• Update (Juli 2025): Eine Optimierung/ Erweiterung des KI Verfahrens unter besonderer Berücksichtigung von Baumarten auf den Wiederbewaldungs-/ bzw. ehemaligen Kalamitätsflächen durch die Fa. EFTAS GmbH ist aktuell in Bearbeitung im Rahmen des laufenden Projektes Waldinfo.NRW – GeoKlima im Auftrag des MLV NRW unter Beteiligung von IT.NRW und con terra.
   

Landesweite, Sentinel-2 basierte Baumartenklassifikation für Gesamt NRW

Für das gesamte Bundesland NRW (ca. 34.097,72 km²) bzw. dessen Waldflächen von ca. 935.000 ha wurde eine fernerkundungsbasierte Baumartenerkennung durchgeführt.Neben einer der Unterstützung im Fernerkundungsverfahren (Klimawis.NRW-FE) ist eine landesweite Baumartenklassifikation für viele aktuelle Fragestellungen hilfreich, wie etwa die Darstellung von Veränderungen in der Baumartenzusammensetzung in NRW im Klimawandel, CO2 Bilanz/Fixierung, Verfügbare Holzressourcen für unterschiedliche Baumarten (auch im nicht eingerichteten Wald in NRW, Möglichkeit der Auswertung baumartenspezifscher Vitalitätsabnahmen /Schadbilder.

Vorgehen:

• Erstellung eines räumlich und zeitlich konsistenten Mosaiks aus wolkenfreien Sentinel-2 Aufnahmen (über 18 Monate Anfang 2019 bis Mitte 2020).
• Aus den zur Verfügung gestellten Forsteinrichtungsdaten des Staatswaldes wurde ein Referenzdatensatz für den Klassifikator erstellt.
• Die verbleibenden Referenzdaten wurden in einen Trainingsdatensatz (95%) und einen internen Validierungsdatensatz (Testdatensatz) (5%) aufgeteilt.
• Das neuronale Netz wurde mit dem Trainingsdatensatz trainiert. Mit dem internen Validierungsdatensatz wurde dabei der Erfolg des Trainings unabhängig kontrolliert. Das ist das Trainingsergebnis, das die Leistungsfähigkeit des neuronalen Netzes beschreibt.
• Nach erfolgreichem Abschluss des Trainings wurde das neuronale Netz genutzt, um die Baumarten/Altersstufen für die gesamte Landesfläche NRW auf Basis des konsistenten Mosaiks 1.) zu klassifizieren.
• Die Daten wurden den Försterinnen und Förstern auf der Forstgis online Plattform zur Verfügung gestellt, um weitere Validierungen vor Ort durchführen zu können (siehe Abbildung Forstgis online)
• Das verwendete KI - Verfahren wurde für Wald und Holz NRW auf der cdi@it.nrw Plattform installiert, um die Berechnungen für andere Zeitschnitte (auch in Zukunft) unabhängig durchführen zu können

 Abb. 1: Baumartenklassifikation NRW – unter ForstGIS online

Ansprechpartner: Dr. Berthold Mertens, Dr. Stefan Franz

Der Eingriff des Menschen in die Natur (z. B. durch Bergbau) führt mitunter zu irreversiblen Verformungen der Erdoberfläche und birgt damit eine Gefahr für Mensch, Umwelt und Infrastruktur. Die bisherige Messung solcher Bodenbewegungen erfolgte nur punktuell in den bekannten Bewegungsgebieten und unter hohem Personal-, Zeit- und Kostenaufwand.

Inzwischen ermöglichen technische Entwicklungen im Bereich der Satellitenfernerkundung, Messungen der Erdoberflächendeformation mit hoher Genauigkeit und in immer kürzeren Zeitabständen. In diesem Zusammenhang setzt Geobasis NRW seit 2015 die satellitengestützte Radarinterferometrie (InSAR) als neues Messverfahren zur Detektion und zum Monitoring von Bodenbewegungen ein. Die Datengrundlage liefern die Sentinel-1 Satelliten aus dem Copernicus Projekt der Europäischen Raumfahrtbehörde (ESA).

Die Prozesskette umfasst die Schritte:

• Datenerfassung:        Sentinel-1 (SLC-Format)
• Qualifizierung:            Radarinterferometrie (InSAR)
• Weiterverarbeitung:  Lagerung und Validierung
• Bereitstellung:            Amtliche Geobasisdaten

Das Bodenbewegungskataster NRW steht der Öffentlichkeit und der Verwaltung als amtliches Produkt Open Data zur Verfügung. Die Bereitstellung der Daten sowie weiterer Funktionalitäten (Visualisierung, Analyse und Download) erfolgt über TIM-Online (https://www.tim-online.nrw.de/tim-online2/).
 

