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Dr. Reinhold John

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Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA)
Abteilung Waldschutz

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Artikel

Autor(en): Reinhold John
Redaktion: FVA, Deutschland
Kommentare: Artikel hat 1 Kommentar
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Können Käferbäume mit Hilfe von Drohnen früher erkannt werden?

Im Jahr 2017 haben Mitarbeitende der FVA zusammen mit Kolleginnen und Kollegen vom Nationalpark Schwarzwald und der UFB Rastatt einen Versuch durchgeführt, um aus der Luft Borkenkäferbefall an Fichten in einer frühen Befallsphase (Green-Attack) zu erkennen. Im Nationalpark Schwarzwald wurden vitale Fichten mit dem Borkenkäferpheromon "Pheroprax" beködert und bald schon von Borkenkäfern besiedelt. Ob nun die fliegende Drohne oder die klassische Bodenkontrolle schneller die Köderbäume und aller weiteren Bäume im Versuchsgebiet erkannte, dokumentiert der Artikel.

Inhalt

Zahlreiche Insekten und Pilze können Schäden an der Fichte verursachen, sie ist die Baumart mit dem höchsten Waldschutzrisiko in unseren Breiten. Gleichzeitig ist sie die wirtschaftlich bedeutendste Baumart in deutschen Mittelgebirgen. Infolge des Klimawandels könnten sich durch prognostizierte steigende Temperaturen und zunehmende sommerliche Trockenperioden die Wuchsbedingungen der Fichte maßgeblich verschlechtern. Zusätzlich werden ihre bedeutendsten potenziellen biotischen Schädlinge, die Borkenkäfer, durch diese Klimaveränderungen weitgehend begünstigt. Rund 40 Borkenkäferarten nutzen als Rinden-, Holz- oder Wurzelbrüter die Fichte als Wirtspflanze. Sie sind grundsätzlich Sekundärschädlinge, benötigen in der Regel also eine Vorschädigung oder Schwächung ihrer Wirtspflanze. Der große Buchdrucker und der kleine Kupferstecher sind jedoch bei ausreichend hoher Populations- und daher hoher Angriffsdichte in der Lage, auch vitale Bäume erfolgreich zu befallen.

Borkenkäfermonitoring und -management

Durch Prinzipien der "sauberen Waldwirtschaft" konnten in den vergangenen Jahren großflächige Kalamitäten durch eine konsequente Entfernung initialer Befallsherde und die integrierte Bekämpfung erfolgreich verhindert oder abgeschwächt werden. Die frühzeitige Erkennung von frischem Stehendbefall muss bei einer aktuellen Gefährdungssituation nach wie vor mittels regelmäßiger terrestrischer Kontrollgänge in den potenziell gefährdeten Beständen durch erfahrene Fachkräfte erfolgen. Auf diesem Gebiet wurden zur Effizienzsteigerung bisher methodisch kaum Fortschritte erzielt. Aufgrund einer altersbedingten Zunahme befallsgefährdeter Fichtenwälder, und vor dem Hintergrund von Forstreformen, sich verändernden Zuordnungen und Verantwortlichkeiten, steigenden Reviergrößen und abnehmender Betreuungskonstanz gilt es, das Monitoring gefährdeter Fichtenwälder effizienter zu gestalten. Hoffnungen werden dabei vor allem auf die (semi-) automatische Auswertung von Fernerkundungsdaten gewonnen, die aus geringen (UAV oder Drohnen), mittleren (Flugzeugen) bzw. großen Höhen (Satelliten) gewonnen werden.

Der Quadrocopter, die DJI Matrice 100, hebt ab zum Erkundungsflug im Nationalpark Schwarzwald.
Abb. 1: Der Quadrocopter, die DJI Matrice 100, hebt ab zum Erkundungsflug im Nationalpark Schwarzwald.

Ziel der hier vorgestellten Studie war es, die Praxistauglichkeit eines auf Drohnenbefliegung basierenden Verfahrens zur Früherkennung (Green-Attack) von Buchdruckerbefall zu überprüfen.

