Forschungsprojekt
Stromtalwiesen
Projekttitel
Monitoring von naturschutzrelevanten Arten und Renaturierungsmaßnahmen per Fernerkundung (MonA) – Möglichkeiten und Grenzen der Fernerkundung zur Detektion naturschutzrelevanter Pflanzenarten und zur Kontrolle von Renaturierungsmaßnahmen
Projektverantwortlicher
Prof. Dr. Till Kleinebecker, Dr. Sarah Harvolk-Schöning und Dr. André Große-Stoltenberg, Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement der Justus-Liebig-Universität Gießen
Projektbeschreibung
Der Erhalt der Artenvielfalt ist essentielle Grundlage für funktionierende Ökosysteme und der Rückgang der Biodiversität ist neben dem Klimawandel eine der dringlichsten Herausforderungen unserer Zeit. Demensprechend ist das Naturschutz-Monitoring ein fester Bestandteil der Hessischen Biodiversitätsstrategie. Der Fokus liegt dabei auf Arten und Lebensräumen, die auf Bundes- und Länderebene oder durch die Fauna-Flora-Habitat-(FFH-) Richtlinie geschützt sind und für die Hessen eine besondere Verantwortung trägt. So sind zum Beispiel die wenigen Restflächen artenreicher Auenwiesen zur Sicherung der Funktionalität der Auen streng geschützt und ihr Fortbestand soll durch Renaturierungsmaßnahmen dauerhaft gesichert werden. Andrerseits sollen Gefährdungen der Artenvielfalt, wie zum Beispiel invasive Pflanzenarten, frühzeitig erkannt und an weiterer Ausbreitung gehindert werden. Dazu braucht es aktuelle Daten zum Zustand von Vegetationsbeständen.
Traditionell wird das Monitoring naturschutzrelevanter Arten mit aufwändigen und kostenintensiven Feldmethoden durchgeführt. Hier bieten neue Methoden der Fernerkundung, wie der Einsatz von Uncrewed Aerial Systems (UAS), umgangssprachlich auch „Drohnen“ genannt, noch Potential, um zeitnah und in hoher räumlicher Auflösung mit Pixelgrößen im Zentimeterbereich Informationen zum Zustand von Ökosystemen zu liefern. So kann zum Beispiel über die Erfassung phänologischer Aspekte auf die Artenvielfalt geschlossen werden oder es können einzelne Zielarten kartiert werden.
Im Projekt „MonA“ wurde von 2021 bis 2025 untersucht, ob die Renaturierung der Stromtalwiesen dazu geführt hat, dass sich dort wieder charakteristische und seltene Pflanzenarten etablieren konnten. Gleichzeitig war es das Ziel, hier eine Monitoringmethode anzuwenden, die diese Wirkung effizient erfasst. Hierfür wurden Drohnenbefliegungen durchgeführt und hochauflösende Bilddaten gewonnen, die es ermöglichten, charakteristische und seltene Pflanzenarten wie die Wiesen-Schwertlilie (Iris spuria) oder den Arznei-Haarstrang (Peucedanum officinale) direkt zu identifizieren.
Ein weiterer Ansatz zur Bewertung des Renaturierungserfolgs beruht auf einer einfachen Idee: Artenreiche Lebensräume sind oft vielfältiger strukturiert und reflektieren Licht daher auf unterschiedlichere Weise. Diese Vielfalt der reflektierten Lichtsignale nennt man spektrale Diversität. Hyperspektrale Messungen – auch im nicht sichtbaren Nahinfrarotbereich – zeigten, dass renaturierte Flächen eine signifikant höhere spektrale Vielfalt aufweisen als angrenzendes, nicht-renaturiertes Grünland.
Der zweite Schwerpunkt des Projekts lag auf Wäldern in Südhessen bei Pfungstadt, die durch Trockenheit und Klimawandelfolgen zunehmend aufgelichtet sind. Diese Bedingungen begünstigen die Ausbreitung invasiver Arten wie etwa des Götterbaums (Ailanthus altissima). Auch hier kamen Drohnenbefliegungen mit einem speziell entwickelten, ultrahochauflösenden Kamerasystem zum Einsatz. Auf Basis der aufgenommenen Bilddaten wurden KI-Modelle trainiert, die den Götterbaum automatisiert erkennen und lokalisieren können.
Eine besondere Innovation stellt die dreidimensionale Kartierung dar: Durch die Kombination überlappender Bildaufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln und hochpräziser GPS-Technologie konnten einzelne Bäume nicht nur in ihrer Lage, sondern auch in ihrer Höhe erfasst werden. Dadurch ist es erstmals möglich, Götterbaum-Vorkommen selbst unter Baumkronen zuverlässig zu identifizieren – ein entscheidender Fortschritt für das Monitoring invasiver Arten.
Das Projekt „MonA“ zeigt, dass die Kombination aus Drohnen, hochauflösender Sensorik und Künstlicher Intelligenz ein großes Potenzial für das Naturschutzmonitoring bietet. Sowohl heimische gefährdete Arten als auch invasive gebietsfremde Arten können so effizient, präzise und potenziell großflächig erfasst werden.
Mit den entwickelten Methoden wurde ein wichtiger Grundstein gelegt, um zukünftige Monitoringprogramme im Naturschutz deutlich zu verbessern und besser auf die Herausforderungen des Klimawandels auszurichten.
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts können im Detail im Abschlussbericht nachgelesen werden.
Quellen
Große-Stoltenberg., A, Hellmann, C,. Thiele, J., Werner, C. & Oldeland, J. (2018): Early detection of GPP-related regime shifts after plant invasion by integrating imaging spectroscopy with airborne LiDAR. – Remote Sensing of Environment 209: 780-792.
Oldeland, J., Große-Stoltenberg, A., Naftal, L. & Strohbach, B.J. (2017): The Potential of UAV Derived Image Features for Discriminating Savannah Tree Species. In Diaz-Delgado, R., Lucas, R., Hurford, C. (Eds.): The Roles of Remote Sensing in Nature Conservation (pp. 183-201). – Springer.
Knoth, C., Klein, B., Prinz, T. & Kleinebecker, T. (2013): Unmanned Aerial Vehicles as an innovative remote sensing platform to use close range infrared imagery for restoration monitoring in cut-over bogs. – Applied Vegetation Science 16: 509-517.
Projektdauer
2021-2025
Kooperationspartner
- Landschaftspflegevereinigungen
- Obere und Untere Naturschutzbehörden
- Stadt Riedstadt