Von Pinseln zu Pixeln

Wir schreiben den 4. Oktober 1957, in Italien ist es 21 Uhr, als wie jeden Abend die englischsprachige Nachrichtensendung von Radio Moskau beginnt. Die Meldung an diesem Abend ist außergewöhnlich: Der erste künstliche Satellit aus sowjetischer Produktion wurde gerade in die Erdumlaufbahn gebracht. Für die nächsten Tage beherrscht die Nachricht weltweit die Titelseiten der Tageszeitungen: „Das planetarische Zeitalter hat begonnen” (Frankfurter Allgemeine), „U.S. Views Satellite as Russian Victory” (Herald Tribune), „Tutto il mondo ascolta la radio della luna artificiale” (Corriere della sera).
Seitdem geht der sogenannte „Wettlauf ins All“ rasant weiter, und heute muss man mehrere Quellen konsultieren, um die präzise Anzahl der Satelliten im Orbit zu erfahren. Ein Bericht der ESA vom März 2025 zählt 14.240 Satelliten, von denen 11.700 funktionsfähig sind.

Neue Starts sind mittlerweile so häufig, dass auch ChatGPT bei der Frage nach der letzten Mission durcheinanderkommt. Erste Antwort: April 2025, Projekt Kuiper von Cape Canaveral, USA, kommerzieller Betrieb der United Launch Alliance für Amazon/Kuiper.
– Bist du dir da sicher? Ist in den letzten paar Monaten nirgendwo sonst auf der Welt etwas passiert?
– Stimmt, es gibt tatsächlich eine neuere Mission: Die europäische Raumfahrtbehörde ESA hat am 29. April den Biomass-Satelliten von ihrer Basis in Französisch-Guayana aus in die Umlaufbahn gebracht. Aber die Kuiper-Mission, über die ich vorhin geschrieben habe, umfasst 27 Satelliten, von denen einige am 23. Juni gestartet wurden.

Man könnte damit beginnen, zu unterscheiden, wofür die Satelliten genutzt werden. Der eindeutig größte und am schnellsten wachsende Teil ist der der Telekommunikationssatelliten und der Satelliten für Navigations- und GPS-Systeme – allein Elon Musks Starlink-Galaxie zählt mehr als 7.000 davon, etwa die Hälfte der Gesamtmenge aller Satelliten im Orbit. Selten sind hingegen rein wissenschaftliche Missionen, die neue Technologien testen. Und dazwischen liegen etwa tausend Erdbeobachtungssatelliten, wie der Biomass-Satellit der ESA zur Überwachung der Wälder, oder die Sentinel-Satellitenfamilie des Copernicus-Programms, die seit 2014 einen unschätzbaren Beitrag zum Monitoring unseres Planeten leistet.

Dass der Blick von oben ein vollständigeres Bild ergibt, beschrieb Leonardo da Vinci schon 1505 im „Codex über den Vogelflug“: „Sempre il moto dell’uccello debe essere sopra alli nugoli, acciò che l’alia non si bagni, e per iscoprire più paesi …” (Der Flug des Vogels muss immer über die Wolken führen, damit seine Flügel nicht nass werden und er mehr Länder entdecken kann …).
Seit der Renaissance gibt es Gemälde von Städten und Landschaften aus eben dieser „Vogelperspektive”: Jacopo de' Barbaris „Veduta di Venezia a volo d’uccello“ ist ein Meilenstein nicht nur für die Kunstgeschichte sondern auch für die Geschichte der Erdbeobachtung in Europa. In Asien wurde eine ähnliche Technik schon früher angewandt, etwa in Gemälden in der Fukinuki Yatai-Perspektive (wörtlich: „davongetragenes Dach“).