 Abb.: Bodenbewegungskataster NRW in TIM-online

Ansprechpartner: Dr. Silvia Müller

Die Landesvermessung in Nordrhein-Westfalen verfolgt seit 2018 das Ziel, Satellitendaten zur Aktualisierung der Geobasisdaten des Landes zu nutzen. Für die Umsetzung dieses Vorhabens wurde ein zentrales Fernerkundungsverfahren entwickelt, welches die frei verfügbaren Sentinel-2-Daten des Copernicus-Programms (ESA) verwendet (Copernicus für ALLE NRW (Cop4ALL NRW)).

Bei diesem zentralen Fernerkundungsverfahren handelt es sich um eine Software, die eine Erstableitung der Landbedeckung (LB) und Veränderungsinformationen für ALKIS auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Fernerkundungsdaten automatisiert ermitteln soll. Die LB basiert auf dem Datenmodell der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepublik Deutschland (AdV), in dem 15 Landbedeckungsklassen als Grunddatenbestand festgelegt sind (s. Abb.).

Die Klassifikation der Landbedeckung (s. Abb. links) erfolgt auf Grundlage einer kombinierten Bildanalyse der Sentinel-2-Aufnahmen über einen Zeitraum von einem Jahr sowie den aktuell zur Verfügung stehenden Digitalen Orthophotos (s. Abb. rechts). Zudem werden weitere Geobasisdaten in Form von ALKIS-Daten des Sekundärdatenbestands und das normalisierte digitale Oberflächenmodell (nDOM) verwendet. Die Veränderungshinweise entstehen durch einen Abgleich der berechneten Landbedeckung mit dem bestehenden ALKIS-Datenbestand. Die Software ist zentral bei IT.NRW installiert, so dass Geobasis NRW und alle 53 Katasterbehörden in NRW die Möglichkeit haben, webbasiert auf die Software zuzugreifen.

Ende 2022 wurden das Land Nordrhein-Westfalen, vertreten durch die Bezirksregierung Köln, Geobasis NRW und das BKG von Bund und Ländern beauftragt, ab dem 01.01.2023 eine Technische Betriebsstelle „Landbedeckung“ einzurichten, um die Landbedeckung mithilfe des entwickelten Verfahrens an zentraler Stelle bundesweit abzuleiten und bereitzustellen. Das Verfahren nennt sich seitdem Cop4ALL-DE.

Die Landbedeckung wird jährlich zum Stichtag 01.01. aktualisiert, wobei Sentinel-2 Daten des jeweils zurückliegenden Jahres verwendet werden. Die übrigen Eingangsdaten haben unterschiedliche Aktualitätsstände und können älter als das zurückliegende Jahr sein.

Ansprechpartner: Dr. Silvia Müller

• Update (Juli 2025): das Projekt wurde nach kostenneutraler Laufzeitverlängerung am 31.10.2024 beendet. Zentrales Ergebnis ist der sog. Offenlandmonitor (https://offenland.community.code-de.org). Die Website bietet sowohl umfassende, frei zugängliche Informationen zum Projekt inklusive methodischer Details als auch die Möglichkeit, die entwickelten fernerkundlichen Auswertungsdienste auf Flächen des eigenen Interesses anzuwenden. Noch ist der Dienste-Bereich des Offenlandmonitors nur für Mitarbeitende der Landesumweltämter freigeschaltet. Eine Öffnung für weitere Nutzergruppen ist jedoch in naher Zukunft geplant. Mittelfristig ist vorgesehen, den Offenlandmonitor in die Plattform zu integrieren, die im Zuge des EO4Nature-Projekts bis Ende 2027 entsteht (s. https://eo4nature.org/).
   

"Copernicus leuchtet Grün - Integration und Praxistransfer von Copernicus-Aktivitäten für ein umfassendes behördliches Monitoring von Grünland"