Flächen und Methode

Der Begriff "Drohne" wird folgend durch die konkretere Bezeichnung "Copter" (gehören zu den UAV, unmanned, uninhabited oder unpiloted aerial vehicle) ersetzt. Mit einem Quadrocopter DJI Matrice 100 wurden ausgewählte Flächen in der Entwicklungszone des Nationalparks Schwarzwald (22 ha) wöchentlich von April bis Septwmber und im Pufferstreifen (UFB Rastatt, 170 ha) monatlich überflogen und dabei mit einer Multispektralkamera Parrot Sequoia und DJI M100_X3 (RGB) Luftbildaufnahmen gemacht, die von der österreichischen Firma Festmeter zeitnah mit ihrer firmeneigenen Software ("Waldfee") am Computer ausgewertet wurden. 15 vitale Fichten im befallsfähigen Alter in der Entwicklungszone wurden mit dem Pheromon "Pheroprax" in ca. 2,5 m Höhe über dem Boden beködert und damit höchst attraktiv für Buchdrucker. Diese Bäume wurden exakt eingemessen (von einer im Boden versenkten dauerhaften Markierung) und ihre nächsten Nachbarn ebenfalls im Radius von 15 m aufgenommen (Field-Map/IFER und DGNSS-Empfänger, 28-Kanal, L1-Band OEMStar (NovAtel) mit BEACON-Korrekturdienst).

Einmessen der Köderbäume
Abb. 2: Einmessen der "Köderbäume". (Foto: Uli Riemer)

Das Versprechen der auswertenden Firma war, dass die besondere Aufnahmetechnik und die Datenanalyse nicht nur das Auffinden von abgestorbenen, sondern vor allem auch das Erkennen von frischbefallenen Stämmen ermögliche, noch bevor dies durch das menschliche Auge anhand von Kronenmerkmalen (Green-Attack) möglich wäre. Die Auswertung am Computer mache diese Reflexionsunterschiede deutlich und ließe auffällige Stellen sichtbar werden. Der Hintergrund lässt sich in wenigen Worten erläutern. Borkenkäferlarven sind Phloemfresser, ihr Wirken zerstört diesen wichtigen Transportweg von den Assimilations- zu den Speicherorganen und unterbindet in der Folge dann auch den Wassertransport. In den Nadeln verändern sich die Chlorophylproduktion und der Wassergehalt, beide führen zu einer veränderten Lichtreflektion. Es ist zu erwarten, dass ein Borkenkäferbefall im Grünangriffsstadium generell die biochemischen und physiologischen Bedingungen eines Baumes beeinflusst. Die gleichzeitige Wirkung auf die Schlüsselblattbiochemie wie Blattstickstoff und Chlorophyll sowie spektrale Antworten sind in der Literatur nicht gut dokumentiert. Diese Phänomene sind aber mit Multispektralfotografie und spezieller Auswerteparameter darstellbar, so die Theorie.

Der vorgesehene Arbeitsablauf ist folgender: Die Auswertungssoftware der Firma Festmeter liefert Lagekoordinaten der detektierten Bäume sogenannter "Hotspots", welche in eine digitale Karte eingetragen werden. Sie können so für eine automatisierte forstwirtschaftliche Planung genutzt und eingesehen werden. Vor allem können anhand dieser Koordinaten die befallenen Bäume ("Hotspots") gezielt mit Hilfe von Handy oder GPS-Tracker aufgesucht werden, damit die üblicherweise angewandten Verfahren zur Schadensabwehr einsetzen können.

Die Überprüfung der Wirksamkeit des Monitorings aus der Luft wurde gegengeprüft durch ein terrestrisches Monitoring. Dazu haben Mitarbeiter der FVA bei wöchentlichen Kontrollen in der Entwicklungszonenfläche die Befallsentwicklung a) an den "Köderbäumen", b) an deren benachbarten und c) an den von "Festmeter" ausgewiesen "Hotspots" dokumentiert. Hotspost wurden mittels Garmin GPSMap 60csx, Garmin 64s Serie mit externer Antenne bzw. PPM10xx, DGNSS mit SaPos HEPS-Korrekturdienst aufgesucht und mit einem Farbband markiert, in den Folgewochen wurden die jeweils neu aufgetretenen Hotspots als auch die zuvor gemeldeten kontrolliert. Das bedeutet, dass von Woche zu Woche der Kontrollaufwand größer wurde. Während dies zunächst von zwei Mitarbeitern an einem Tag erledigt werden konnte, mussten in der Schlussphase jeweils zwei Zweierteams mindestens einen Tag dafür aufwenden.

Bei der Einzelbaumeinmessung im Radius 15m um die Köderbäume mit dem Field-Map-System
Abb. 3: Bei der Einzelbaumeinmessung im Radius 15m um die Köderbäume mit dem Field-Map-System. (Foto: Uli Riemer)

Im Pufferstreifen werden in sogenannten "claims" (Gebiete mit ca. 100 ha Größe) Befallskontrollen im wöchentlichen Turnus durch besonders geschulte Forstwirte im Zeitraum von April bis September durchgeführt. Diese terrestrischen Kontrollen zur Erkennung von Borkenkäferbefall im Pufferstreifen des Nationalparks Schwarzwald wurden systematisiert, das Verfahren in einem Handbuch niedergelegt, das für alle Beteiligten (Nationalpark, UFB Rastatt, Ortenaukreis, Freudenstadt und Stadt Baden-Baden) verbindlich gilt. Auf diese durch Mitarbeiter der UFB Rastatt durchgeführten Kontrollen wurde zurückgegriffen, um das Befallsgeschehen im Pufferstreifen abzubilden und mit den Ergebnissen der Befliegungen bzw. Computerauswerten abzugleichen.

