diese Konstellation ermöglicht synergistische Forschung zwischen der Universität und dem Großforschungszentrum. Lehrstuhlleiter Professor Hannes Taubenböck ist zugleich Leiter der Abteilung „Georisiken und zivile Sicherheit“ am Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Weßling-Oberpfaffenhofen bei München.

Zum Weiterlesen
Taubenböck H (2019): Remote Sensing for the Analysis of Global Urbanization. DLR-Research Report 2019-10. Habilitation Thesis, University Würzburg, 600 p., ISSN 1434-8454.

Taubenböck H, Wurm M, Esch T & Dech S (Hrsg.) (2015): Globale Urbanisierung – Perspektive aus dem All. Berlin Heidelberg, SpringerSpektrum. S. 297.

Taubenböck H & Dech S (Hrsg.) (2010): Fernerkundung im urbanen Raum – Erdbeobachtung auf dem Weg zur Planungspraxis. Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt. August 2010. S. 192.

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• Planet Erde

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Quelle: DLR 17. August 2022.

17. August 2022 – Satellitendaten zeigen das ganze Ausmaß der Waldbrände, die aktuell in Europa lodern. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bietet einen neuen Service an, mit dem die Entwicklungen tagesaktuell und im zeitlichen Verlauf beobachtet werden können. Die Satellitendaten werden automatisch ausgewertet und in eine Karte übertragen. Das ZKI Fire Monitoring System steht ab sofort zur Verfügung und ist kostenfrei nutzbar.

„Wir können nicht nur sagen, wo es gebrannt hat. Sondern auch, wie sehr die Vegetation betroffen ist. Dies ist unter anderem für die Abschätzung der entstandenen Emissionen wichtig“, sagt Gruppenleiter Dr. Torsten Riedlinger vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Für einen großen Brand südlich der französischen Stadt Bordeaux, die in der vergangenen Woche besonders betroffen war, haben die Satelliten zum Beispiel eine verbrannte Fläche von fast 8100 Hektar erkannt. „Es handelte sich um einen besonders schweren Brand, bei dem dichter Wald zerstört wurde. Wir können das über einen speziellen Index feststellen, der die verbrannte Biomasse anzeigt“, erklärt Torsten Riedlinger.

45 größere Brände in Deutschland seit Anfang Juli
Auch in Deutschland kämpfen die Feuerwehren gegen Waldbrände, die durch die extreme Trockenheit begünstigt werden. Seit Anfang Juli gab es laut ZKI Fire Monitoring System in Deutschland 45 größere Brände. Dabei sind mehrere tausend Hektar Wald, Busch- und Weideland zerstört worden. Die schwersten Brände ereigneten sich in Brandenburg bei Falkenberg, wo eine Fläche von 780 Hektar brannte, und in der Sächsischen Schweiz in der Grenzregion zu Tschechien. Dort brannte in Tschechien und Deutschland eine Fläche von insgesamt 1160 Hektar.

Die Daten stammen von den beiden Sentinel-3 Satelliten, die mit unterschiedlichen Instrumenten zur Beobachtung der Land- und Ozeanoberflächen ausgestattet sind. Das Satelliten-Duo gehört zum europäischen Copernicus-Programm. Über ihre optischen Systeme erfassen die Sentinel-3 Satelliten die Erdoberfläche mit einer Bodenauflösung von etwa 300 Metern. Die Sentinel-3 Satelliten überqueren auf ihren polaren Umlaufbahnen in etwa 800 Kilometern Höhe Europa jeden Tag. Auch mit den amerikanischen Satelliten Aqua und Terra (Flughöhe rund 700 Kilometer) können Waldbrände mehrmals am Tag beobachtet werden. Sie senden täglich ihre Daten, sobald sie die DLR-Empfangsstationen in Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern) oder Oberpfaffenhofen (Bayern) überfliegen. Die Ergebnisse sind schon etwa 20 Minuten nach dem Satellitenüberflug verfügbar.

Um die Qualität der Aussagen zu verbessern, werden die Daten über mehrere Tage hinweg kontinuierlich verfeinert. Das heißt, die Daten werden nachträglich noch einmal abgeglichen, neu berechnet und überprüft. Das läuft ebenfalls automatisch. Die Nachprozessierung ist wichtig, weil Satelliten mit optischen Instrumenten – anders als etwa Radarsatelliten – nicht durch eine Wolkendecke schauen können.

Unterscheidung zwischen Waldbränden und Bränden auf landwirtschaftlich genutzten Flächen
Die DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben alle Brände in Europa seit 2016 analysiert. Die Karten zeigen, dass viele Brände – vor allem in Süd- und Osteuropa – nicht im Wald, sondern auf landwirtschaftlich genutzten Flächen vorkommen. Im vergangenen Jahr wurden zum Beispiel Brände mit einer Größenordnung von 3,7 Millionen Hektar erkannt. Davon handelte es sich bei rund 1 Million Hektar um Waldbrände. 2017 war das Jahr mit den stärksten Bränden im Beobachtungszeitraum: 5,2 Millionen Hektar standen in Flammen, davon entfielen 1,3 Millionen Hektar auf Wälder. „Besonders betroffen war in dem Jahr Portugal, wo sich Waldbrände auf 3,8 Prozent der gesamten Landesfläche ausdehnten“, sagt Dr. Michael Nolde von der DFD-Abteilung Georisiken und zivile Sicherheit, der die Auswertung der Daten leitet.

Georisiken und zivile Sicherheit
In der Abteilung Georisiken und zivile Sicherheit im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Informationsprodukte aus Erdbeobachtungsdaten. Die Forschenden integrieren die Informationsprodukte in Systemlösungen und betreiben entsprechende Services. Ein Schwerpunkt liegt auf der Unterstützung von Maßnahmen bei Umwelt- und Naturgefahren, bei humanitären Krisensituationen sowie zu Fragen der zivilen Sicherheit.

Die thematischen Services stellen aktuelle krisenrelevante Informationen bereit, die für die unmittelbare Krisenreaktion und Notfallkartierung benötigt werden. Außerdem werden sie für die Katastrophenvorsorge und Abschätzung von Georisiken, für die Frühwarnung bei Naturgefahren und technischen Unfällen sowie für Wiederaufbaumaßnahmen verwendet. Die Arbeiten sind in nationale, europäische und internationale Kooperationen eingebunden. Das Zentrum für Satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) ist eine Einrichtung im DFD.

