Astronautenblick für alle: Wie offen sind die Erdbeobachtungsdaten der ESA?

crops-changes-nile
© Niklas Jordan
In rot ist hier die Vegetation, zumeist landwirtschaftlich genutzte Flächen, dargestellt (erstellt mit Sentinel Hub).

Satellitedaten liefern nicht nur neue Erkenntnisse, sondern sie können auch eine wichtige Datengrundlage für Umwelt- und Klimaaktivist*innen sein. Doch obwohl die Daten der Missionen großer Weltraumorganisationen frei zugänglich sind, gibt es Hürden beim Zugriff. Sowohl die ESA als auch private Projekte sind auf der Suche nach Lösungen.

Autor Niklas Jordan, 19.01.21

Übersetzung Niklas Jordan:

Die Welt ist zerbrechlich. Alles hängt miteinander zusammen. Um das zu erkennen, muss man vielleicht erst Astronaut sein und von der internationalen Raumstation ISS auf die Erde blicken. Dieses eindrucksvolle Panorama wird den meisten Menschen aber wohl verwehrt bleiben. Eine Alternative können Satellitendaten schaffen. Sie eröffnen den Blick von oben, wie den eines Astronauten. Aber nicht nur das: Satellitendaten enthalten wichtige Informationen. Der Zugang zu diesen Daten, die erst einmal wenig eindrucksvoll aussehen, bleibt aber meist Expert*innen und Wissenschaftler*innen vorbehalten. Dabei hat jeder Mensch die Möglichkeit, auf die Daten zuzugreifen – theoretisch.

Erdbeobachtungsdaten: „Einer der wichtigsten Faktoren, damit jeder anfängt zu realisieren, dass wir unseren Planeten schützen müssen.”

Das Landsat-Programm der NASA war das erste frei verfügbare Satelliten-Programm  ein signifikanter Schritt zur Öffentlichmachung von Daten. Das ist über zwölf Jahre her. Mittlerweile sind viele weitere öffentliche Raumfahrtagenturen dem Beispiel gefolgt. „Offene Erdbeobachtungsdaten sind einer der wichtigsten Faktoren, damit jeder anfängt zu realisieren, dass wir unseren Planeten schützen müssen”, sagt Sabina Dolenc von Sentinel Hub. Das Unternehmen arbeitet eng mit der ESA zusammen.

Brauchte man vor Jahren noch Zollstock, Schreibblock und Stift, um die Daten händisch zu sammeln, lassen sie sich heute in kurzer Zeit abrufen. Ob eine schützenswerte Fläche aufgrund von Abholzung oder wegen des Baus von Industriestätten geschrumpft ist, zeigen die Satellitenbilder. Genau so gut ist zu erkennen, ob das Aufforstungsprogramm gelingt. Bloßes Vertrauen auf die Angaben eines Unternehmens oder der Verwaltung sind nicht mehr nötig. Dank moderner Erdbeobachtungssysteme ist alles überprüfbar. Davon profitieren zum Beispiel Bürger*inneninitiativen und Umweltorganisationen.

Die Möglichkeiten gehen aber über das reine Betrachten und Vergleichen von Satellitenbildern hinaus. Kombiniert man verschiedene Bilder, erhält man Informationen zur Gesundheit der Vegetation oder zur Bodenfeuchte. Sogar der Chlorophyll-Gehalt von Pflanzen lässt sich dadurch nachweisen. Diese Möglichkeiten werden teilweise schon genutzt. So konnten Forschende beispielsweise nachweisen, dass im vergangenen Sommer die Waldbrände in der Arktis zunahmen und Twitter-Nutzer*innen fanden heraus, dass ein sibirischer Fluss nach einem Ölunfall verunreinigt war. Erst dank der Tweets erfuhr die russische Regierung von der Umweltkatastrophe und reagierte. Das Potenzial der Daten ist also riesig. Denn jede Veränderung auf unserem Planeten ist nachvollziehbar, wird dokumentiert und ist frei zugänglich. Anwender*innen müssen aber bis jetzt noch einige Voraussetzungen erfüllen, um an die Daten zu gelangen.

Wie zugänglich sind die offenen Daten wirklich?

