Copernicus: Was die Satellitendaten bringen
Von oben gibt es den besten Überblick: Wo wird gebaut? Gibt es im Badesee eine Algenblüte? Wie sieht die Ernte aus? Eine Reihe von Unternehmen nutzt Daten von Erdbeobachtungssatelliten wie der europäischen Copernicus(öffnet im neuen Fenster) -Konstellation, die dieser Tage vergrößert wurde, für ihre Dienstleistungen. Sie werten die Daten aus und machen Entwicklungen sichtbar, die vom Boden aus nicht erkennbar sind.
Die Europäische Kommission fördert das: Sie hat beschlossen(öffnet im neuen Fenster) , dass die Daten, die die Satelliten sammeln, frei zugänglich und nutzbar sind. Das soll neue Geschäftsmodelle und kommerzielle Anwendungen ermöglichen. Die europäische Raumfahrtagentur (European Space Agency, Esa), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und weitere Partner veranstalten seit einigen Jahren sogar den Ideenwettbewerb Copernicus Masters(öffnet im neuen Fenster) und zeichnen die besten Konzepte aus. Aber was sind das für Anwendungen? Wir haben uns einige angesehen.
Copernicus beobachtet die Erde
Aufgabe ist die Erdbeobachtung mit verschiedenen Sensoren – Copernicus sei "eine unabhängige Informationsquelle aus dem Weltraum für Umwelt und zivile Sicherheit" , sagt Gunter Schreier im Gespräch mit Golem.de. Schreier ist stellvertretender Leiter des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums (DFD), einem DLR-Institut. Die Konstellation besteht aus mehreren Satelliten sowie Instrumenten, die als Nutzlast auf anderen Satelliten mitfliegen. Sentinel-4 und -5 etwa, die Daten über die Atmosphäre sammeln sollen, werden auf Eumetsat-Satelliten installiert. Sentinel-4 wird 2021, Sentinel-5 ein Jahr früher starten.
Jede Sentinel-Mission besteht aus zwei Satelliten, Sentinel-2 beispielsweise aus Sentinel-2B und dem bereits 2015 gestarteten Sentinel-2A . Die beiden identischen Satelliten sind mit hochauflösenden Kameras ausgestattet, die die Erdoberfläche in 13 verschiedenen Farbspektren abtasten, im sichtbaren Spektrum und im Infrarotbereich.
Sentinel-3B startet in diesem Jahr
Die beiden Sentinel-1-Satelliten beobachten seit 2014 und 2016 die Erde per Radar. Das Sentinel-3-Paar ist mit Sensoren zur Meeresbeobachtung ausgerüstet und untersucht die Meeresoberflächentopographie, die Temperatur von Meeres- und Landoberflächen. Sentinel-3A ist seit Februar 2016 im Orbit. Der Start von Sentinel-3B ist für dieses Jahr geplant.
Neu an dem Programm ist, dass es als Langzeitmission angelegt ist. Die Satelliten werden am Ende ihrer Mission ausgetauscht. Frühere derartige Satelliten seien "oft programmgemäß One Hit Wonder" gewesen, sagt Schreier: Sie seien in den Orbit geschossen worden, hätten über die Dauer der Mission Daten geliefert – und das sei es dann gewesen. Copernicus hingegen sei als "kontinuierliche Plattform " konzipiert. Nur so wird es möglich sein, den globalen Wandel(öffnet im neuen Fenster) zu verfolgen, der ja ein Prozess ist, der sich über einen langen Zeitraum erstreckt.
Copernicus bietet sechs Dienste
Copernicus bietet Daten, die in sechs Themenbereichen(öffnet im neuen Fenster) weiterverarbeitet werden: zur Überwachung der Landoberflächen(öffnet im neuen Fenster) , der Meeresumwelt(öffnet im neuen Fenster) , der Atmosphäre(öffnet im neuen Fenster) und des Klimawandels(öffnet im neuen Fenster) , zum Katastrophen- und Krisenmanagement(öffnet im neuen Fenster) sowie für zivile Sicherheitsdienste(öffnet im neuen Fenster) – wobei der letzte Dienst noch in der Entwicklung ist.
Diverse Unternehmen etwa nutzen den Land Monitoring Service (CLMS), etwa das Unternehmen Vista(öffnet im neuen Fenster) , das Daten für das Smart Farming liefert: Landwirte können mit Hilfe der Daten ihren Ertrag verbessern oder Pestizide und Dünger gezielter ausbringen.
Wohin kommt der Bienenkorb?