CopGrün ist eines von zwei sog. Leuchtturmprojekten zur Inwertsetzung von Copernicus Diensten und Daten für ein optimiertes Umweltmonitoring in den Zuständigkeitsbereichen der Bundesländer (Förderung: Bundesministerium für Verkehr und Infrastruktur, FKZ: 50EW2102A). An dem dreijährigen Projekt (2021-2024) sind neun Landesumweltämter (BB, BW, BY, HE, NI, NW, RP, SH, SN) sowie drei Verbundpartner aus dem Forschungs- und Entwicklungsbereich (Heinrich von Thünen Institut, RLP AgroScience GmbH, Technische Universität Berlin) beteiligt. Die Koordination des Projekts sowie die fachliche Federführung eines Arbeitspakets liegen beim LANUV NRW. Fachlich ist vorgesehen, auf Basis kostenfreier Zeitreihendaten der Satelliten Sentinel-1 und Sentinel-2 die in Deutschland häufigsten Grünlandtypen zu identifizieren und künftig semi-automatisch Hinweise auf markante Veränderungen zu erhalten. Adressiert werden sollen etwa ein Dutzend der im Anhang I der FFH-Richtlinie genannten Offenland-Lebensräume. Diese können konzeptionell entlang eines Feuchtegradienten angeordnet werden: von Mooren, Braunseggensümpfen und feuchten Heiden, über gemähtes oder beweidetes Feuchtgrünland und Grünland mittlerer Standorte, bis hin zu Trocken- und Magerrasen sowie trockenen Heiden. Dabei soll neben dem Bewirtschaftungsregime (Mahdhäufigkeit, Beweidung, Mischform) auch der Erhaltungszustand von Mähwiesen sowie die Vegetation, Nutzung und Feuchte auf organischen Böden ermittelt werden. Die Verwertungsziele umfassen eine verbesserte naturschutzfachliche, landwirtschaftliche und klimapolitische Berichterstattung sowie eine ganzheitlichere Flächennutzungsplanung. Diese Zielsetzung begründet auch die Einbeziehung von Flächen ohne Schutzstatus, d.h. aus dem gesamten Bereich landwirtschaftlicher Nutzung. Das Ergebnis wid ein einheitlich nutzbares, modular konzipiertes, skalierbares Instrumentarium auf der CODE-DE Plattform sein, das dauerhaft über ein aufgabenspezifisches Web-Interface auch von Sachbearbeitenden ohne tiefergehende Fernerkundungskenntnisse benutzt werden kann.

Ansprechpartner: Dr. Dirk Hinterlang

Zu den Aufgaben des LANUV gehört es gemäß § 6 des Bundesnaturschutzgesetzes die Natur und Landschaft in NRW zu beobachten. Diese wird u.a. durch die landesweite Biotopkartierung, durch das Arten- und Biotopmonitoring und zahlreiche andere Fachverfahren zur Gewinnung von naturschutzfachlichen Informationen umgesetzt. Ressourcenbedingt ist es mit der herkömmlichen terrestrischen Kartierung von Biotoptypen und Lebensräumen jedoch nicht möglich ein jährlich aktualisiertes Lagebild für ganz NRW zu erstellen. Mit den kostenfreien Fernerkundungsdaten des Copernicus Programms der EU rückt diese Möglichkeit in greifbare Nähe. Die relativ wetterunabhängigen Sentinel-1 Radardaten in Kombination mit den vegetationskundlich besonders aussagekräftigen Multispektraldaten des Sentinel-2 Satellitenpaars liefern dagegen alle drei Tage bzw. bei durchschnittlicher Bewölkung etwa alle drei Wochen landesweite Messwerte zur Beschaffenheit der Landoberfläche. Zudem besteht dank der bis mindestens 2030 gesicherten Finanzierung des Programms die für Monitoringverfahren wichtige Planungssicherheit.

Werden nun Fernerkundungsdaten mit jenen der herkömmlichen terrestrischen Kartierung intelligent verknüpft, so lassen sich für ganz NRW Hinweise ableiten auf bisher noch nicht terrestrisch kartierte Objekte von naturschutzfachlichem Interesse einerseits, und anscheinende Zustandsveränderungen von Flächen mit Planungs- und/oder Berichtsrelevanz andererseits. Auf Grundlage solcher Informationen können dann die - methodisch weiterhin erforderlichen - terrestrischen Kartierungen effizienter, weil zielgerichteter als bisher erfolgen. Zudem ermöglicht die hohe Aktualität der Satellitendaten, Handlungsbedarfe sehr zeitnah zu identifizieren (innerhalb weniger Wochen), während das herkömmliche Monitoringintervall ressourcenbedingt rund zehn Jahre beträgt.