Die ESA stellt mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, Daten abzurufen. Im sogenannten SciHub bekommt man alle Informationen dazu. Eine Möglichkeit ist, sich über eine Suche und eine grafischen Benutzeroberfläche durch die Daten zu navigieren. Das Problem ist, dass Nutzer*innen konkret wissen müssen, wonach sie suchen: Welche Satelliten-Mission sammelt die Daten? Welcher Satellit war zu dem Zeitpunkt über dem Ort, von dem Daten gebraucht werden? Welcher Sensor an dem Satellit hat die passenden Daten gemessen? Man benötigt ein grundlegendes fachliches und technisches Wissen über die angebotenen Satelliten-Produkte.

Eine Alternative, die jedoch nicht minder komplex ist, bietet die API der ESA. Wollen Nutzer*innen von dieser programmatischen Schnittstelle Daten abrufen, ist wiederum fachliches Wissen gefragt. Zusätzlich sind Programmierkenntnisse der Programmiersprache Python unablässig.

Eine einfache Alternative zu diesen beiden Möglichkeiten bietet die ESA aktuell nicht  eine große Hürde für Menschen, die sich erstmalig mit dem Thema beschäftigen. Das bestätigt auch Entwickler Jérôme Gasperi: „Selbst, wenn Sie genau wissen, wonach Sie suchen, brauchen Sie einen technischen Hintergrund oder ein Minimum an Informatikkenntnissen, um die Informationen zu bekommen, die Sie benötigen.” Mit seiner App SnapPlanet möchte er deshalb jedem Menschen den Zugang zu Satellitendaten ermöglichen.

Die ESA nimmt sich der Herausforderung an, sieht aber Gefahren!

Die ESA steckt in einem Dilemma: Einerseits möchten sie die Daten möglichst allen und vor allem einfach zugänglich machen. Andererseits sind Satellitenprodukte komplexe technologische und fachliche Datenstrukturen. Die ESA muss also zwei unterschiedliche Adressaten bedienen. Wissenschaftler*innen, Industriemitarbeiter*innen und andere professionelle Anwender*innen benötigen die Komplexität der Daten, um Vorhersage-Modelle oder detaillierte Analysen zu entwickeln. Journalist*innen, Bürger*inneninitiativen und Aktivist*innen brauchen überhaupt erst mal einen Zugang zu den Daten. „Wir müssen dabei immer einen Kompromiss zwischen der Aussagekraft der Antwort und der Einfachheit des Interfaces eingehen”, sagt Dr. Nicolaus Hanowski, Head of Ground Segment & Mission Operations Department.

Es ist die Schlüsselherausforderung. Das beweist auch die Aussage von Dr. Hanowski: „Interessieren Sie sich für die Gesundheit von Vegetation, könnten für Sie Daten über die Bodenfeuchte genauso relevant sein wie der Chlorophyll-Gehalt in den Blättern oder auch die von Blättern bedeckte Fläche eines bestimmten Gebietes. Suchen Sie Daten mit globaler Abdeckung oder untersuchen Sie lediglich eine kleine Fläche, benötigen dafür aber eine höhere Auflösung? Das zeigt die Komplexität von solchen Datenabfragen.”

Die ESA versucht die Herausforderung über zwei Wege zu lösen: Durch die Bereitstellung von Hilfen und mit Partnerschaften mit Unternehmen. „Mit Portalen wie dem Sentinel Data Hub, EO Browser oder ESA Earth Online möchten wir einen einfachen Einstieg in die Erdbeobachtung für interessierte Bürger bieten” sagt Dr. Hanowski und erklärt weiter: „Man kann sich nicht nur Daten, die durch unsere Satelliten gesammelt wurden, herunterladen, sondern auch den Umgang mit diesen Daten erlernen. Dafür stellen wir vielfältige Ressourcen mit Hintergrundwissen und Tutorials zur praktischen Anwendung bereit.”

Tatsächlich bietet die ESA auf ESA Earth online vielfältige Erklärungen, multimedial aufbereitet. Nutzer*innen erfahren dort mehr über einzelne Satellitenmissionen und welcher Sensor welche Probleme erkennt. Auch wie man mit der ESA-eigenen kostenlosen Software SNAP, die heruntergeladenen Daten aufbereiten kann, lernt man dort. Zusätzlich gibt es regelmäßige Weiterbildungsangebote, Webinare und Online-Workshops, an denen oft mehrere 1.000 Menschen aus der ganzen Welt teilnehmen.