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Quelle: DLR 11. August 2022.

11. August 2022 – China, die Europäische Union (EU) und Großbritannien betreiben weltweit die meisten Offshore-Windkraftanlagen. Das hat eine Auswertung von Satellitendaten durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergeben. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben mit einer Künstlichen Intelligenz (KI) nicht nur die Anzahl und die Standorte der Anlagen ermittelt, sondern auch die Entwicklung der vergangenen Jahre, die Leistung und die Entstehung neuer Anlagen.

Im Juni 2021 waren in China 3.267 Offshore-Windkraftanlagen in Betrieb, in der Europäischen Union (EU) 3.096 und in Großbritannien 2.378. Weltweit wurden 8.885 Anlagen gezählt. Bei der Leistung lag die EU vorne: Die Offshore-Windkraftanlagen in der Nord- und Ostsee, der Irischen See sowie im Atlantik vor Portugal kamen auf 15,2 Gigawatt (GW). Die chinesischen Anlagen kamen zu dem Zeitpunkt auf 14,1 GW, die britischen auf 10,7 GW. „Zusammen sind das rund 98,5 Prozent der weltweit vorhandenen, installierten Offshore-Windkraftleistung von 40,6 GW im Juni 2021“, erklärt Thorsten Höser vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Zum Vergleich: Die drei aktuell noch laufenden Atomkraftwerke in Deutschland haben eine installierte Leistung von insgesamt 4,3 GW.

Ausbau der Offshore-Windenergie
„Ein Blick auf die zeitliche Dynamik verrät, dass vor allem der Eintritt Chinas in den Offshore-Windenergiesektor und der Bau von Offshore-Windparks in Chinesischen Gewässern die Expansionsdynamik beeinflusst hat“, sagt Thorsten Höser. Laut den ermittelten Daten waren dort Mitte des vergangenen Jahres 627 neue Anlagen im Bau. Vor den EU-Küsten waren 63 Anlagen im Bau. Vor den Küsten der USA wurden sieben bestehende Offshore-Windkraftanlagen gezählt. Die Auswertung bezog sich nicht auf landgestützte Windkraftanlagen.

„Offshore-Windkraftanlagen sind ein wichtiger Baustein für eine treibhausgasneutrale Energieerzeugung und unterstützen gleichzeitig nationale Bestrebungen einer autarken Energieproduktion unabhängig von Kohle und Erdgas. Dabei haben sie den Vorteil, an Standorten errichtet zu werden, wo hohe und stetige Windgeschwindigkeiten herrschen“, sagt Prof. Claudia Künzer, Leiterin der Abteilung Dynamik der Landoberfläche im DFD. „1991 wurde der erste Windpark der Welt an der Dänischen Küste errichtet. Seitdem nimmt die Anzahl der Offshore-Windkraftanlagen in Deutschland, Europa und weltweit stetig zu.“ Sowohl die Bundesregierung, als auch die EU und Großbritannien streben aktuell einen Ausbau der Offshore-Windenergie an.

Künstliche Intelligenz zur Auswertung globaler Satellitendaten
Die Analyse von Satellitenbildern ermöglicht erstmals, einen globalen Überblick über den Offshore-Windenergiesektor zu erhalten. Für die Auswertung wurden Zeitreihen des Radarsatelliten Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation ESA seit dem Jahr 2016 genutzt. Charakteristisch für die Sentinel-1 Mission ist eine kontinuierliche Wiederholung der Aufnahmen innerhalb weniger Tage.

Die Forschenden am DFD haben Algorithmen entwickelt, die Verfahren der KI – und hier speziell des Maschinellen Lernens – einsetzen, um Offshore-Windkraftanlagen automatisch aus dem riesigen Sentinel-1-Archiv auszulesen. Das Archiv stellte im Jahr 2021 mehr als elf Petabyte Daten bereit. Ein neuronales Netz wurde mit Beispielen darauf trainiert, Windturbinen zu erkennen. „Die Trainingsbeispiele sollten vielfältig sein, um dem neuronalen Netz eine große Möglichkeit an Szenerien während des Lernens zu präsentieren“, erklärt Thorsten Höser, der die Auswertung der Daten geleitet hat. Ein Teil der Forschungsarbeit befasste sich mit der Erstellung der Beispiele. Sie beschreiben charakteristische Eigenschaften eines Satellitenbildes. Anschließend werden die Bildeigenschaften neu zusammengesetzt, um zehntausende völlig neue virtuelle Trainingsbilder zu erzeugen. Dieser Ansatz ist auf andere Objekte übertragbar. So können in Zukunft neben Offshore-Windturbinen weitere Objekte aus globalen Satellitendaten-Archiven extrahiert werden.

Weitere Zahlen und Informationen zu diesem Thema stellt die DLR-Veröffentlichungsreihe „Daten und Fakten“ bereit: Offshore-Windenergie: Anlagenzahl, Kapazität, Ausblick.

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• Planet Erde

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Quelle: DLR 4. Mai 2022.

4. Mai 2022 – Seit ihrem Start am 1. April 2022 ist die deutsche Umweltsatellitenmission EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program), die von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt wird, gut einen Monat im All und hat jetzt die ersten hochaufgelösten Satellitenbilder geliefert. Nachdem die Mission die „Launch and Early Orbit Phase“ erfolgreich abgeschlossen hatte, wurden Stück für Stück die einzelnen Subsysteme des hochkomplexen Hyperspektral-Instrumentes unter Kontrolle des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums (GSOC) in Betrieb genommen. Nun hat EnMAP erstmals einen Streifen von etwa 30 Kilometern Breite und 180 Kilometern Länge über Istanbul am Bosporus in der Türkei mit Europa und Asien aufgenommen und die Daten dann über die DLR-Bodenstation in Neustrelitz zur Erde heruntergesendet.