Im Projekt EAGLE GRASP Library sollen obige Fernerkundungsdaten des Copernicus Programms für ausgewählte Testflächen - Schutzgebiete der Fauna-Flora-Habitat (FFH) Richtlinie - mit bestehenden Daten der terrestrischen Biotopkartierung zusammengeführt werden. Letztere sollen dabei unter Zuhilfenahme ökologischen Expertenwissens in ein Datenmodell gegossen werden, das ein gezieltes Abfragen wesentlicher struktureller Biotopmerkmale erlaubt. Dieser Ansatz unterscheidet sich von der üblichen Herangehensweise, Fernerkundungsdaten einer Liste von Biotop(typen)namen zuzuordnen. Vielmehr erfolgt eine explizite Verknüpfung der Fernerkundungsdaten mit den ökologischen Merkmalen der Objekte nach dem EAGLE*-Datenmodell (*= Eionet Action Group for Land monitoring in Europe). Dadurch wird sichergestellt, dass terrestrisch beobachtete Merkmale anhand ihrer Erscheinung und nicht anhand ihrer Funktion beschrieben werden. Denn nur so lassen sich robuste Beziehungen zwischen von Menschen kartierten Daten und solchen, die fernerkundlich (maschinell) erfasst wurden, herausarbeiten. Dies wiederum ist Voraussetzung für die Übertragung - nach einer anfänglichen Kalibrierungsphase - von punktuell ermittelten Erkenntnissen auf ganz NRW. Ein weiterer innovativer Aspekt des Vorhabens besteht darin, dass die terrestrischen und fernerkundlichen Merkmale eines jeden Biotops differenziert nach phänologischer Jahreszeit und ggf. Alters-/Entwicklungsstadium in die Datenbank eingespeist werden. Im Ergebnis wird diese an bestehende Fachinformationssysteme angeschlossenen GRASP (= GRound truth And Spectral Parameters) Bibliothek in Form von ampelfarbenen Meldungen eine jährliche Prüfung erlauben, ob der Zustand eines Biotops signifikant abweicht von dem Erscheinungsbild, das hinsichtlich seiner bekannten ökologischen Charakteristika, der phänologischen Jahreszeit und ggf. seiner Altersklasse zu erwarten ist.

Die Durchführung des Projekts erfolgt 2021 mit Mitteln des hauseigenen Innovationsfonds und in Zusammenarbeit mit der EFTAS GmbH.

Ansprechpartner: Matthias Herkt

• Update (Juli 2025): Das Verfahren wird auch in diesem Jahr noch einmal angewendet um die aktuellen Schäden in den Nadelwaldbeständen zu scannen und die Kalamitätskarte gegebenenfalls zu ergänzen bzw. zu aktualisieren. Die aktuellen und historischen Vitalitätsverluste können jetzt in Waldinfo.NRW über eine TimeSlider Funktion abgerufen und visualisiert werden. 
   

Die Vegetationsperiode 2018 war von hoher Temperatur und niedrigem Niederschlag gekennzeichnet. Die extreme Trockenheit trug zur Massenvermehrung des Borkenkäfers bei. Beträchtliche wirtschaftliche Schäden in den Fichtenbeständen waren die Folge. In dem Projekt werden die Vitalitätsverluste der Nadelwaldflächen Nordrhein-Westfalens mittels eines Change Detection-Verfahrens unter Nutzung der flächendeckend, multitemporal und frei verfügbar vorliegenden Sentinel-2-Daten des Copernicus-Programms detektiert. Veränderungen von Biomasse, Blattwasser und Blattpigmentierung ermöglichen Aussagen über die Vitalität von Pflanzen und schlagen sich zudem in den optischen Eigenschaften des Kronendaches nieder und lassen sich mit spektralen Indices, abgeleitet von Satellitenbilddaten, beschreiben. In diesem Projekt wird die Eignung verschiedener Vegetationsindices untersucht und anhand eines Vergleichs der Indexwerte in 2018 (T2) zu Referenzwerten aus 2017 (T1) die Veränderung der Pflanzenvitalität und Biomasse erfasst. Über zu definierende Schwellenwerte lassen sich diese Veränderungen in Klassen unterschiedlicher Vitalitätsverluste überführen. Die relativen Vitalitätsverluste werden kartografisch dargestellt und dienen als Indikator für einen potenziellen Borkenkäferbefall. Darüber hinaus können Sie auch als Grundlage für anderweitige Waldzustandsanalysen verwendet werden.

Vorgehen:

• Datenbasis, Sentinel-2 Datenrecherche und Download
• Vorprozessierung: Wolkenmaskierung / Level 2A-Generierung
• Berechnung der Vegetationsindices
• Deskriptive statistische Analyse zur Eignung der Vegetationsindices
• Klassifikation und Visualisierung
• Ableitung von Schwellenwerten zur Klassifikation von Vitalitätsverlusten
• Vektorisierung, Nachprozessierung und Visualisierung der Vitalitätsverluste

Die Schwere der Schädigung ist in drei Stufen eingeteilt (gering, mittel, stark). Gesunder Nadelwald ist in grün, Bereiche, in denen z.B. aufgrund von Bewölkung keine Datenauswertung möglich war, sind in grau dargestellt. Die Daten zur Vitalitätsabnahme liegen mittlerweile für 8 Vergleichszeiträume für NRW vor und zeigen damit auch sehr gut die Entwicklung der Großkalamität in NRW.

Ansprechpartner: Dr. Stefan Franz