Wenn man ein konkretes Anliegen hat, beispielsweise ein Forschungsprojekt, und man benötigt Hilfe bei der Auswahl der richtigen Daten, kann man sich auch direkt an die ESA wenden. Die Missionsmanager helfen dann bei der Auswahl der richtigen Daten, beim sogenannten Processing, also der nachträglichen Bearbeitung der Satellitenbilder. Oder sie unterstützen auch bei der Analyse. „Die ESA beantwortet dazu täglich dutzende Anfragen”, sagt Hanowski.

ESA kooperiert mit Startups, um Zugänglichkeit zu verbessern

Eine weitere Lösung ist Sentinel Hub, eine Cloud-Software. Entwickelt wurde sie von der europäischen Weltraumagentur und dem slowenischen Startup Sinergise. Mithilfe der Software können Nutzer*innen die Daten der ESA und weiterer nationaler Weltraumagenturen durchsuchen. Sie können sich Daten anzeigen lassen und sie analysieren.

„Es besteht keine Notwendigkeit, Bildmaterial vom SciHub der ESA herunterzuladen”, sagt Sabina Dolenc von Sentinel Hub und ergänzt: „Es besteht auch keine Notwendigkeit für großes Speichervolumen auf dem eigenen PC oder viel Rechenleistung.” Man könne einfach die Ressourcen von Sentinel Hub nutzen.

Die Vorteile liegen auf der Hand:

  • Dank der Cloud müssen Nutzer*innen keine Installation auf dem eigenen PC vornehmen. Das Erlernen einer komplexen Software entfällt damit.
  • Die Daten müssen nicht heruntergeladen werden. Vorteilhaft, denn sie können mehrere Gigabyte groß werden. Je nach Größe des zu untersuchenden Gebiets und Qualität der Internetverbindung kann das einige Zeit in Anspruch nehmen.
  • Das Prozessieren, also das Kombinieren verschiedener Daten, um ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten, erledigt die Nutzer*innnen im Browser.

Letztlich richtet sich das Tool aber auch an ein fachliches Publikum. Denn um die Daten miteinander verknüpfen zu können, sind sogenannte Custom Scripts, also kleine Programmierskripte, notwendig. Es gibt zwar vorgefertigte Scripts, die man mittels Copy-Paste in ein entsprechendes Feld einfügen kann. Technisches Wissen ist aber Voraussetzung, um sie nutzen zu können. Den Einstieg in die Welt der Erdbeobachtung erleichtert die Software dennoch um einiges. Denn auch für einfache Zeitraffer-Aufnahmen oder das Vergleichen von Bildern bietet das Tool bereits viele vorgefertigte Funktionen an. Nimmt man sich ein bis zwei Stunden Zeit, lassen sich bereits viele Welten in Sentinel Hub erkunden.

Aufgrund der engen Zusammenarbeit mit der ESA ist die Nutzung dieser Cloud-Software und der Daten für nicht-kommerzielle Zwecke kostenlos – was für viele, gerade Einsteiger*innen, ein großer Vorteil sein dürfte.

Das Instagram für Satellitenbilder

Eine gänzlich andere Herangehensweise wählt SnapPlanet: Die App, die als privates Projekt des Franzosen Jérôme Gasperi entstand, ist das Instagram für Satellitenbilder. Und Gasperi hat eine klare Mission: „Die große Mehrheit der Satellitendaten wird von den Bürgern bezahlt. Landsat-Daten werden beispielsweise von US-Bürgern bezahlt und die Sentinel-Daten von den EU-Bürgern. In gewisser Weise sollte es also normal sein, dass alle Bürger einen freien Zugang zu diesen Daten bekommen.” Offene Satellitendaten, das ist sein Ziel und er fügt hinzu: „Außerdem glaube ich, dass es Bürgern, Journalisten und Wissenschaftlern helfen wird, Geschichten zu erzählen, die einen positiven Einfluss auf die Gesellschaft und unsere Umwelt haben können.”

Dementsprechend einfach lässt sich das Interface der App bedienen: Die Nutzer*innen wählen den Ort auf der Weltkarte aus, von dem sie ein Bild oder eine Animation „snappen“ möchten. Die Anwendung stellt daraufhin alle verfügbaren Bilder der Sentinel-2 Satelliten bereit und schlägt das beste Bild vor. Die Nutzer*innen können alternativ aber auch selbst im Bilderarchiv suchen. Hat man das passende Bild gefunden, können verschiedene Filter darüber gelegt werden. Dadurch lässt sich beispielsweise Wasser in den Vordergrund stellen. Oder man kann unterschiedliche Arten von Böden oder Gesteinen auf der Aufnahme hervorheben. Das Bild kann anschließend gespeichert werden. Aus mehreren Bildern des Ortes können auch Zeitraffer-Animationen erstellt werden. Perspektivisch sollen weitere Satelliten dazu kommen.