„Schon die ersten Daten von EnMAP zeigen, was der deutsche Umweltsatellit leisten kann“, freut sich Dr. Sebastian Fischer, EnMAP-Gesamtprojektleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Zwar befinde man sich mit der Mission erst in der ersten Phase, in der das Instrument kalibriert und exakt eingestellt werde. „Diese ersten Bilder geben uns aber schon einen sehr guten Vorgeschmack darauf, was Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt erwarten dürfen. Sie zeigen, dass EnMAP einen großen Beitrag dazu leisten kann, die Folgen des Klimawandels aufzuzeigen und der fortschreitenden Umweltzerstörung entgegenzuwirken.“

Empfangen wurden die ersten Daten vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) sowie dem DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung, die die Bilder auch prozessieren und archivieren. Denn die Daten, die der Satellit zur Erde schickt, sind für den Nutzer nicht direkt verwendbar. Nur wenn sie weiterverarbeitet, also kalibriert, mit Lage- und Positionsbestimmungen versehen sowie die Einflüsse der Atmosphäre korrigiert werden, können die Nutzer am Ende quantitative und qualitative Aussagen aus den Produkten ziehen. Dabei wurde die Kalibration dieser ersten Aufnahmen mit Daten, die vom Instrument im Labor gemessen wurden, durchgeführt. Im Rahmen der sogenannten Commissioning Phase, die sechs Monate dauert, werden diese Kalibrationen nun noch auf die Eigenschaften des Instrumentes im Orbit optimiert und die Datenqualität weiter verbessert.

Erste EnMAP-Bilder machen Unsichtbares für unsere Augen sichtbar
Doch was ist in den EnMAP-Bildern eigentlich sichtbar? Jedes Material auf der Erdoberfläche reflektiert das Sonnenlicht in einer für ihn charakteristischen Art und Weise und hinterlässt so eine sogenannte Spektralsignatur. Diesen „farbigen Fingerabdruck“ kann EnMAP mit Hilfe seines Messinstruments erkennen, unterscheiden und abbilden. So steht die Mission unter dem Motto „Unsere Erde in mehr als allen Farben“, weil jedes EnMAP-Bild in ganz viele kleine Wellenlängenbereiche zerteilt wird – viel mehr, als unsere Augen wahrnehmen können. „Die hohe Qualität der Daten in allen Kanälen wird gut sichtbar zum einem in typischen Spektren wie für Vegetation und zum anderen in geringem Rauschen und störenden Bildstreifen bei dem umfangreichen Dynamikbereich, welches gerade in dunklen Bereichen wie Wasser deutlich wird. Bereits basierend auf diesen ersten Daten konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Earth Observation Center im DLR nach Atmosphärenkorrektur und mittels inverser Modellierung vorläufige Resultate zur Verteilung der Chlorophyll-a Konzentration an der Wasseroberfläche ableiten“, ergänzt Dr. Tobias Storch, Projektleiter des EnMAP-Bodensegments am Earth Observation Center im DLR.

EnMAP – die deutsche Umweltmission und ihre Partner
Die Umweltmission EnMAP wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungszentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen wird den Satellitenbetrieb durchführen und überwachen. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung werden die empfangenen Satellitendaten archivieren, prozessieren, validieren und für die Wissenschaft zugänglich machen. Auch Firmen und Behörden werden die Daten ausprobieren und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: DLR 10. Mai 2022.

10. Mai 2022 – Viele Menschen in Afrika sind durch Naturkatastrophen gefährdet – insbesondere in Städten, die schnell und unkontrolliert wachsen. Dort leben die Bewohnerinnen und Bewohner auf engstem Raum und die Infrastruktur ist häufig unzureichend. Daher wirken sich die Folgen von Überschwemmungen, Stürmen oder Erdbeben hier besonders verheerend aus. Aber wo wachsen die Städte gerade rasant? Sind neue Siedlungsflächen in gefährdeten Gebieten entstanden? Und wie viele Menschen sind in diesem Fall bedroht? Bisher gab es oft keine ausreichenden Antworten auf diese Fragen. Deswegen hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in einem gemeinsamen Projekt mit der Weltbank Erdbeobachtungsaufnahmen vom gesamten Kontinent ausgewertet und sie mit weiteren Datenquellen kombiniert. Ziel war es, für Planer und Politiker vor Ort aktuelle und verlässliche Zahlen zur Situation und Entwicklung in den Städten zu liefern. So können kritische Veränderungen frühzeitig erkannt werden.

Städte mit funktionierenden Infrastrukturen sind für Afrikas Zukunft wichtig. Das gilt zum Beispiel für Kumasi in Ghana mit 3,3 Millionen Einwohnern. Oder für Matola in Mosambik mit 1,7 Millionen Einwohnern. Beide breiten sich schnell aus, wozu aber kaum Daten vorlagen. „Das Defizit an aktuellen und räumlich detaillierten Informationen war bislang das größte Problem, um die Gefährdung der Bevölkerung durch Naturgefahren abzuschätzen. Gerade in weniger entwickelten Ländern kommt regelmäßigen Kartierungen auf Basis offener und freier Satellitendaten daher bei der Anpassung an Extremereignisse eine zentrale Rolle zu. Die neuen Daten werden nicht nur Fachleuten, sondern einer breiten Öffentlichkeit zugänglich sein“, erklärt Dr. Anke Pagels-Kerp, Bereichsvorständin Raumfahrt im DLR.

Satelliten liefern aktuelles Bildmaterial in hoher Auflösung
Im Rahmen des Projekts „Satellite-based Monitoring Service of Urbanization in Africa“ (Satellitengestützter Dienst zur Beobachtung der Urbanisierung in Afrika) hat das DLR-Team Satellitendaten durch Methoden des Maschinellen Lernens mit Hochleistungscomputern verarbeitet. Die riesigen Datenmengen stammen vor allem von den europäischen Sentinel-Satelliten und dem US-amerikanischen Landsat-Programm. Diese Erdbeobachtungsmissionen sammeln täglich Petabytes an hochaufgelöstem, kostenfreiem Bildmaterial. Das DLR hat Verfahren entwickelt, um aus Hunderttausenden Satellitenaufnahmen die passenden Informationen zu gewinnen. „Mit den Ergebnissen kennen wir nun die Dynamik der Siedlungsentwicklung in ganz Afrika über die letzten drei Jahrzehnte. In Kombination mit Gebäudeinformationen konnten wir sogar die Bevölkerungsverteilung für jedes einzelne Gebäude auf dem Kontinent modellieren“, erklärt Dr. Thomas Esch vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen.

