Forschungsprojekt WaCoDiS

Wie Copernicus-Dienste die Wasserwirtschaft unterstützen können

Im Projekt WaCoDiS wurde getestet, wie das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus für Wasserwirtschaftsunternehmen wie den Wupperverband genutzt werden kann.

Der Wupperverband betreibt insgesamt 14 Talsperren. Eine davon ist die Große Dhünn-Talsperre, die zwischen 1975 und 1985 gebaut und zur Trinkwasserbereitstellung genutzt wird. Foto: Pixabay (Allodium)

Der Wupperverband gehört mit einem Einzugsgebiet von über 800 km2 zu den größten Wasserwirtschaftsverbänden Deutschlands. Insgesamt betreibt das kommunale Unternehmen 14 Talsperren, elf Klärwerke, eine Schlammverbrennungsanlage und weitere Anlagen, zum Beispiel Hochwasserrückhalte- und Regenbecken. Jedoch dreht sich beim Wupperverband nicht alles ums Thema Wasser: insbesondere an den Trinkwassertalsperren ist das Unternehmen mit Sitz in Wuppertal für die Erhaltung der Schutzwälder verantwortlich. Diese dienen zum einen der Verminderung der Hochwassergefahr, zum anderen zum Zurückhalten von Sediment und Stoffeinträgen. Doch die sich immer weiter verändernden klimatischen Bedingungen gefährden die Schutzwälder rund um die Trinkwassertalsperren zusehends.

Für den Wupperverband war in diesem Zusammenhang klar, dass neue, angepasste Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um die Wälder zu schützen. Basis dafür können zum Beispiel die Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus sein. Diese liefern einen Datenschatz, der für vielfältige Anwendungen nutzbar gemacht werden kann. So auch in der Wasserwirtschaft, etwa beim Gewässermonitoring. Um die Copernicus-Daten jedoch wirklich gewinnbringend nutzen zu können, fehlt es der Branche vielerorts noch an Fernerkundungsfachwissen. Zumal bis dato auch die hohen zeitlichen Bearbeitungsaufwände bei der Analyse der riesigen Datenmengen ein Hindernis für die Etablierung des Copernicus-Dienstes in der Wasserwirtschaft darstellte.

Um das zu ändern, wurden im Forschungsprojekt WaCoDiS (Wasserwirtschaftliche Copernicus-Dienste zur Bestimmung von Stoffeinträgen in Gewässern und Talsperren im Rahmen des Umweltmonitorings) nun erste, wichtige Schritte zur Nutzung der Sentinel-Daten in der Wasserwirtschaft verwirklicht. Die im Projekt entwickelte prototypische Geodateninfrastruktur ermöglicht die vollständig automatisierte Auswertung von Satellitenbildern. Mithilfe einer durchgeführten Bedarfsanalyse können darüber hinaus zukünftige Entwicklungen von Auswertealgorithmen an den Bedürfnissen der Fachbereiche der Wasserwirtschaft ausgerichtet werden.

Zielsetzung

Ziel des WaCoDiS-Projekts ist es, die Copernicus-Daten für die Wasserwirtschaft nutzbar zu machen und auf diese Weise die Effizienz des Umweltmonitorings zu steigern. Die Vorteile der Copernicus-Daten sind die hohe räumliche Auflösung (bis zu 10 Meter), die gute zeitliche und auch räumliche Abdeckung sowie die kostengünstige Nutzung für das Gewässermonitoring. Außerdem wurde im Projekt eine iterative Bedarfsanalyse durchgeführt, auf deren Basis schließlich eine Liste mit rund 50 Fernerkundungsdatenprodukten für das Gewässermonitoring entwickelt wurde. Eines dieser Produkte ist die sogenannte Vegetationsdichte-Analyse.

Da die Sentinel-Daten bei Wolkenfreiheit eine Aktualität von drei bis fünf Tagen ermöglichen, kann dies im Rahmen der Vegetationsdichte-Analyse zu einer schnellen Schadensfallerkennung beitragen und eine flächenmäßige Übertragung des Schadens verhindern. Als Auswertemethode können hierbei zum Beispiel die Berechnung des NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) sowie ein Vergleich zu vorherigen Zeitpunkten eingesetzt werden.