© Niklas Jordan/ Snap Planet Ansichten des Helodrano Mahajambe Delta / Madagaskar mit der Darstellung der unterschiedlichen Böden (links) und Vegetation (rec

Bisher hat sich eine kleine, aber aktive Community in der App gebildet. „Es gibt zwei Arten von Nutzern”, erzählt Gasperi und fährt fort: „Künstler und Wissenschaftler. Künstler sind eher an Farben und Formen interessiert, um schöne Schnappschüsse von Orten auf der Erde zu machen. Wogegen Wissenschaftler SnapPlanet eher nutzen, um die Verfügbarkeit von Daten über einen bestimmten Ort zu prüfen oder um über ihre Arbeit zu berichten. Beispielsweise verwenden Gletscher-Forscher animierte Snaps, um die Verschiebung von Gletschern, die aus dem Weltraum sehr gut zu sehen sind, zu zeigen.”

Von der Spieleindustrie inspiriert: Digitaler Zwilling der Erde

Mit einem neuen Projekt will die ESA die Satellitenbilder Bürger*innen auf ganz neue Weise zugänglich machen: Digital Twins Earth. Beschlossen wurde das Projekt im Green Deal der Europäischen Kommission. Ziel ist es, ein digitales Abbild der Erde zu schaffen. Auf der Kopie sollen verschiedene Modelle und Simulationen ablaufen. So könnten darauf beispielsweise virtuell natürliche und menschliche Aktivitäten simuliert werden. „Das hilft uns dabei, europäische Maßnahmen für eine nachhaltige Entwicklung zu testen und zu bewerten”, sagt Dr. Nicolaus Hanowski überzeugt.

In dem zukunftsweisenden Projekt sollen Daten aus der Erdbeobachtung mit verschiedenen anderen Daten zusammengeführt werden – mit sozialen Daten, Messungen aus der Landwirtschaft oder physikalischen Bewegungsdaten des Planeten. So könnten beispielsweise Vorhersagen zu Ernteerträgen oder auch zu physikalischen Veränderungen auf der Erde gemacht werden. Ähnlich wie mit den Modellen der Klimawissenschaft oder der Meteorologie soll es damit möglich sein, Vorhersagen zu Bewegungen auf der Erdoberfläche wie Erdrutschen zu machen.

Was in der Theorie nach einer sehr komplexen Anwendung klingt, soll schon in zwei bis drei Jahren zur Verfügung stehen. „Das fundamental Neue daran ist, dass wir uns bei der Entwicklung der Benutzeroberfläche auch von der Spieleindustrie haben inspirieren lassen”, sagt Hanowski. „Das heißt, in den Simulationen sollen Parameter spielerisch beeinflusst werden können. IT-Kenntnisse sind somit nicht mehr notwendig. So werden diese Daten und Informationen einem noch breiterem Publikum zugänglich werden und neue Vorhersagen-Möglichkeiten geschaffen.”

Es bleibt abzuwarten, welche Innovationen es in diesem Bereich in der Zukunft noch geben wird. Fakt ist, dass immer neue Tools, Startups und Möglichkeiten der Erdbeobachtung hinzukommen  auch wenn sich die allermeisten eher an professionellen Anwender*innen orientieren: Die ESA und auch andere nationale Weltraumagenturen haben die Chance der frei zugänglichen Daten erkannt. Sie arbeiten an neuen Möglichkeiten, die Daten abrufbar zu machen – einfach und niedrigschwellig für alle. Denn dass die Daten ein unheimlich großes Potenzial für die globalen Herausforderungen unserer Zeit bergen, ist auch der ESA bewusst, wie Nicolaus Hanowski bestätigt: „Für die ESA ist das Bereitstellen unserer Daten für die größtmögliche Gruppe von Menschen eine der zentralen Herausforderungen der nächsten Jahre!”

