Während Erdbeobachtungssatelliten des europäischen Copernicus-Programms ihre Kreise um die Erde ziehen, senden sie sehr viele Daten. Diese Informationen aus dem All sollen künftig für das Gewässermonitoring der Landesumweltämter nutzbar gemacht werden. Daran arbeiten Forscher:innen im Verbundprojekt „Erfassung der Wasserqualität und Wasserflächenausdehnung von Binnengewässern durch Fernerkundung“ (BIGFE) unter der Federführung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ).
Für das Monitoring von Küstenbereichen der Nord- und Ostsee werden Fernerkundungsdaten bereits routiniert und erfolgreich eingesetzt. Für die Überwachung von Binnengewässern ist das bislang noch nicht der Fall. „Das wollen wir ändern“, sagt der UFZ-Seenforscher Dr. Karsten Rinke. „Die Daten, die die Sentinel-Satelliten des europäischen Copernicus-Programms liefern, sind ein großartiger Datenschatz. Den gilt es für eine künftige Nutzung im Gewässermonitoring durch die Landesbehörden zu heben.“ Karsten Rinke leitet das im Juli gestartete Leuchtturmprojekt BIGFE, das das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur im Rahmen der Copernicus-Initiative fördert.
Daten schneller und mit höherer räumlicher Auflösung erfassen
Das klassische Monitoring von Binnengewässern gemäß der EU-Wasserrahmenrichtlinie ist bislang mit einem hohen zeitlichen und personellen Aufwand verbunden. Darüber hinaus können die Ergebnisse aus den Untersuchungen vor Ort sowie der Auswertung des Probenmaterials im Labor immer nur einen Ausschnitt und eine kurze Momentaufnahme darstellen. Denn die Messgrößen wie Trübung, Temperatur oder Algenvorkommen können an verschiedenen Stellen eines Sees ganz unterschiedlich ausfallen und sich je nach Wetterlage, Gewässertyp und Einzugsgebiet auch schnell ändern. „Das liegt in den besonderen Eigenschaften von Gewässerökosystemen begründet, die sehr dynamische Systeme darstellen. Bei vielerorts üblicher monatlicher Beprobung können wichtige Episoden wie zum Beispiel Blaualgenblüten einfach übersehen werden. Hinzu kommt die räumliche Heterogenität, die insbesondere die Beurteilung des Zustands mehr als 100 Hektar großer Gewässer schwierig macht, wenn nur einmal in der Mitte des Sees eine Probe genommen wird“, erklärt Karsten Rinke. Die zusätzliche Nutzung von Fernerkundungsdaten könnte in der Kombination mit klassischen Monitoringmaßnahmen die Aussagekraft zum Gewässerzustand deutlich verbessern. „So steuern die Daten aus dem All aktuelle Informationen in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung bei und ermöglichen schnelle Managementreaktionen, wie es etwa bei einem massenhaften Auftreten von Blaualgen an Badestellen angezeigt ist“, sagt er. Satelliten-basierte Informationen können je nach Typ täglich bis wöchentlich bereitgestellt werden und weisen eine räumliche Auflösung zwischen 10 und 300 Metern auf.
Das UFZ arbeitet in dem Projekt mit dem Institut für Hygiene und Umwelt der Hamburger Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft, dem Institut für Seenforschung der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg sowie dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie zusammen. Der UFZ-Geowissenschaftler Prof. Kurt Friese koordiniert die Zusammenarbeit mit diesen Projektpartnern sowie weiteren Unternehmen und Behörden. „Landesbehörden aus zwölf Bundesländern stellen als Praxispartner für unsere Untersuchungen umfangreiche Datensätze aus ihren regelmäßigen Gewässeruntersuchungen zur Verfügung, die wir mit Fernerkundungsdaten aus den entsprechenden Zeiträumen in Beziehung setzen und miteinander abgleichen“, sagt Kurt Friese. „Durch die enge Einbindung der Praxispartner erreicht BIGFE eine länderübergreifende, harmonisierte Vorgehensweise in der Fernerkundung unserer Gewässer.“
Vergleich aus Gewässerdaten und Satellitendaten für 100 Gewässer
Gewässerdaten von rund 100 Seen, Talsperren und Unterläufen von Fließgewässern führen die Seenforscher:innen hinsichtlich Wasserqualität und Wasserflächenausdehnung mit Fernerkundungsdaten aus den Jahren 2016 bis 2020 zusammen. Gemeinsam mit Fernerkundler:innen der Projektpartner sowie auf Fernerkundung spezialisierte Firmen gehen sie bei der Interpretation der Daten Fragen nach, die für eine künftige Nutzung für das Gewässermonitoring zentral sind: Welche Eigenschaften der Gewässer und welche Gewässertypen lassen sich mithilfe der Fernerkundung besonders gut, welche weniger gut charakterisieren? Wie hoch sind die Genauigkeit und Verlässlichkeit der Fernerkundungsdaten und wo liegen mögliche Fehlerquellen? Wie lässt sich der Mehrwert, der sich mit der Nutzung der Fernerkundung ergibt, in die behördliche Praxis der Gewässerüberwachung integrieren?
„Das sind einige der wichtigen Fragen, die wir in dem Projekt in den kommenden drei Jahren beantworten möchten“, sagt Rinke. „Das Ziel unseres Forschungsvorhabens ist, auf wissenschaftlicher Basis praxisorientierte Handlungsempfehlungen auszuarbeiten, die die Nutzung von Fernerkundungsdaten für das behördliche Gewässermonitoring ermöglichen. Wir hoffen, dass wir mit BIGFE einen Beitrag leisten können, damit der Datenschatz aus dem All künftig zum etablierten Standard des Gewässermonitorings zählt.“