Eine weitere Anwendung des Algorithmus zur Bestimmung der Vegetationsdichte ist die monatliche Veränderung von Waldflächen in den Sommermonaten oder die ad-hoc-Auswertung zweier definierter Zeitpunkte, wenn beispielsweise ein Wetterereignis die Waldvitalität stark verändert haben könnte. Durch Hinzunahme weiterer Daten und Parameter lässt sich in der Folge eine verbessertes Schadensmonitoring aufbauen. Die Erfassung des Vitalitätszustands des Waldes ist dabei momentan noch ein rein manuelles Verfahren, welches durch Informationen aus Fernerkundungsdaten profitiert und auf die gesamte Fläche ausgeweitet wird.

Weitere Produkte auf Copernicus-Basis

Ein weiteres Produkt auf Basis der Copernicus-Dienste in der Wasserwirtschaft ist die detaillierte, intraannuelle Landbedeckungsklassifikation. Zum einen lassen sich aus den identifizierten Landbedeckungsklassen weitere Produkte wie zum Beispiel der Versiegelungsgrad generieren, zum anderen können mithilfe der Ergebnisse beispielsweise die Strukturen von Uferradstreifen zur Verhinderung von erhöhten Stoffeinträgen von Ackerland in das Gewässer untersucht werden.

Die sogenannte unterjährige Landbedeckung bietet damit den Vorteil, einen Wechsel der Ackerbepflanzung zu erkennen. Durch eine monatlich ausgeführte Erhebung lassen sich so unter anderem Offenbodenflächen detektieren. Diese Flächen sind besonders anfällig für Bodenerosion und können in erhöhten Sedimenteinträgen in Gewässern resultieren, was es zu verhindern gilt.

Mithilfe des Vital-Dashborads konnten die WaCoDiS-Partner den Vitalitätszustand rund um Gewässer auf Basis von Copernicus-Daten überwachen. Grafik: Wupperverband

Auch die Überwachung von Chlorophyllwerten mittels Copernicus-Erdbeobachtung ist ein im WaCoDiS-Projekt entwickeltes Produkt für die Wasserwirtschaft. Diese kann die manuelle Beprobung ergänzen und auf die Fläche ausweiten. Auf diese Weise lassen sich zum einen Hot Spots erkennen, zum anderen können alle Talsperren gleichzeitig für denselben Zeitraum betrachtet werden. Durch die kurze Wiederholrate bei Wolkenfreiheit lässt sich eine fortlaufende Messkurve für alle Talsperren aufbauen, welche die manuellen Beprobungen ergänzt. Die Variation der Messungen < 10µg/l ist in der Anwendungspraxis z.B. für die Bewertung nach Wasserrahmenrichtlinie von Bedeutung und ermöglicht es auf lange Sicht, die interannuelle Entwicklung der Trophie wie auch der saisonalen Dynamik zu überwachen. Hierdurch können sich die Erkenntnisse aus der Fernerkundung dazu nutzen lassen, Problemgewässer mit erhöhter Trophie zu erkennen.

Fazit

Insgesamt bietet das Auslösen von Vor-Ort-Überprüfungen durch Auffälligkeiten im Satellitenbild bereits eine Arbeitserleichterung. Weiterhin ist die Bereitstellung von aktuellen Daten mehrmals im Jahr ein Quantensprung. Die aus dem Projekt WaCoDiS resultierenden Arbeiten legen den Grundstein, um den Datenschatz Sentinel-Daten auch für die Wasserwirtschaft heben zu können. Limitationen sind zurzeit noch die Abhängigkeit vom Wetter, eine ausschließliche Erhebung der oberflächennahen Schicht sowie eine zu geringe Auflösung für eine Erfassung struktureller Komponenten.

Das WaCoDiS-Projekt wurde im Rahmen des Forschungsförderungsprogramms mFUND durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert. Die Ergebnisdaten sind zur Weiterverwendung in der mCloud veröffentlicht. (jr)

www.wupperverband.de