Monatliche Updates zeigen Entwicklungen
Zum DLR-Material gehören detaillierte Karten aller Städte und Siedlungen. Sie zeigen unter anderem die Verteilung von bebauten Arealen und Freiflächen. Außerdem wird die jährliche Ausdehnung aller Siedlungsgebiete seit 1985 dargestellt. Eine 3D-Siedlungsstruktur dient als Grundlage für die Berechnung der Siedlungsdichte. Für mehr als 100 afrikanische Städte liegen außerdem Studien zum Wachstumsmuster und zur Zersiedelung vor. In Regionen wie Maradi (Niger) sind zum Beispiel innerhalb eines Jahres zahlreiche Gebäude um den traditionellen Stadtkern herum entstanden. Solche oft ungeplanten Veränderungen sind durch Satellitendaten nachvollziehbar. „Auf Grundlage dieser Informationen sind Städte besser in der Lage, die heutige Exposition gefährdeter Gemeinden zu charakterisieren, ihr aktuelles Katastrophenrisiko zu bewerten und Trends genauer vorherzusagen. Diese Daten können zu besseren kommunalen Dienstleistungen beitragen, den künftigen Infrastrukturbedarf umreißen und einen evidenzbasierten Ansatz zur Risikominderung unterstützen, zum Beispiel durch rechtzeitige Anpassung der Infrastruktur an neue Bedingungen“, erklärt Niels B. Holm-Nielsen von der Weltbank.

„Der Datenschatz des DLR ist einzigartig“
„Bei den anspruchsvollen Analysen profitieren wir von unserer Erfahrung bei der Erstellung nutzerorientierter Informationsprodukte. Der Datenschatz des DLR ist einzigartig“, sagt Thomas Esch. Alle aktuellen Produkte des World Settlement Footprint (WSF) sind in die Analysen eingeflossen. Dazu zählen der WSF 2015, WSF 2019, WSF evolution, WSF imperviousness, WSF 3D und WSF population. Die Produkte der WSF Kartierungen werden seit vielen Jahren vom DLR weiterentwickelt und von internationalen Institutionen wie der Weltbank oder den Vereinten Nationen genutzt. Die Daten charakterisieren die Siedlungsstruktur, zeigen Entwicklungen, bilden Höhe, Dichte und Volumen der Bebauung ab und beschreiben die Verteilung der Bevölkerung.

Datenbank mit fast 20.000 afrikanischen Städten und Siedlungen
Mittlerweile hat das DLR zentrale Merkmale zu allen Siedlungen in Afrika mit mehr als 10.000 Einwohnern in einer Datenbank erfasst. Dieses Register beinhaltet aktuell 9.472 Städte sowie 10.159 weitere Siedlungen, die in naher Zukunft über 10.000 Einwohner anwachsen werden. Durch eine Kombination verschiedener Datenquellen können die DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sogar die Einwohnerzahl für jedes einzelne Gebäude abschätzen. Außerdem enthält die Datenbank flächendeckende Angaben zur Intensität von Naturgefahren, wie Überschwemmungen, Erdrutschen und Erdbeben auf dem afrikanischen Kontinent.

Aufträge an Ortsansässige zur Überprüfung der Berechnungen
Um sicherzustellen, dass die berechneten Daten stimmen, hat die Weltbank Kleinaufträge an die Einwohnerinnen und Einwohner verschiedener afrikanischer Städte vergeben. „Verlässliche Vergleiche sind wichtig, um Algorithmen erfolgreich zu trainieren und um die daraus resultierenden Geoinformationen objektiv zu validieren“, sagt Thomas Esch. Die Beteiligten konnten ihr Wissen über die Umgebung einbringen und wurden für die Situation in ihren Städten sensibilisiert. Zugleich hat die Mitarbeit im Projekt zur Sicherung des monatlichen Einkommens während der Corona-Zeit beigetragen.

Zum Projekt
Das Projekt „Satellite-based Monitoring Service of Urbanization in Africa“ wird über das ACP-EU Natural Disaster Risk Reduction Program der EU finanziert. Die Koordination hat die Global Facility for Disaster Reduction and Recovery (GFDRR) bei der Weltbank übernommen. Die hier verwendeten WSF-Elemente sind vom DLR in enger Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Google Earth Engine Team entwickelt worden. Die Datensätze zu den Gebäudeumrissen werden durch Ecopia.AI/Maxar Technologies und Google bereitgestellt. Die Think-Hazard Initiative steuert die Informationen zur Intensität von Naturgefahren bei.

Unterstützt wurde das DLR-Projektteam von der Forschungsgruppe des DFD, die auf die Entwicklung von Umwelt- und Kriseninformationssystemen spezialisiert ist. Die DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben gemeinsam eine webbasierte Anwendung entwickelt, über die Weltbank-Mitarbeitende und Planer vor Ort auf alle Daten, Indikatoren und Analysen zugreifen können.

Die Weltbank und das DLR werden ihre Zusammenarbeit fortsetzen. Die Produkte WSF 2015, WSF 2019 und WSF evolution sind über den EOC Geoservice zum Download kostenfrei nutzbar. Die WSF-Daten wurden seitens der Weltbank bereits erfolgreich für weitere Fragestellungen mit hoher gesellschaftlicher Relevanz eingesetzt.

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• Planet Erde

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Quelle: DLR.

30. März 2022 – EnMAP sieht die Welt ganz anders, als Menschen sie sehen: Der deutsche Umweltsatellit misst die Sonnenstrahlung, die von der Erdoberfläche reflektiert wird. Dabei registriert EnMAP nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch kurzwelliges Infrarot. Mit diesen Aufnahmen sind präzise Aussagen zum Zustand und zu Veränderungen auf der Erdoberfläche möglich. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR in Bonn leitet im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz diese einzigartige Mission. Institute und Einrichtungen im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind an der Vorbereitung und dem Betrieb der Mission beteiligt und werten die Daten wissenschaftlich aus.