Für Landwirte und Imker hat vor einigen Jahren der Softwareentwickler Deepak Bhatia die Anwendung Beehive Location(öffnet im neuen Fenster) erdacht. Sie nutzt verschiedene Daten der Copernicus-Satelliten, wie etwa Landüberdeckung und -nutzung, Pflanzenwachstum oder Luftverschmutzung, um die besten Plätze zu finden, wo ein Imker seine Bienenstöcke aufstellen kann, damit sie viel Nektar sammeln und dabei viele Pflanzen bestäuben. Dafür wurde Bhatia bei der vorletzten Copernicus Masters ausgezeichnet(öffnet im neuen Fenster) .
Ein anderes Unternehmen widmet sich den Gewässern.
Die Gewässerqualität wird aus dem All gemessen
"Wir verwenden Satellitendaten, leiten verschiedene umweltrelevante Parameter ab und vertreiben diese an unterschiedliche Kundenstämme" , sagt Knut Hartmann, Mitarbeiter von Eomap(öffnet im neuen Fenster) , einem Unternehmen, das vor zehn Jahren aus dem DLR ausgegründet wurde. Die wichtigsten Anwendungen sind zum einen die Kartierung von Gewässerböden, zum anderen die Bestimmung der Wasserqualität.
Das geschieht durch die Analyse von optischen Daten, wie sie die Sentinel-2- und Sentinel-3-Satelliten messen. Die Kamera erfasst das Licht, das von der Erdoberfläche reflektiert wird. Dabei reflektieren verschiedene Oberflächen Licht in verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark. Spezielle Algorithmen analysieren das von der Erde reflektierte Licht und leiten daraus die gesuchten Informationen ab, etwa die Wassertiefe oder den Chlorophyllgehalt und die Trübung des Oberflächenwassers.
Sentinel-2A erfasst einen 300 Kilometer breiten Streifen Erde
Eomap nutzt dafür nicht nur die Daten der Copernicus-Satelliten. Die Sentinels haben einen großen Vorteil: Sie tasten die Erdoberfläche häufig und regelmäßig ab: Ein Sentinel-2-Satellit erfasst jeweils einen knapp 300 Kilometer breiten Streifen mit einer Auflösung von bis zu zehn Metern pro Pixel. Wenn Sentinel-2B einsatzbereit ist, werden die beiden Sentinel-2-Satelliten die Erdoberfläche ungefähr alle fünf Tage abgetastet haben.
"So kann man" , sagt Hartmann, "häufig und aus der Entfernung große Gebiete kartieren. Beispiel Wasserqualität: In einem Land wie Finnland oder selbst deutschen Bundesländern wie zum Beispiel Mecklenburg-Vorpommern gibt es zahlreiche Seen. Aber es ist utopisch, dass diese Seen durch flächendeckende Messnetze überwacht und deren ökologischer Zustand bestimmt und auf Veränderungen reagiert werden kann. Die Auswertung von Satellitendaten spielt hier zunehmend eine immer wichtigere Rolle."
Eomap beobachtete das Great Barrier Reef
Aus dem Weltall hingegen lässt sich das sehr gut im Blick behalten. Zu den Kunden gehören entsprechend viele Behörden sowie Organisationen oder Forschungseinrichtungen aus dem Umweltbereich. Für einen Kunden beobachtete Eomap im Great Barrier Reef vor der Westküste Australien vor einiger Zeit den Verlauf und die Auswirkungen einer Korallenbleiche(öffnet im neuen Fenster) .
Der andere wichtige Bereich ist die Flachwasserbathymetrie. "Gut die Hälfte der Flachwasserbereiche der Erde sind noch nicht gescheit vermessen. Das heißt, Informationen über die Wassertiefe gibt es sehr oft nicht oder nur ungenügend. Mit Satellitendaten wie zum Beispiel der Sentinel-2-Mission, aber auch verschiedener anderer optischer Satellitenmissionen ist es jetzt auch möglich, diese Gebiete weltweit aus dem Büro zu kartieren" , sagt Hartmann.
Seekarten werden mit Satellitendaten gefüttert
Von den Informationen über die Wassertiefen vor den Küsten profitiert eine Vielzahl von Nutzern. So finden diese Informationen Verwendung in Tsunami-Frühwarnsystemen oder in sicherheitsrelevanten Seeoperationen. Schließlich können die bathymetrischen Daten auch als Seekarten aufbereitet werden. Auch hier sind die kurzen Intervalle der Erfassung praktisch: In Gezeitengewässern wie der Nordsee oder dem Atlantik verändern sich die Wassertiefen sehr schnell. Gerade elektronische Karten können so laufend und schnell aktualisiert werden.