Köderbäume auf der Karte Untersuchungsgebiete in der Entwicklungszone des Nationalparks (kleine Fläche) und im benachbarten Pufferstreifen der UFB Rastatt
Abb. 4: Untersuchungsgebiete in der Entwicklungszone des Nationalparks (kleine Fläche) und im benachbarten Pufferstreifen der UFB Rastatt, rechts sind die "Köderbäume" auf der Karte markiert (zum Vergrößern anklicken).

Wettlauf Forstwirte versus UAV

Aufgrund rechtlicher Einschränkungen (UAV-Befliegungen sind stark reglementiert), Witterungseinschränkungen und technischer Probleme wurden nur zehn anstatt der geplanten 18 Befliegungen in der Nationalparkfläche bzw. vier im Pufferstreifen durchgeführt (zw. 08.06. und 21.09.).

Abwehrreaktion auf Buchdruckerbefall am Köderbäum: Harztropfen und -fluss.
Abb. 5: Abwehrreaktion auf Buchdruckerbefall am "Köderbäum": Harztropfen und -fluss.

An zwei Tagen ist die Kamera wegen Überhitzung ausgefallen, bei zwei Terminen gab es Probleme mit der Datenübertragung und in einem Fall wurde nicht exakt das richtige Testgebiet überflogen. Während die kleine Fläche mit dem Oktocopter überflogen wurde, war für die große Fläche der Einsatz eines Flächenflüglers geplant. Dieser wurde aber bis Saisonende vom französischen Hersteller nicht geliefert, sodass ersatzweise auch hier der Quadrocopter zum Einsatz kam.

Nach den Befliegungen erfolgte eine Prozessierung der Daten in Österreich, das nahm mindestens fünf, bisweilen auch mehr Tage in Anspruch. Als Ergebnis wurde dann Koordinaten und Karten mit den Hotspots geliefert, diese wurden differenziert ausgegeben als "spektral auffällig", "Frühphase" und "Spätphase". Ein Grundproblem dieser Technik ist die Genauigkeitsdifferenz des GNSS-Systems der UAV, die in ca. 100 m über dem Bestand Positionsdaten liefert, und den im Bestand terrestrisch eingesetzten GNSS/GPS-Systems. Im Klartext bedeutet dies, dass einzeln im Luftraum eingemessene Hotspots sich im Bestand nicht genau identifizieren lassen, zumal es sich um frisch befallene Bäume handelt, die noch nicht die üblichen Anzeichen wie Harztropfen, Bohrmehl, Nadelverfärbungen, Nadelfall und Spechtspiegel aufweisen. Eine wesentliche Erleichterung bei der Einzelbaumsuche ergab die Benutzung von hochaufgelösten Luftbildern auf einem Tablett-PC bei der terrestrischen Überprüfung der Hotspots.

Noch ist das Thema recht neu, daher hatte der SWR Interesse am Thema: Johannes Bertsch von droneparts steuert den Copter, mit dabei der Autor und das Team vom SWR
Abb. 6: Noch ist das Thema recht neu, daher hatte der SWR Interesse am Thema: Johannes Bertsch von droneparts steuert den Copter, mit dabei der Autor und das Team vom SWR. (Foto: Josepha Mayer)
Sogenannte Hotspots nach einer Teilüberfliegung der Pufferstreifenversuchsfläche (130 von 170 ha)
Abb. 7: Sogenannte Hotspots nach einer Teilüberfliegung der Pufferstreifenversuchsfläche (130 von 170 ha) (zum Vergrößern anklicken).

