Waldböden sind sensibel. Schädliche Bodenverdichtung kommen insbesondere von schweren Maschinen der Forstwirtschaft. Zwar lassen sich Rückelinien nicht vermeiden, trotzdem muss die Waldwirtschaft darauf achten, wie der aktuelle Bodenzustand ist, um Schäden zu minimieren. Sehr trockene oder vereiste Böden sind relativ widerstandsfähig, feuchte und nasse Böden wiederum sehr empfindlich. Ein in Finnland entwickeltes System für die großflächige, fernerkundungsbasierte Prognose des Zustandes von Waldböden soll nun europaweit zur Verfügung gestellt werden. Digitale Planungsinstrumente sollen helfen, die Waldbewirtschaftung nachhaltiger zu gestalten.
Finnische Vorarbeit
Das Finnisch Meteorologischen Institut (FMI) entwickelte das Service „Harvester Seasons“. Es ist bereits seit 2020 im Einsatz und liefert wetterabhängige Informationen zur Befahrbarkeit des Waldbodens. Der Service wurde in Zusammenarbeit mit der finnischen Forstwirtschaft und Nutzern in Einsatzplanung, Forstmanagement und Maschinenführung entwickelt. Innerhalb der Europäischen Destination Earth Initiative (DestinE) wird der bestehende Service nun im Auftrag des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) nun auf ganz Europa ausgeweitet.
DestinE ist eine Leitinitiative der Europäischen Kommission zur Entwicklung eines hochgenauen digitalen Modells der Erde auf globaler Ebene, die sogenannten Digital Twins. Hier sollen moderne Algorithmen, maschinelles Lernen oder Simulationen Modelldatensätze zu Klimaprognosen und Extremwettervorhersagen zur Verfügung stellen. Die Initiative unterstützt die Ziele des europäischen „Green Deal“ und der Digitalstrategie und nutzt dabei u.a. die leistungsstarke Infrastruktur an Hochleistungsrechnern (HPC) des „EuroHPC Joint Undertakings“. Die Weiterentwicklung des Harvester Seasons Services ist ein neuer Use Case.
Die ursprüngliche Motivation für den Service in Finnland waren auch die dort immer kürzer andauernden Winter. Gerade in dieser Jahreszeit werden dort die Baumfällarbeiten durchgeführt, weil der Boden bei genügend Schnee oder Bodenfrost ausreichend tragfähige Bedingungen für schweres Gerät gewährleistet. Typische Einsatzgeräte wie Harvester und Forwarder können bis zu 40 Tonnen wiegen. Die kürzeren und wärmeren Winter zwingen die nordische Forstwirtschaft dazu, ihre Einsatzplanungen vermehrt in die Sommermonate zu verschieben.
Screenshots der finnischen Anwendung Harvester Seasons. Sie zeigen verschiedene der angebotenen Layer. Dazu gehört der Forest Fire Index und Infos zu den Bodendaten. Quelle: Harvester Seasons.
Nutzung der Fernerkundungs-Dienste
Harvester Seasons nutzt zur Bestimmung der Waldbefahrbarkeit Daten aus dem Copernicus Climate Data Store (CDS), 10-Tage kurzfrist- Wettervorhersagen, langfristige saisonale Prognosen des ECMWF zur Bodenfeuchte und -temperatur sowie zum Schneebedeckungsgrad. Für Finnland war bereits eine statische Befahrbarkeitskartierung in 16m regionaler Auflösung verfügbar. Diese basiert auf LiDAR-Daten des finnischen Forstwirtschaftsinstituts Mestäkeskus und ist in sechs verschiedene Befahrbarkeitsklassen eingeteilt, wobei diese Klassen die Befahrbarkeit durch schweres Gerät auf diversen Bodentypen beschreiben. Hier wird zwischen sandigen und torfigen Böden unterschieden und wann diese in Abhängigkeit von den saisonalen Wetterbedingungen am schonendsten befahren werden können. Die Informationen werden dynamisch aktualisiert.
Harvetser im Einsatz, hier in Lituaen. In den nordischen Ländern wird vornehmlich in den Wintermonaten geerntet, da die Waldböden dann gefroren bzw. Schneebedeckt sind, was Schäden durch die schweren Geräte minimiert.
Quelle: Liepāja fotogrāfijās/Wikimedia Creative Commons
Als neue Projektentwicklung wird die Karte für Finnland mittels eines ML-Ansatzes auf Gesamt-Europa, inklusive Deutschland, erweitert. Der Ansatz berücksichtigt zudem Informationen zu Elevation, Hangneigung, sowie des Topographic Wetness Index, und der Tree Cover Density aus den Copernicus Datensätzen, sowie Informationen zum Bodentyp aus dem soilgrids.org Datensatz.
Da aktuelle Informationen aus der 10-Tage kurzfrist-Wettervorhersage berücksichtigt werden, sind die Prognosen auch aktuell. Zusätzlich bietet der Service einen saisonalen Ausblick für die kommenden 6 Monate. Hierzu werden Ensemble Modellrechnungen des ECMWF zur Bestimmung der wahrscheinlichen Schneebedeckung, der Bodentemperatur und Bodenfeuchte, im speziellem dem Soil Water Indices (SWI) mit einbezogen. Unterstützung kommt von dem Maschinelles Lernen mithilfe des Landbedeckungs- und Landnutzungsdaten Datensatzes (LUCAS) und den Trainingsdatensätzen zu Orographie, Bodentyp, sowie Schneebeobachtungsdaten, die relevante Daten zur Bestimmung des Befahrbarkeitsindizes extrahieren.
Digitaler Zwilling der Erde
Die regionale Auflösung des Services in Finnland beträgt 16m, während für das restliche Europa eine regionale Auflösung von 250m angestrebt wird. Der Befahrbarkeitsindex selbst fasst die jeweiligen Bedingungen zur Schneebedeckung sowie der Bodentemperatur und Bodenfeuchte schließlich in einem einfachem Winter- bzw. Sommerindex zusammen und wird im Harvester Seasons Service als Karte in einer einfachen Ampelfarbkodierung angezeigt. Zusätzlich kann die wahrscheinliche Befahrbarkeit ausgewählter Standorte als Zeitreihe im Browser angezeigt oder als API direkt zur Verfügung gestellt werden.
In Zusammenarbeit mit Metsäteho und Akteuren aus der Forstwirtschaft kam zusätzlich die Anfrage das Waldbrandrisiko im Service bereitzustellen. Hierzu sind die Warnungen des EFFIS Systems (European Forest Fire Information Systems) aus Copernicus im Service implementiert.
Im Rahmen der Entwicklung der Digital Twins im Destination Earth Projekt werden hochaufgelöste Modellrechnungen zu Klimaprognosen, sowie Extremwetterereignissen ab Anfang 2024 zur Verfügung stehen. Der Harvester Seasons Service wird erste Daten aus diesen neuen hochaufgelösten Modellrechnungen testen und implementieren. Aus den Digital Twins zu Extremwetterereignissen ist es geplant Informationen zu Böen und daraus resultierenden Sturmschadensrisiken für die Forstwirtschaft direkt im Service bereit zu stellen. Anfragen für eine konkrete Zusammenarbeit können per Mail an miriam.kosmale@fmi.fi und mikko.strahlendorff@fmi.fi gerichtet werden.
Die Anwendung Harvester Seasons ermöglicht die schnelle Erfassung der aktuellen Befahrbarkeit sowie kurzfristige und saisonale Vorhersagen. (www.https://harvesterseasons.com/). Quelle: Harvester Saisons