Neuronales Netzwerk kann Baumhöhen von Satellitenbildern ablesen

Daneben muss dem Algorithmus die korrekte Antwort – das heisst die Baumhöhe aus Space-Lasermessungen der externe SeiteNASA GEDI-Missioncall_made – zur Verfügung gestellt werden. «Die GEDI-Mission liefert global verteilte, punktuelle Daten der Vegetationshöhe zwischen dem 51. nördlichen und südlichen Breitengrad, sodass der Computer im Trainingsprozess viele verschiedene Vegetationstypen sieht», erklärt Nico Lang. Mit Input und Antwort kann sich der Algorithmus die Filter für Textur- und Spektralmuster selbst aneignen. Ist das neuronale Netzwerk erst einmal trainiert, kann es die Baumhöhen aus den mehr als 250'000 Bildern (etwa 160 Terabyte Daten), die für die globale Karte notwendig sind, automatisch schätzen.

In der Fachterminologie nennt sich Langs neuronales Netzwerk Convolutional Neural Network (CNN). Die «Convolution» – zu Deutsch Faltung– ist eine mathematische Operation, bei welcher der Algorithmus die 3x3 Pixel grossen Bildfilter über das Satellitenbild gleiten lässt und dadurch Informationen über Helligkeitsmuster im Bild erhält. «Der Trick dabei ist, dass wir die Bildfilter stapeln und der Algorithmus dadurch Kontextinformationen erhält, da er von jedem Pixel bereits Informationen über die Nachbarpixel hat», erläutert Konrad Schindler. Dadurch ist es dem EcoVision Lab erstmalig gelungen mit einer Satellitenkarte auch Baumhöhen von bis zu 55 Meter zuverlässig einzuschätzen.

Weil diese neuronalen Netzwerke mit ihren vielen Schichten «tief» sind, spricht man auch von «Deep Learning». Diese Methode läutete vor rund 10 Jahren eine grosse Revolution in der Bildverarbeitung ein. Der Umgang mit der schieren Menge an Daten, die dazu nötig ist, ist jedoch nach wie vor eine grosse Herausforderung: Um die globale Vegetationshöhen-Karte zu berechnen, bräuchte ein leistungsstarker Rechner allein drei Jahre. «Zum Glück haben wir Zugriff auf den ETH-Hochleistungsrechencluster, sodass wir nicht drei Jahre auf die Berechnung der Karte warten mussten», lacht Nico Lang.

Transparenz durch Abschätzung der Unsicherheiten

Nico Lang bereitete denn nicht nur ein CNN auf diese Aufgabe vor, sondern gleich mehrere – ein sogenanntes Ensemble – davon. «Ein wichtiger Aspekt für uns war, den Nutzer:innen auch die Unsicherheit der Schätzung mitzuliefern», sagt er. Die insgesamt fünf neuronalen Netzwerke wurden unabhängig voneinander trainiert, wobei jedes seine eigene Schätzung der Baumhöhen angibt.

«Sind alle Modelle einer Meinung, ist die Antwort auf Basis der Trainingsdaten eindeutig. Kommen die Modelle zu unterschiedlichen Antworten, bedeutet dies, dass es eine höhere Unsicherheit in der Schätzung gibt», erklärt Nico Lang. In die Modellierung fliessen auch Unsicherheiten in den Daten selbst mit ein: Ist ein Satellitenbild beispielsweise dunstig, ist die Unsicherheit grösser, als wenn die atmosphärischen Verhältnisse gut sind.

Grundlage für zukünftige ökologische Forschung

Dank ihrer hohen Auflösung bietet Langs globale Karte Einblick in interessante Details: «Wir konnten bereits spannende Muster entdecken», erzählt Konrad Schindler. «In den Rocky Mountains beispielsweise wird die Forstwirtschaft in fixen Quadraten betrieben und auch der Regenwald formt interessante Strukturen, die nicht zufällig sein können.» Nun sei es Ökolog:innen möglich, die aufgenommenen Muster und Daten weltumfassend zu interpretieren.

Damit die Forschung weitergeführt werden kann, werden die Karte sowie der Source Code öffentlich zugänglich sein. Erste Interessenten haben sich bereits gemeldet: Walter Jetz, Professor an der Yale Universität, möchte die Global Canopy Height Map zur Biodiversitätsmodellierung nutzen. Doch auch für Regierungen, Verwaltungen und NGOs könnte die Karte interessant sein. «Dank Sentinel-2 könnte man alle fünf Tage die Vegetationshöhen neu berechnen und hätte so ein Monitoring, um die Regenwaldabholzung zu beobachten», meint Nico Lang.

Darüber hinaus sei es nun auch möglich, regionale Erkenntnisse wie die Eigenschaft von tropischen Blätterdächern als klimatischer Puffer zu wirken, global zu validieren. Gekoppelt mit dem externe SeiteHigh Carbon Stock Approachcall_made, der wertvolle Wälder für Kohlenstoffspeicherung und Biodiversität klassifiziert, ist die Vegetationshöhen-Karte eine wichtige Grundlage für die Erhaltung und Stärkung der Ökosysteme. Gemäss Langs Berechnungen befindet sich bloss auf 5 Prozent der Landmasse Vegetation von mehr als 30 Metern Höhe und nur 34 Prozent davon stehen in geschützten Gebieten.

Da die GEDI-Mission im Jahr 2023 beendet werden soll, bietet Langs neu entwickelter Ansatz die Möglichkeit auch zukünftig Vegetationshöhen zu kartieren. Allerdings wäre eine Verlängerung der GEDI-Mission, über die zurzeit auch international in Medien diskutiert wird, wichtig, um die Daten mit zukünftigen Satellitenmissionen wie der externe SeiteESA Biomass Missioncall_made abzugleichen und das Modell auf Veränderungen zu kalibrieren.