Der Hyperspektralsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) soll am Freitag, 1. April 2022, an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX von Cape Canaveral in Florida (USA) starten. Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen übernimmt den Satellitenbetrieb im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im GSOC führen in ihren Kontrollräumen schon seit 1969 Raumflugmissionen durch. Das GSOC hat inzwischen über 70 Missionen erfolgreich betrieben. Dazu zählt auch das Satelliten-System TerraSAR-X und TanDEM-X, das seit 2007 die Erde mit Radarwellen beobachtet. Daraus lassen sich zum Beispiel Lagekarten von Überschwemmungen und Erdbeben für den Katastrophenschutz erzeugen. Die Daten von EnMAP helfen nun, aktuelle Fragen aus den Bereichen Umwelt, Landwirtschaft, Landnutzung, Wasserqualität und Geologie zu beantworten.

242 Kanäle für mehr Farbtöne als Rot, Grün und Blau
Das Earth Observation Center (EOC) im DLR ist für die Verarbeitung der EnMAP-Daten zuständig: „Wir empfangen die Missionsdaten und verarbeiten sie weiter. Anschließend stellen wir sie über ein Webportal Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit kostenfrei zur Verfügung“, sagt Prof. Günter Strunz vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD). Der Satellit überträgt die Daten an die Empfangsstationen des DLR in Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern) und Inuvik (Kanada). Sie werden kalibriert, korrigiert und als Bildkarte dargestellt. „Die Daten von EnMAP sind keine Bilder im klassischen Sinne, sondern spektrale Messwerte“, ergänzt Günter Strunz. Im sichtbaren Licht lassen sich alle Farben aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugen. Klassische Kameras nehmen wie unsere Augen das Licht nur in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau wahr. Ein hyperspektrales System wie EnMAP unterscheidet eine Vielzahl von Farbtönen – und dies sogar in Teilen des Infrarot-Spektrums, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Insgesamt bildet der Satellit die Erdoberfläche in Spektren aus 242 Kanälen ab.

Störende Einflüsse der Atmosphäre werden korrigiert
Die Aufbereitung der Daten ermöglicht aussagekräftige Ergebnisse. Der letzte standardisierte Verarbeitungsschritt im EOC ist die Atmosphärenkorrektur. „Das reflektierte Signal wird durch die Atmosphäre verändert. Der Einfluss von Teilchen wie Wasserdampf und Aerosolen muss also korrigiert werden, damit wir nur die genaue Reflektanz an der Erdoberfläche erhalten“, erklärt Prof. Peter Reinartz vom DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung. Das Institut bildet gemeinsam mit dem DFD das EOC. „Aus den Ergebnissen lassen sich zum Beispiel physikalische, chemische und biologische Parameter von Böden ableiten. Eine Frage könnte sein, wieviel Kohlenstoff die Böden binden. Oder ob aus einer Pipeline Methan entweicht.“

Im DLR wird auch das Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) die EnMAP-Daten nutzen. Das ZKI ist in globale Netzwerke wie die Internationale Charta „Space and Major Disasters“ eingebunden. Bei großen Naturkatastrophen beschafft und analysiert das ZKI Erdbeobachtungsdaten mit dem Ziel, aktuelle Lageinformationen für Behörden und Rettungskräfte bereitzustellen. Diese Lageinformationen wurden etwa bei den Überschwemmungen in NRW und Rheinland-Pfalz im vergangenen Juli verwendet.

Technologie für das „Auge“ des Satelliten
Das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin hat im Unterauftrag der OHB-System AG eines der beiden „Augen“, beziehungsweise eine der sogenannten „Fokalebenen“ von EnMAP entwickelt. Die Fokalebene ist mit der Netzhaut eines menschlichen Auges vergleichbar. Bei optischen Satelliten trifft das Licht entsprechend auf die Fokalebene, wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt und weitergeleitet. Das Modul für den sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich (kurz VNIR) ist nur etwa 12 x 12 x 4 Zentimeter groß und wiegt 1050 Gramm. Der gesamte Satellit hat ein Gewicht von 950 Kilogramm. „Die Fokalebene, die das Institut für EnMAP entwickelt hat, gehört zu einer langen Reihe erfolgreicher Projekte“, sagt Institutsleiter Prof. Heinz-Wilhelm Hübers. Dazu zählt ebenfalls das vom DLR entwickelte Hyperspektral-Instrument DESIS auf der Internationalen Raumstation ISS, das Daten über den Vegetationszustand der Erde liefert. Wie DESIS steht auch die Fokalebene von EnMAP für den Technologietransfer.

EnMAP – die deutsche Umweltmission und ihre Partner
Die Umweltmission EnMAP wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungszentrums Potsdam (GFZ).

Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen wird den Satellitenbetrieb durchführen und überwachen. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) und das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) werden die empfangenen Satellitendaten archivieren, prozessieren, validieren und für die Wissenschaft zugänglich machen. Auch Firmen und Behörden werden die Daten ausprobieren und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.

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• EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) auf Falcon 9

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Quelle: DLR.

16. Juli 2021 – Im Westen Deutschlands hat langanhaltender Starkregen für Überschwemmungen gesorgt. Menschen kamen ums Leben, zahlreiche Gebäude und Infrastrukturen wurden zerstört. Besonders betroffen sind Orte in Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt die Helfer mit einer Reihe von Aktivitäten: Satellitendaten und DLR-Luftbildaufnahmen werden innerhalb kürzester Zeit ausgewertet und zum Beispiel zu Karten aufbereitet. Das Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) gibt die Lageinformationen an das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) oder das Deutsche Rote Kreuz (DRK) weiter. Außerdem besteht ein ständiger Austausch mit dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) und seinem satellitengestützten Krisen- und Lagedienst. Das ZKI ist eine Einrichtung im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Es analysiert Erdbeobachtungsdaten und erstellt daraus aktuelle Informationen.

Das ZKI hat für Regionen in Nordrhein-Westfalen Hochwasserinformationen aus Satellitendaten (Sentinel-1) abgeleitet. Die Auswertung erfolgt mit automatisierten Verfahren. Die Bilder und die sogenannten „Wassermasken“, die die Ausdehnung der Wasserflächen verdeutlichen, stehen den Helfern zur Verfügung. Außerdem zeigt das ZKI besonders betroffene Orte, die gemeinsam mit den Rettungskräften vor Ort definiert werden, in Lagekarten. Hierfür hat das DLR Luftbilddaten mit Auflösungen von zehn bis 15 Zentimetern mit einer Kamera des Instituts für Methodik der Fernerkundung erfasst. Die Flüge konnten in Zusammenarbeit mit Partnern spontan realisiert werden.

