Borkenkäferbefall aus dem All erkennen – was kann die Fernerkundung heute leisten?

Beim Management des Buchdruckers (Ips typographus) entscheidet der Zeitpunkt. Befallene Fichten müssen erkannt und entnommen werden, bevor die neue Käfergeneration ausfliegt. Terrestrische Kontrollen können einen frischen Befall anhand von Einbohrlöchern, Bohrmehl oder Harzfluss frühzeitig erkennen. Dafür müssen gefährdete Bestände jedoch regelmäßig und systematisch kontrolliert werden – in der Regel alle sieben bis 14 Tage. Das ist zeit- und personalaufwendig.

Könnten Satelliten einen Teil dieser Suche übernehmen? Mit dieser Frage beschäftigt sich die Forschung seit Jahren. Bereits der Beitrag „Fernerkundung zur Borkenkäfer-Früherkennung: Potenzial und Grenzen“ zeigt, welche Möglichkeiten die Fernerkundung bietet und wo ihre Grenzen liegen. Ihre zentrale Erkenntnis: Die entscheidenden frühen Befallsmerkmale entstehen am Stamm und sind aus der Luft nicht sichtbar. Erst wenn der Befall die Wasserversorgung und Physiologie des Baumes beeinträchtigt, verändert sich die Krone so, dass dies in Fernerkundungsdaten erkennbar werden kann.

Damit entsteht ein grundsätzliches Zeitproblem: Je sicherer ein befallener Baum aus der Luft erkannt werden kann, desto weniger Zeit bleibt für seine rechtzeitige Entnahme.

Genau an diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt „Digital Detect“ an. Von 2020 bis 2026 wurde in Baden-Württemberg untersucht, ob täglich verfügbare PlanetScope-Satellitendaten trotzdem so genutzt werden können, dass daraus ein praxistaugliches Unterstützungssystem für die Befallskontrolle entsteht. Ziel ist dabei nicht, die Kontrolle im Wald zu ersetzen. Satellitengestützte Warnkarten sollen vielmehr anzeigen, wo sich die Suche besonders lohnt.

PlanetScope-Satelliten liefern multispektrale Aufnahmen mit einer räumlichen Auflösung von etwa drei Metern und einer hohen Wiederholungsrate. Neben den sichtbaren Spektralbereichen können insbesondere Infrarot- und Red-Edge-Kanäle Veränderungen der Vegetation erfassen.

Digital Detect nutzt diese Veränderungen, um mögliche Vitalitätsstörungen von Fichten zu erkennen. Das Verfahren ist zweistufig: Zunächst werden anhand der Satellitendaten potenzielle Befallsherde identifiziert und in Warnkarten dargestellt. Anschließend erfolgt im Wald eine gezielte Kontrolle dieser Flächen. Die Fernerkundung soll also nicht entscheiden, ob ein Baum tatsächlich vom Buchdrucker befallen ist. Sie soll die Kontrolle dorthin lenken, wo Befall wahrscheinlicher ist.

Zu Beginn des Projekts wurde dafür ein regelbasierter Detektor entwickelt. Die Ergebnisse eines Praxistests im Jahr 2022 lieferten anschließend umfangreiche Trainingsdaten für einen neuen, KI-basierten Detektor. Dieser nutzt ein Convolutional Neural Network (CNN), das anhand bereits kontrollierter Bäume lernt, gesunde von geschädigten Fichten zu unterscheiden.

Der Buchdruckerbefall beginnt unterhalb der Krone. Einbohrlöcher, Bohrmehl und Harzfluss lassen sich zunächst nur bei der Kontrolle am Boden feststellen. Erst wenn die Entwicklung der Käfer den Wasser- und Nährstofftransport des Baumes beeinflusst, entstehen auch Veränderungen in der Krone, die sich in den Satellitendaten zeigen können.

Dabei bleibt nur ein begrenztes Zeitfenster. In der frühen Befallsphase ist die Fichte für die Fernerkundung noch unauffällig. Mit zunehmender Beeinträchtigung der Baumphysiologie steigt die Detektierbarkeit. Gleichzeitig rückt jedoch der Zeitpunkt näher, an dem die neue Käfergeneration ausfliegt und eine Entnahme des Baumes für das Borkenkäfermanagement keinen Nutzen mehr bringt.