Befallsentwicklung, die terrestrische Bonitur

Am 29.3.2017 erfolgte die Beköderung von 15 Fichten. Während es in den tieferen Lagen Baden-Württembergs schon erste Buchdrucker in Kontrollpheromonfallen gab, war es in den Hochlagen des Schwarzwalds zunächst nicht warm genug. Vom 11. April bis zum 10. Mai war es landesweit kalt und regnerisch, in dieser Zeit kam es nirgendwo zu einem Buchdruckerbefall. Vom 11. Mai an kamen die Borkenkäfer bei steigenden Temperaturen ins Schwärmen, recht genau Mitte Mai erfolgte auch der Befall aller Köderbäume in der Entwicklungszone. Von Anfang Juni an hatten alle Köderbäume deutliche Zeichen eines Befalls (Harztropfen, Bohrmehl), von der dritten Juniwoche an gab es bei einigen Köderbäumen erste Nadelverfärbungen und von Mitte Juli an waren Spechthiebe, abfallende Rindenstücke und Nadelabwurf an 14 von 15 Köderbäumen sehr auffällig. Während Baum Nr. 9 trotz starken Befalls (Einbohrlöcher, Harztropfen) Ende September noch vital war, sind die übrigen 14 Köderbäume alle abgestorben. Ihre nächsten Fichtennachbarn wurden in der ersten Phase gleich mitbefallen bzw. wurden beim Ausflug der ersten Generation befallen. Insgesamt wurden je Probekreis (r = 15 m um den Köderbaum) zwischen 0 und 9 benachbarte Fichten ebenfalls befallen. Bis Ende September waren in der Entwicklungszonenversuchsfläche 37 Buchdruckerbäume angefallen, deren Befall sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit durch die Pheromonbeköderung erklären lässt. Es gab außerhalb der Probestellen keinen Buchdruckerspontanbefall.

Die Auswertung der Befliegungen

Vermeintliche Hotspots in der Entwicklungszone des Nationalparks Schwarzwald nach einer UAV-Befliegung und Auswertung
Abb. 8: Vermeintliche Hotspots in der Entwicklungszone des Nationalparks Schwarzwald nach einer UAV-Befliegung und Auswertung (zum Vergrößern anklicken).

Die Auswertung der ersten Befliegung, also die terrestrische Befallskontrolle, wurde mit hohen Erwartungen angegangen. Doch schon bald zeigte sich, dass sich die als "Spätphase" benannten Hotspots als Fichten-Methusaleme offenbarten, die schon vor Jahren abgestorben waren. Sie waren entnadelt, hatten Feinreißig und Äste verloren, waren entrindet und lagen teils schon auf dem Boden. Bei den Auswertungen späterer Flüge wurden sie nicht mehr berücksichtigt. Hotspots, die als "spektral auffällig" oder als "Frühphase" spezifiziert wurden, waren Fichten ohne jegliche Auffälligkeiten bzw. Fichten mit Kronenbrüchen, Spätfrosterscheinungen (Spätfrost Mitte Mai hat die frisch ausgetriebenen Nadeln rot gefärbt) bzw. mit Manganmangelerscheinungen. Manganmangel senkt vor allem die Chlorophyll- und Carotingehalte der Nadeln, drückt aber auch die Xanthophyllkonzentrationen, die Kronen betroffener Bäume wirken von weitem bereits fahlgrün bzw. gelblich angehaucht. Dies ist im Untersuchungsgebiet in den Hängen der Entwicklungszone oberhalb von Hundsbach sehr häufig zu beobachten. Wie bereits oben geschildert, war es oft schwer bis unmöglich, anhand der mittels UAV-Aufnahmen gelieferten Hotspot-Koordinaten einzelne Fichten im Bestand zu identifizieren. Daher wurden bei den terrestrischen Überprüfungen bisweilen auch auf Verdacht weitere Fichten in der Nähe vermeintlicher Hotspots markiert, die in den Folgewochen ebenfalls genau beobachtet wurden.

Typische Buchdruckerbefallsmerkmale: Einbohrloch Typische Buchdruckerbefallsmerkmale: Harzabwehr und Bohrmehlhäufchen Typische Buchdruckerbefallsmerkmale: Spechthiebe (Suche nach Käferlarven unter der Rinde)
Abb. 9: Typische Buchdruckerbefallsmerkmale. Oben links Einbohrloch, oben Harzabwehr und Bohrmehlhäufchen, unten links Harztropfen und –fluss und unten rechts Spechthiebe (Suche nach Käferlarven unter der Rinde) (zum Vergrößern anklicken).

Bis zur Schlussbefliegung wurden 258 Hotspots in der Entwicklungszone gemeldet, im Pufferstreifen bis zum 21.09.2018 waren es 628. In dieser Zeit wurden im gesamten Beobachtungsgebiet in der Entwicklungszone 37, im Pufferstreifen 10 Käferbäume terrestrisch gefunden. Die Trefferquote aus den Befliegungen war in Pufferstreifen währenddessen mit Null recht gering, alle 10 Käferbäume dort wurden schneller von den Bodentruppen gefunden und beseitigt, bevor der Copter sie entdeckt hatte. Alle vermeintlichen 628 Hotspots dort erwiesen sich als Falschmeldungen.