Ein Teil der Karten ist auch zum Download allgemein verfügbar.

Die Aufnahmen und Karten entstehen im Rahmen des Forschungsprojektes AIFER in enger Zusammenarbeit mit dem Bayrischen Roten Kreuz (BRK) und dem DRK. AIFER entwickelt Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI), die Informationen aus Satellitendaten, Luftbildern und Medien automatisiert erkennen und verbinden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt.

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: DLR.

Daten der Erdbeobachtung werden in vielen Bereichen der öffentlichen Verwaltung eingesetzt – zum Beispiel bei der Verkehrsanalyse, im Umweltmonitoring oder in der Krisenbewältigung. Die Bedeutung dieser Daten steigt, gleichzeitig sind Ergebnisse der Fernerkundung aus dem All oder aus der Luft immer genauer und schneller verfügbar. Das Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat (BMI) hat jetzt mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) den für alle Bundesbehörden offenen Rahmenvertrag IF-Bund abgeschlossen. Damit können Forschungsergebnisse aus der Fernerkundung für einen Einsatz in der Verwaltung erkannt und schnell praktisch angewendet werden.

„Der rasante Fortschritt in der Erdbeobachtung ermöglicht die Nutzung von Fernerkundungsdaten auch in Bereichen, die bisher nicht die Fernerkundung im Blick hatten“, sagt Dr. Monika Gähler vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. „Neue Sensoren, eine enge zeitliche Abdeckung und neue Auswerteverfahren ermöglichen Anwendungen, die noch vor zehn Jahren nicht denkbar gewesen wären.“ So können heute auch Informationen zu demografischen oder wirtschaftlichen Fragestellungen abgeleitet werden. Das betrifft zum Beispiel die Auslastung von Infrastrukturen, wie Häfen oder Parkplätze, oder Informationen über die Lage von innerstädtischen Grünflächen. Wenn es noch keine passgenauen Anwendungen gibt, werden diese im Rahmen des IF-Bund (Innovative Fernerkundung für die Bundesverwaltung) erarbeitet. Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz eröffnet zusätzliche Möglichkeiten.

Erweiterung durch Künstliche Intelligenz
„Der Transfer von Ergebnissen und Potentialen der DLR-Fernerkundungstechnologien in eine breite Anwendung ist dem DLR ein besonderes Anliegen. Durch den neuen Rahmenvertrag können wir Ergebnisse unserer Arbeit zielgerichtet in die Praxis der Behörden und darüber hinaus überführen“, erklärt DFD-Direktor Prof. Stefan Dech. Die Vereinbarung mit dem Bundesministerium sieht vor, dass das DLR bei konkretem Bedarf der Bundesbehörden Lösungen entwickelt. Diese können dann von den Behörden erprobt und übernommen werden. Das DLR hat bereits früher erfolgreich satellitengestützte Verfahren für die Verwaltung etabliert.

Der neue Rahmenvertrag intensiviert die Verbindung zwischen Verwaltung und Wissenschaft. „Durch den IF-Bund wird der regelmäßige Transfer von wissenschaftlicher Expertise gefördert, um einen zeitgemäßen Einsatz von Fernerkundung in der Bundesverwaltung zu ermöglichen. Das stellt sicher, dass Innovationen schnell Eingang in die Verwaltungspraxis finden“, sagt Dr. Markus Kerber, Staatssekretär im BMI. Aktuelle Anknüpfungspunkte sieht er zum Beispiel bei der Analyse der Siedlungsentwicklung und beim Flächenmonitoring.

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• KI und Raumfahrt

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Quelle: DLR.

Das Ozonloch über der Antarktis war Anfang Dezember so groß wie noch nie zu dieser Zeit. Es nahm eine Fläche von etwa 18 Millionen Quadratkilometern ein. Damit überragte es die Landfläche der gesamten Antarktis (etwa 14 Millionen Quadratkilometer) erheblich. Es handelt sich um das extremste Ausmaß für diese Jahreszeit in den letzten 41 Jahren. Seitdem erfassen die Atmosphärenforscher im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Daten. Eigentlich sollte das Ozonloch über der Südhalbkugel im Dezember schon so gut wie verschwunden sein. Denn in der Antarktis beginnt der Sommer: Mit dem Sonnenschein am Polartag ändern sich normalerweise die Druck- und Windverhältnisse, die das Ozonloch spätestens Anfang November in sich zusammenfallen lassen.

Aber nicht in diesem Jahr, wie die Wissenschaftler im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR festgestellt haben. Die Ausprägung des Ozonlochs über dem Südpol wird durch einen polaren Wirbel bestimmt, der vom Boden aus 50 Kilometer hoch in die Stratosphäre reicht. „Man kann sich diesen Wirbel als ein großes Tiefdruckgebiet in der Stratosphäre vorstellen“, erklärt Lisa Küchelbacher vom DFD. „Ein sehr starker Westwind am Rand des polaren Wirbels verhindert in der Kälte der Polarnacht größtenteils den Luftmassenaustausch zwischen Äquator und Pol.“ Wenn im Frühling am Südpol langsam die Sonne aufgeht und Energie liefert, beginnt der Ozonabbau im polaren Wirbel durch eine chemische Reaktion. Mit zunehmender Wärme lässt der Westwind nach. Letztlich kehren sich die Windverhältnisse um und das Ozonloch wird kleiner. „Die Umstellung von West- auf Ostwindsystem hat erst sehr spät stattgefunden“, sagt Lisa Küchelbacher. „Möglicherweise lag dies an der diesmal ungewöhnlich starken Ausbildung des polaren Wirbels auf der Südhalbkugel.“

Planetare Wellen zu schwach
Die Ursache dafür ist wiederum eine Schwäche der sogenannten planetaren Wellen. Diese sorgen in der Stratosphäre für den Luftaustausch zwischen den Polargebieten und den mittleren Breiten. Sie lassen den polaren Wirbel schwanken und beeinflussen den Wind. Wegen der geringen Aktivität der Wellen blieb der polare Wirbel aber kreisrund über dem Südpol. Erst ab dem 5. Dezember nahm die Aktivität der Wellen zu, was nun einen Wechsel auf die südpolaren Sommerbedingungen eingeleitet hat.