Im Sommer 2022 wurde das Verfahren erstmals über eine vollständige Borkenkäfersaison in den drei Pilotgebieten Sankt Blasien, Schuttertal und Oberharmersbach getestet. In Sankt Blasien und Schuttertal konnte durchschnittlich alle neun bis zehn Tage eine Warnkarte erstellt werden. Zwei bis drei Tage nach der jeweils letzten Satellitenaufnahme standen die Karten auf mobilen Geräten für die Kontrolle im Wald zur Verfügung.

Der Test zeigte zugleich eine wesentliche Schwierigkeit: Wolken und ungeeignete Wetterbedingungen können die Satellitenbeobachtung unterbrechen. In Oberharmersbach entstanden dadurch teilweise Zeiträume von mehr als 30 Tagen zwischen geeigneten Aufnahmen. Gerade im Sommer kann dies zu lang sein, wenn ein Befall noch vor dem Ausflug der neuen Käfergeneration erkannt werden soll.

Auch die Detektionsleistung des zunächst eingesetzten regelbasierten Verfahrens blieb unter dem angestrebten Niveau. Je nach Pilotgebiet und Bewertungsansatz wurden 28 bis 74 Prozent der befallenen Fichten erkannt.

Deutlich bessere Ergebnisse erzielte der anschließend mit den Felddaten trainierte KI-Detektor: In Sankt Blasien erkannte er 90 Prozent der befallenen Einzelbäume bei einer Genauigkeit von 98 Prozent. Allerdings war das Modell dort mit lokalen Daten trainiert und getestet worden. Ob diese Leistung auf andere Regionen und Waldstrukturen übertragbar ist, ließ sich daraus nicht ableiten.

Eine besondere Chance für die Fernerkundung könnten sogenannte Überwinterungsbäume bieten. Dabei handelt es sich um Fichten, die erst im Spätsommer befallen werden. Ihr Absterbeprozess verläuft über Herbst und Winter deutlich langsamer. Dadurch verlängert sich das Zeitfenster zwischen einer fernerkundlich erkennbaren Veränderung der Krone und dem Zeitpunkt, an dem eine Entnahme für das Borkenkäfermanagement zu spät kommt.

Diese Frage untersuchte Digital Detect 2024 und 2025 im Nationalpark Schwarzwald. Auf fünf Untersuchungsflächen wurden insgesamt 1.806 Fichten wiederholt terrestrisch kontrolliert. Parallel wurden für ein rund 3.400 Hektar großes Untersuchungsgebiet Warnkarten erstellt. Die gefährdete Fichtenfläche innerhalb dieses Gebietes betrug rund 502 Hektar.

Zwischen April 2024 und April 2025 entstanden 17 Warnkarten. Im Sommerhalbjahr lagen neue Karten im Mittel alle neun Tage vor, im Winterhalbjahr alle 24 Tage. Die Untersuchungen bestätigten, dass insbesondere der spätsommerliche Befall ein interessantes Einsatzfeld für die satellitengestützte Suche ist.

Eine intensive terrestrische Kontrolle bleibt bei der frühestmöglichen Befallserkennung im Vorteil. Im Sommer betrug der Median der Verzögerung der satellitengestützten Erkennung gegenüber einer idealen terrestrischen Kontrolle 19 Tage. Bei Überwinterungsbäumen waren es zwölf Tage.

Entscheidend ist jedoch, ob nach der Detektion noch genügend Zeit zum Handeln bleibt. Bei spät im Jahr befallenen Fichten war dies häufig der Fall. 60 Prozent der ab August befallenen Fichten befanden sich Anfang Oktober noch in einem Stadium vor dem entscheidenden Rindenabfall und Käferausflug. Selbst im November konnten noch Teile dieses Befalls rechtzeitig entnommen werden.

Die Trefferquote des KI-Detektors war im Juli und August am höchsten. In dieser Zeit wurden 70 bis 80 Prozent des relevanten Befalls erkannt. Ab September sank die Trefferquote auf etwa 20 bis 30 Prozent, im Frühjahr lag sie nahe null. Sehr später Befall und langsam verlaufende Vitalitätsveränderungen bleiben für den Satelliten damit schwierig zu erkennen.

Für die Praxis ist allerdings nicht allein entscheidend, ob jeder einzelne Käferbaum erkannt wird. Interessant ist vor allem die Lenkungswirkung der Warnkarten.