In der Entwicklungszone wurden neun von 15 Köderbäumen mittels Copterflug gefunden, zwei davon am 03.07.2017 (ca. 8 Wochen nach Befall), jeweils einer am 13.07., 27.07. bzw. 03.08., drei am. 09.08. und ein letzter am 22.08. Die beköderten und befallenen Bäume wurden also frühestens acht Wochen nach Befallsbeginn durch die Copterflüge entdeckt. In einer Phase, wo der Käfer kurz vor dem Ausflug stand, Verfärbung bzw. Entnadelung schon weit vorangeschritten waren.

Für jeden Hotspot erfolgte eine Darstellung: Einschätzung des Befallszustandes, Angabe der Koordinaten und Lage im Bestand
Abb. 10: Für jeden Hotspot erfolgte eine Darstellung: Einschätzung des Befallszustandes, Angabe der Koordinaten und Lage im Bestand (zum Vergrößern anklicken).

Liegt die Zukunft der Borkenkäferfrüherkennung in der Luft?

Nach den geschilderten Ergebnissen wäre zunächst ein eindeutiges "Nein" zu erwarten. Aber die Entwicklungen gehen weiter: Bessere Ergebnisse sollen bereits Doppelbefliegungen derselben Fläche sowie regelmäßige Eichungen des Systems in der jeweiligen Untersuchungsfläche (z.B. unbedingt im Frühjahr vor Befallsbeginn) liefern. Zudem wird die Auswertung der umfangreichen Luftbilder weiter automatisiert, die Baumartenerkennung wird weiter vorangetrieben. Der "Borkenindex", eine kombinierte Summe spezifischer Änderungen im Spektralbild nach Borkenkäferattacken, wird weiter spezifiziert. Eine aktuelle Studie im Nationalpark Bayrischer Wald konnte deutliche Unterschiede zwischen gesunden und infizierten Nadelproben (mit Käfern befallene Bäume) in den mittleren Reflexionsspektren belegen. Die ausgeprägtesten Unterschiede wurden in den NIR (nahes Infrarot)- und SWIR-(kurzwelliges Infrarot) Regionen zwischen 730 und 1370 nm beobachtet. Darüber hinaus wurden signifikante Unterschiede in den biochemischen Zusammensetzungen (Chlorophyll und Stickstoffkonzentration) von gesunden gegenüber grün attackierten Proben gefunden. Diese Ergebnisse weisen nach Aussagen der Autoren darauf hin, dass die Fernerkundung erfolgreich zur Früherkennung des Borkenkäferbefalls eingesetzt werden könne. Allerdings ist zu bedenken, dass Käferattacken zu physiologischen bzw. biochemischen Veränderungen führen, die zunächst nicht nur monokausal einen messbaren Faktor (Chlorophyll) beeinflussen, sondern zu einer ganzen Reihe von sich eventuell überlagernden, widersprechenden Veränderungen führen können. Zudem wirkt sich Käferbefall physiologisch weitgehend aus wie Trockenstress, der schlichtweg in Trockenperioden entstehen kann und stark vom Standort abhängt.

Der Wunsch bleibt dennoch und ist Motor für weitere Forschungen am Thema: In steilen, schwer zugänglichen Gebieten oder generell in großen Waldgebieten würde diese Form von Früherkennung unschätzbare Vorteile bieten. Durch das Verfahren könnten Bäume vorzeitig erkannt und bei Bedarf aus dem Wald entfernt werden. Bei der Borkenkäferbekämpfung bleibt nie viel Zeit, da sie sich sehr schnell ausbreiten. Da gilt es, schnell zu reagieren und mitunter große Flächen im Auge zu behalten. Vielleicht ist es eines Tages doch möglich, durch vollautomatische Auswertungen von mit Flugzeugen oder Satelliten aufgenommen Bildern die das Borkenkäfermanagement maßgeblich zu modernisieren. Wir werden diesen Prozess weiter intensiv begleiten.

Danksagung

Neben Mitarbeitenden der Abt. Waldschutz haben am Projekt auch Uli Riemer und Dr. Petra Adler (Abt. BuI) sowie Ostwald Keller (Abt. Waldschutz) wesentlich mitgewirkt, herzlichen Dank dafür. Ein herzliches Dankeschön auch an Mitarbeitende vom Fachbereich 5 des Nationalparks Schwarzwalds, namentlich Jörg Ziegler, Bernd Schindler und Teams sowie an die UFB Rastatt, in persona Thomas Nissen, Thomas Bauer und die Hundsbacher Mannschaft.

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