Was hat der Pazifik mit dem Ozonloch zu tun?
Möglicherweise beeinträchtigt eine besondere Situation im Pazifik die planetaren Wellen: In Äquatornähe spielt sich die El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO) ab, die alle drei bis sieben Jahre weltweit die Dynamik beeinflusst. Der Mechanismus ist zurückzuführen auf eine Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre. Die Oberfläche des Pazifiks ist vor der Westküste Lateinamerikas gerade besonders kalt. Das heißt, der Ozean liefert wenig Energie für die planetaren Wellen. „Es könnte also sein, dass der polare Wirbel in der südhemisphärischen Stratosphäre auch durch den Einfluss von ENSO so stabil war. Das kann die Ausbildung des Ozonlochs besonders begünstigt haben“, erklärt Lisa Küchelbacher.

Im Frühjahr 2020 gab es auf der Nordhalbkugel ebenfalls einen außergewöhnlich starken und stabilen Polarwirbel: Auch im März wurden Rekordwerte gemessen. Ob ein Zusammenhang mit den aktuellen Werten über der Antarktis besteht, ist noch unklar.

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• DLR: Ozonloch in der Arktis (25. März 2020)

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• Ozonloch

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Quelle: DLR.

Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird 40 Jahre alt. Seit 1980 empfängt und analysiert das DFD Aufnahmen von Erdbeobachtungssatelliten. Über 21 Terabyte Datenaufkommen werden dort täglich prozessiert und verarbeitet. Das vom DFD aufgebaute Deutsche Satellitendatenarchiv (D-SDA) bietet heute Zugriff auf 29 Petabyte Fernerkundungsdaten aus vier Jahrzehnten. Die Datenmenge entspricht Videomaterial mit einer Laufzeit von mehr als 800 Jahren.

Doch das DFD feiert nicht alleine. Vor zwanzig Jahren wurde das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) gegründet. Genauso lange bilden DFD und IMF einen im DLR einmaligen Institutsverbund, das heutige Earth Observation Center (EOC), das als international führendes Kompetenzzentrum für satellitengestützte Erdbeobachtung gilt. Heute umfasst das EOC die komplette Systemkette der Fernerkundung und vereint die Kompetenz von Ingenieuren, Informatikern, Physikern und Geowissenschaftlern.

Fortschritt in der Fernerkundung bietet neue Möglichkeiten
„Die heutigen Entwicklungen der Fernerkundung waren vor 40 Jahren noch unvorstellbar. Damals musste die Technik zum Empfang der Daten aus dem Weltall noch größtenteils selbst entwickelt und gebaut werden. Die Daten waren nur wenigen Forschern zugänglich, die damit meist nur kleine Ausschnitte der Erdoberfläche untersuchten“, betont Prof. Stefan Dech, Direktor des DFD. Heute verfügt das DFD über ein internationales Bodenstationsnetzwerk mit Empfangsstationen unter anderem in der kanadischen Arktis und der Antarktis, die ganzjährig rund um die Uhr Daten empfangen. Aus diesen entstehen am DFD globale Produkte, wie beispielsweise eine hochgenaue Höhenkarte der Erde. Mit Big-Data-Analysen und Künstlicher Intelligenz gewinnt das DFD aus den heutigen Datenströmen Informationen über den weltweiten Füllstand von natürlichen und künstlichen Wasserreservoire, schätzt die Produktion von globalen Aquakulturen ab und zeichnet ein genaues Bild der globalen Siedlungsverteilung. Ebenso können die Informationen bei Umwelt- und Naturkatastrophen helfen, vor Gesundheitsrisiken warnen und zum Verständnis von globalen Prozessen wie Umweltzerstörung und dem Klimawandel beitragen.

Auch in Zeiten von Pandemien hilft die Fernerkundung. Um beispielsweise bei Menschenansammlungen gefährliche Aufstauungen zu vermeiden sowie Sicherheit und Infektionsschutz zu gewährleisten, benötigen Veranstalter bei Konzerten, Messen oder Demonstrationen ein aktuelles Bild der Besucherzahlen. Ein „lernender Algorithmus“, den Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen am IMF entwickelt haben, kann auf Basis von Luftbildern, Fotos oder Videos automatisch Personen zählen und Personendichten bestimmen. Die Zählung erfolgt in Echtzeit und datenschutzkonform, da keine Individuen, sondern lediglich menschentypische Kanten und Konturen erkannt werden. An anderer Stelle erkennen und klassifizieren Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) Fahrbahnmarkierungen in Erdbeobachtungsdaten, um weltweit aktuelle Informationen für das automatisierte Fahren zu liefern. „Die von uns entwickelten KI-Verfahren erzeugen aus Erdbeobachtungsdaten wertvolle Geoinformation mit einer bisher nicht erreichbaren Qualität“, erläutert Prof. Richard Bamler, Direktor des IMF.

Die schiere Flut neuer Erdbeobachtungsdaten, die neuen Fähigkeiten, Big-Data in großen Prozessierungsumgebungen in der Cloud und in Rechenzentren unter zu Hilfenahme von KI-Verfahren schnell und global auszuwerten, lässt für die nächsten 40 Jahre riesige Schritte erwarten, so dass das nächste große Jubiläum wohl wieder einen ungläubigen Blick zurück erwarten lässt.

Den DLR-Blog zum Thema 40-Jahre Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) finden Sie unter: Für die Fernerkundung .

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• Planet Erde

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Quelle. DLR.

Von den zehn wissenschaftlichen Instrumenten an Bord stammen zwei aus Deutschland: das Interferometer MIPAS (Michelson Interferometer for passive Atmospheric Spounding) und der Atmosphärensensor SCIAMACHY (Scanning Imaging Spectrometer for Atmospheric Chartography), der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in deutsch-niederländischer Kooperation beigesteuert wurde.