Dieser Artikel ist Teil des Dosssiers „Satelliten und Drohnen – Wertvolle Helfer für eine nachhaltige Entwicklung“. Alle Artikel des Dossiers findest du hier: Dossier Satelliten und Drohnen

Das Dossier ist Teil der Projekt-Förderung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), in deren Rahmen wir vier Dossiers über zwei Jahre zum Thema „Chancen und Potenziale der Digitalisierung für eine nachhaltige Entwicklung“ erstellen.


Mehr Informationen hier.

wildfires_over_oregon
© ESA
RESET-Dossier: Satelliten und Drohnen – Wertvolle Helfer im Umwelt- und Klimaschutz

Tausende Satelliten umschwirren unseren Planeten, ihre Dienste sind aus unserem Alltag kaum mehr wegzudenken. Auch im Umwelt- und Klimaschutz sind sie unverzichtbar geworden. Wenn da nicht die Sache mit dem Weltraummüll wäre... In unserem neusten Dossier widmen wir uns den Sternstunden und Schattenseiten von Satelliten und Drohnen aus Nachhaltigkeitsperspektive.

Gesunde Stadtbäume mit Unterstützung von Satellitendaten und maschinellem Lernen

Green City Watch arbeitet mit Geodaten und künstlicher Intelligenz, um die Pflege von Grünflächen und Bäumen in Städten zu optimieren. RESET sprach mit Mitgründerin Nadina Galle darüber, wie sich unsere Beziehung zur Natur durch die Technologien verändern könnte.

ESA kündigt ehrgeizige neue Erdbeobachtungsmissionen mit Satelliten an

Die Europäische Weltraumorganisation ESA plant weitere, sehr ambitionierte Satellitenmissionen. Die neu gewonnenen Messdaten sollen dazu beitragen, dringende ökologische Herausforderungen zu bewältigen. Aber können die Pläne auch verwirklicht werden?

UNOSAT: Mit Satelliten die Zukunft der humanitären Hilfe gestalten

Das Satellitenprogramm der Vereinten Nationen, UNOSAT, nutzt Geodaten, um fundierte, evidenzbasierte Lösungen für Fragen der menschlichen Sicherheit, des Friedens und der nachhaltigen Entwicklung zu entwickeln.

SkyTruth zieht Öl- und Fracking-Unternehmen zur Rechenschaft – mit Satellitenbildern

In der Vergangenheit blieben Umweltzerstörung, Ölverschmutzungen oder illegale Fischerei oft unerkannt. Doch durch die Arbeit von SkyTruth werden NGOs und die Öffentlichkeit zu Umweltbeobachtern aus der Vogelperspektive.

gumuruk_ssd-nov2019_airbusds
© CNES/ Distribution AIRBUS DS
Wertvolle Hilfe aus dem All: „Ärzte ohne Grenzen“ setzt bei seinen Einsätzen auf maßgeschneiderte Karten aus Satellitendaten

Die humanitäre Organisation „Ärzte ohne Grenzen Österreich“ hat eine eigene Fernerkundungs- und Geoinformatik-Einheit, die mit satellitengestützten Kartenprodukten die humanitäre Arbeit vor Ort optimiert. Wir sprachen mit Lorenz Wendt, der die Organisation mit maßgeschneiderten Karten versorgt.

Amnesty Decoders: Online-Aktivist*innen decken mit KI Menschenrechtsverletzungen im Sudan auf

Mit seinem Decoder-Programm will Amnesty International Menschenrechtsverletzungen und Umweltschäden aufdecken – unterstützt von intelligenten Computerprogrammen und Tausenden digitalen Freiwilligen. RESET sprach mit der Leiterin von Amnesty Decoders, Milena Marin, über das Projekt „Decode Darfur“ im Sudan.

Künstliche Intelligenz und Satellitentechnologie helfen beim Aufspüren von Ozeanplastik

Um die Meere vom Plastikmüll befreien zu können, muss man diesen zunächst einmal finden. Nach neuen Forschungsergebnissen könnte dies mit einer Kombination von KI und Satellitentechnologie einfacher, günstiger und effektiver werden.

OpenSurface: KI-Plattform spürt Landnutzung und Entwaldung aus dem Weltraum auf

Das Projekt OpenSurface bietet eine KI-basierte Lösung an, mit der sich Landnutzung aus dem Weltraum überwachen lässt. Dies soll auch den Klimaschutz auf globaler Ebene vorantreiben.