Andere Anwendungen beziehen sich weniger auf die Natur, sondern vielmehr auf von Menschen geschaffene Strukturen.
Wie sieht es auf der Baustelle aus?
So nutzen etwa Öl- und Gasunternehmen beispielsweise die Daten von Eomap für die Planung von Pipelines oder Offshore-Anlagen. Schon weiter sind die Kunden des Münchner Unternehmens Building Radar(öffnet im neuen Fenster) , ebenfalls ein Preisträger der Copernicus Masters: Sie wollen sich über den Fortgang von Bauprojekten weltweit informieren, um den Bauherren Produkte oder Dienstleistungen dann anbieten zu können, wenn diese sie brauchen. Dabei kommen auch Satellitendaten zum Einsatz.
Building Radar sei "eine Suchmaschine für Bauprojekte" , beschreibt Marc Bickel, zuständig für das Satellitenprogramm bei dem Unternehmen. Die Daten stammen hauptsächlich aus Daten aus dem Internet, wo Crawler sie aufspüren.
Satellitendaten ergänzen Internetdaten
Diese Daten werden dann durch Satellitendaten ergänzt: In der Ausschreibung eines öffentlichen Bauvorhabens oder auf der Seite eines Architekten sei normalerweise die Adresse enthalten. "Die können wir in Geokoordinaten auflösen und dann relativ genau an der Stelle die Satellitendaten ausschneiden. Mit einem trainierten neuronalen Netz klassifizieren wir, was auf dem Bild zu sehen ist, in welcher Phase der Bau ist" , sagt Bickel.
Die Crawler aktualisieren die Daten regelmäßig – vorausgesetzt, diese werden von Bauherren oder Architekten gepflegt. Falls nicht, können die Kunden anhand der Satellitendaten erkennen, wie der Bau voranschreitet.
Die Auflösung der Sentinels reicht nicht aus
Inzwischen nutzt das Münchner Startup jedoch hauptsächlich Daten anderer Anbieter. "Wenn wir bei einem normal großen Bauprojekt im Detail wissen wollen, was auf der Baustelle gerade passiert, brauchen wir deutlich höher auflösende Daten" , erzählt Bickel. Handele es sich nicht gerade um ein Großprojekt wie eine Brücke, sei auf den Bildern der Sentinel-Satelliten zu wenig zu erkennen.
Die nötige Auflösung bieten die Satelliten des US-Anbieters Digitalglobe , das Unternehmen, das auch Bilder für Google Earth liefert. Auf dessen Satellitenbildern entspricht ein Pixel 30 Zentimetern auf der Erde. Das ist die beste derzeit erhältliche Auflösung.
Digitalglobe fotografiert vor allem Städte
Dennoch verzichtet Building Radar nicht vollständig auf die Sentinel-Aufnahmen. Digitalglobe deckt nicht die ganze Erdoberfläche ab. Das Unternehmen erfasse hauptsächlich urbane Regionen, und das auch nicht unbedingt in hoher zeitlicher Auflösung, sagt Bickel.
Städte würden im Rhythmus von mehreren Wochen erfasst, Gebiete außerhalb manchmal nur ein oder zwei Mal pro Jahr. Viele Bauprojekte, vor allem im gewerblichen Bereich, seien aber außerhalb von Städten angesiedelt. Hier sei Copernicus mit den kurzen Zyklen im Vorteil. "Wir hätten gern die zeitliche Auflösung von Sentinel mit der Bildauflösung von Digitalglobe" , resümiert Bickel.
Die Nachfolger starten Anfang der 2020er Jahre
Dass Sentinel-2C und -2D, die wieder Airbus Defence and Space in Friedrichshafen bauen wird, in Bezug auf die Auflösung mit Digitalglobe konkurrieren, ist unwahrscheinlich. Die beiden Nachfolger sollen Anfang der 2020er Jahre ins All geschossen werden. Genug Gelegenheit also, um weitere Anwendungen für die Satellitendaten zu entwickeln und damit an den Copernicus Masters teilzunehmen. Für die diesjährige Auflage können sich Interessenten bereits vormerken(öffnet im neuen Fenster) .
In wenigen Tagen wird das DLR die Website Copernicus Data and Exploitation Platform – Deutschland(öffnet im neuen Fenster) (Code-DE) freischalten. Über diese Seite können Nutzer auf die meisten Daten sowie Dienste und Werkzeuge zugreifen.
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