ENVISAT ist eine europäische Erfolgsgeschichte

In seinen ersten fünf Jahren hat der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Umweltsatellit ENVISAT rund 500 Terabyte an Daten gesammelt. Diese Datenmenge entspricht in etwa einem Turm aus DVDs in der Höhe des Kölner Doms. Die Daten werden zu über 50 verschiedenen Informations-Produkten verarbeitet. Messungen der drei atmosphärischen Sensoren sowie des Radar-Instruments werden dabei unter anderem im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Oberpfaffenhofen ausgewertet. Mehrere Tausend Forscher weltweit befassen sich mit den Daten des Umweltsatelliten. Bislang gab es zu ENVISAT über 1300 Forschungsvorhaben.

Atmosphären-„Spion“ SCIAMACHY überwacht die Atmosphäre

SCIAMACHY vergleicht direktes Sonnenlicht mit dem durch die Atmosphäre geschwächten Sonnenlicht. Die in der Luft enthaltenen Gase hinterlassen im Spektrum charakteristische „Fingerabdrücke“. Das erlaubt den Forschern, genaue Rückschlüsse auf die Konzentration von Luftschadstoffen zu ziehen. Neben Stickstoffdioxid konnten mit SCIAMACHY über ein Dutzend weiterer Spurengase der Erdatmosphäre global vermessen werden. Dies ermöglichte es deutschen Wissenschaftlern, die ersten weltweiten Karten der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan zu erstellen.

Rückgang von Luftschadstoffen in den USA nachgewiesen

Ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftsteam konnte kürzlich anhand von SCIAMACHY-Daten in einigen Bereichen der USA einen Rückgang des Luftschadstoffs Stickstoffdioxid um bis zu 35 Prozent im Vergleich zu 1999 nachweisen. Stickstoffdioxid reizt die Atemwege, verursacht Sommersmog und Sauren Regen. Hauptquelle sind Verbrennungsvorgänge, zum Beispiel in der Industrie und in Motoren. Grund für die Abnahme der Stickstoffdioxid-Konzentration sind neu installierte Abgas-Kontrollsysteme bei drei großen Kraftwerken. Die Untersuchung der Wissenschaftler zeigt, wie erfolgreich Maßnahmen zur Reinigung von Kraftwerk-Abgasen sein können. In Gebieten der USA, in denen die Luft vor allem durch den Straßenverkehr mit Stickoxiden belastet wird, konnten die Forscher hingegen keine Verbesserungen feststellen.

Regenwälder stoßen Treibhausgas Methan aus

Für eine weitere Überraschung sorgten Daten von SCIAMACHY, die eine ungewöhnlich hohe Konzentration von Methan über den tropischen Regenwäldern zeigten. Alle gängigen Modellrechnungen hatten wesentlich niedrigere Werte vorausgesagt. Methan ist zusammen mit Kohlendioxid eines der wichtigsten Treibhausgase. Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass sich die Regenwälder rein positiv auf den Anteil der Treibhausgase auswirken, da sie Kohlendioxid speichern. Ursache für die hohe Methankonzentration konnte nur ein bis dahin unbekannter biologischer Vorgang sein, bei dem das Gas durch Regenwaldpflanzen produziert wurde. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg entdeckten den unbekannten Prozess bei Labormessungen.

Auch für die Zukunft ist gesorgt

Im Programm „Lebender Planet“ der ESA sind bereits sechs weitere Wissenschaftssatelliten in Arbeit. Einige Instrumenten-Konzepte von ENVISAT sollen auch im Rahmen des GMES-Programms (Global Monitoring for Environment and Security) realisiert werden. GMES ist eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA für Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung.

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Ein Beitrag von meiklampmann. Quelle: ESA.

Sie helfen den Krisenstäben in den Überschwemmungsgebieten bei der strategischen Planung und Bewältigung vielfältigster Maßnahmen des Katastrophenschutzes, von der Kontrolle und Stabilisierung der Dämme, über gezielte Flutungen von Rückhaltebecken bis zur Findung des richtigen Evakuierungszeitpunkt der von der Flut bedrohten Anwohner.

Satelliten nehmen, im Gegensatz zu Luftbildern, die Erde großflächig auf. Darin liegt einer der wesentlichsten Vorteile. Erst der Blick aus dem Kosmos gibt einen realistischen Überblick über die tatsächlichen Flächen und damit über Ausmaß sowie Zusammenhänge der Katastrophe.

Diesem Vorteil steht im Fall schnell wechselnder Naturerscheinungen ein gewaltiger Nachteil gegenüber: der Wiederholzyklus. Bei dem europäischen Umweltsatelliten Envisat sind es 35 Tage. Envisat umrundet die Erde in 800 km Höhe auf einer sonnensynchronen polaren, nahezu kreisförmigen, Umlaufbahn. Ein Umlauf des Satelliten dauert rund 100 Minuten. Da sich die Erde unter dem Satelliten hinwegdreht, können zwar die Instrumente nach und nach den gesamten Globus abtasten – und zwar innerhalb von einem bis drei Tagen, je nach Blickfeld der Sensoren. Wenn man aber exakt die gleichen Aufnahmeverhältnisse benötigt, muss man 35 Tage warten.

Durch die großen Öffnungswinkel der meisten Instrumente können aber nahezu alle Gebiete der Erde innerhalb von drei Tagen wieder erfasst werden. Aus diesem Grund müssen zusätzlich zu den Weltraumaufnahmen auch Luftbilder gewonnen werden. Luft- und Satellitenbilder ergänzen sich so in hervorragender Weise. So kann die Fernerkundung der Erde sowohl bei der Kartierung von Risikogebieten als auch bei der Feststellung von Schäden helfen.

Seit Beginn der Überflutung sammeln die ESA sowie das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Satellitendaten. Sie stellen sie den betroffenen Behörden und Lagezentren zum aktuellen Krisenmanagement zur Verfügung.

Die Bilder dienen zugleich dem zukünftigen Krisenmanagement. Es gilt in den kommenden Jahren und Jahrzehnten bauliche Konsequenzen zu treffen (Siedlungen, Fluss, Rückhaltebecken und so weiter), um die Schäden kommender Überschwemmungen wirkungsvoll zu begrenzen.

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