In der Winterstudie wurde deshalb berechnet, welchen Aufwand eine intensive terrestrische Kontrolle der gesamten gefährdeten Fichtenfläche verursachen würde und wie sich dieser Aufwand verändert, wenn nur die von den Warnkarten ausgewiesenen Bereiche kontrolliert werden.

Bei einer flächendeckenden Kontrolle der 502 Hektar wurden für neun Kontrollgänge rechnerisch 1.129 Arbeitsstunden beziehungsweise 141 Arbeitstage angesetzt. Die gelenkte Kontrolle der Warnflächen benötigte dagegen 114 Stunden beziehungsweise 14 Arbeitstage. Der Zeitaufwand sank damit um rund 90 Prozent.

Dem steht eine geringere Trefferquote gegenüber: Eine intensive terrestrische Kontrolle erreichte im zugrunde gelegten Szenario 93 Prozent, die satellitengestützte gelenkte Suche 60 Prozent. Entscheidend wird der Unterschied jedoch bei einem begrenzten Budget. Bei rund 20 Euro pro Hektar und Jahr könnte eine rein terrestrische Kontrolle nur einen Teil der Fläche abdecken. Im Modell ergab sich daraus eine Trefferquote von 17 Prozent. Mit Warnkarten konnten im gleichen Kostenrahmen alle ausgewiesenen Warnflächen kontrolliert und 60 Prozent des Befalls gefunden werden.

Auf den 502 Hektar gefährdeter Fichtenfläche lagen die Warnpolygone zusammen nur auf rund 36 Hektar. Die Kontrolle konnte damit auf einen kleinen Teil der Fläche konzentriert werden. Genau darin liegt derzeit der größte praktische Nutzen des Verfahrens: Satellitendaten ersetzen die Suche nach Borkenkäferbefall nicht, können knappe Kontrollkapazitäten aber gezielter einsetzen.

Digital Detect bestätigt zunächst eine wesentliche Aussage der bisherigen Forschung: Die allerersten Anzeichen eines Buchdruckerbefalls können Satelliten nicht erkennen. Einbohrlöcher, Bohrmehl und Harzfluss bleiben Merkmale für die terrestrische Kontrolle. Auch kann eine spektrale Vitalitätsveränderung der Krone nicht eindeutig dem Buchdrucker zugeordnet werden. Trockenstress oder andere Schäden können ähnliche Signale verursachen. Deshalb muss ein satellitengestützter Hinweis weiterhin vor Ort überprüft werden.

Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass die Fernerkundung nicht zwingend jeden Befall früher als die terrestrische Kontrolle erkennen muss, um für die Praxis einen Nutzen zu haben. Warnkarten können große Waldflächen überwachen und die vorhandenen Kontrollkapazitäten auf verdächtige Bereiche lenken. Das ist besonders interessant, wenn Personal und Zeit knapp sind, Flächen schwer zugänglich sind oder eine systematische terrestrische Kontrolle des gesamten gefährdeten Gebietes nicht möglich ist.

Für Digital Detect ergeben sich damit vor allem drei mögliche Einsatzbereiche:

• als Ergänzung terrestrischer Kontrollen, um Übersehfehler zu reduzieren,
• zur gezielten Umfeldsuche in Bereichen mit bekanntem oder vermutetem Befall,
• zur Unterstützung bei der Suche nach Überwinterungsbäumen, bei denen das längere Zeitfenster zwischen Befall und Käferausflug der Fernerkundung entgegenkommt.

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse ist Digital Detect noch kein flächendeckend einsatzbereites Borkenkäfer-Monitoringsystem. Die derzeit wichtigste offene Frage ist die Übertragbarkeit des KI-Modells. Der Detektor muss auch in anderen Regionen, Bestandesstrukturen und Befallssituationen zuverlässig funktionieren. Die sehr guten lokalen Ergebnisse lassen sich nicht ohne weitere Validierung verallgemeinern.

Genau hier setzt die weitere Forschung an. Im Waldstrategieprojekt PRIWA wird Digital Detect 2026 fortgeführt. Zusätzliche terrestrische Kontrolldaten und hochauflösende Drohnenbilder sollen neue Trainingsdaten liefern und Tests in weiteren Regionen ermöglichen. Damit soll das KI-Modell schrittweise robuster und besser übertragbar werden.

Die Richtung ist dennoch klar: Satelliten werden den geschulten Blick im Wald auf absehbare Zeit nicht ersetzen. Sie könnten aber dabei helfen, ihn genau dorthin zu lenken, wo er am dringendsten gebraucht wird.