Vogelperspektive auf Bozen und Umgebung aus dem 18. Jahrhundert

Credit: Gabriel Bodenehr | All rights reserved

Im Jahr 1783 überflogen die Brüder Mongolfier mit einem selbstkonstruierten Heißluftballon die französische Stadt Annonay. Bis heute werden Ballons in der Wissenschaft eingesetzt – etwa um die  Luftqualität zu untersuchen.
Mit der Erfindung der Fotografie eröffneten sich einige Jahrzehnte später völlig neue Möglichkeiten: plötzlich konnten Kameras an Heißluftballons, Drachen, Fallschirmen und schließlich Flugzeugen und Drohnen angebracht werden.
Die erste archivierte Luftaufnahme trägt den Titel „Boston, wie Adler und Wildgans es sehen“. J. W. Black schoss das Bild im Jahr 1860 aus einer Höhe von etwa 630 Metern von einem Heißluftballon aus.
Die ganze erste Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde von Luftbildern beherrscht, und so wie das Fernsehen das Radio nicht verdrängt hat, konnten auch die Satelliten den Luftaufnahmen nichts anhaben. Heute noch werden Luftflüge durchgeführt, insbesondere um neue Sensoren zu testen. So überflog im Jahr 2023 eine kleine Cessna in zwei Runden das Schnalstal: An Bord befanden sich mehrere Sensoren, die anhand einer neuen experimentellen Technologie den Wärmeaustausch zwischen Schnee und Luft maßen.

Abraham Mejia-Aguilar startet eine Drohne im Rahmen des Projekts Monalisa. Es ist das erste Mal, dass dieses Instrument bei Eurac Research zusammen mit Satellitendaten und Bodenmessungen eingesetzt wird. Die Studie dient der Verbesserung der Umweltüberwachung im Agrarsektor und wird in Zusammenarbeit mit zahlreichen Partnern durchgeführt.

Credit: Eurac Research

Sputnik 1 sowie alle Missionen der 1960er und eines Großteils der 1970er Jahre entstanden vor dem Hintergrund der geopolitischen Spannungen zwischen der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten.
Die amerikanische Satellitenkonstellation Landsat beispielsweise war zwar als zivile Mission ins Leben gerufen worden, sie diente aber auch dazu, die wirtschaftlichen Ressourcen der Sowjetunion heimlich zu überwachen, besonders den landwirtschaftlichen Anbau und die Getreidevorräte. Bekannt wurde das allerdings erst nach dem Ende des Kalten Krieges, als die Daten freigegeben wurden.
In den Jahren danach wurden die wichtigsten Weltraumagenturen gegründet: 1975 die Europäische Weltraumorganisation ESA, 1988 die Italienische Weltraumagentur ASI und 1997 das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR.
In den frühen 2000er Jahren folgt für alle, die sich mit Erdbeobachtung und Fernerkundung beschäftigen, eine Sensation, die der von Sputnik nahekommt: Terra und Aqua, die ersten beiden „offenen” Missionen der NASA. Die Daten dieser Satelliten stammen von MODIS-Sensoren (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) und liefern Informationen über den gesamten Erdball – kostenlos für alle! Die Daten können von der NASA-Website heruntergeladen werden, man muss sich lediglich registrieren und ein paar Tage warten. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Daten direkt beim Überflug des Satelliten zu empfangen, indem man sich eine eigene Antenne zulegt: 2009 wurde genau das in Südtirol gemacht.

Der Satellit Aqua, August 2009

Credit: Reto Stöckli | NASA | All rights reserved

MODIS machte Schule.
Besonders ins Zeug gelegt hat sich das europäische Programm Copernicus, das bisher sechs Arten von Sentinel-Satelliten gestartet hat. Bis 2030 soll das Programm um sechs weitere Satelliten ausgebaut werden. Die Nationale Raumfahrtbehörde Chinas kündigte 2013 ihr CHEOS-Programm zur Erdbeobachtung an und will bis Ende dieses Jahres etwa 40 Satelliten im Orbit haben. Die Indische Weltraumforschungsorganisation hat bereits in den 1980er Jahren ersten Schritte unternommen und verfügt aktuell über etwa vierzig Satelliten zum Monitoring von Landwirtschaft, Wasserressourcen, Stadtplanung und ländlicher Entwicklung, Bergbau, Wäldern, ozeanografischen Ressourcen und Umweltkatastrophen.
Die meisten dieser Missionen haben zivile Anwendungen und die Daten sind öffentlich zugänglich, auch wenn sie oft einen sogenannten „Security”-Bereich umfassen, beispielsweise die Überwachung der Grenzen. Es gibt auch „duale” Systeme, wie die italienischen COSMO-SkyMed-Satelliten, die sowohl für zivile als auch für militärische Zwecke eingesetzt werden. Von Technologien mit ausschließlich militärischen Zwecken werden wir wahrscheinlich erst dann erfahren, wenn die Daten freigegeben werden.

Bye Bye Antenna

---

Anfang der 2000er Jahre war die Autonome Provinz Bozen auf der Suche nach einem innovativen Monitoring-System, und so kam die Satellitentechnologie ins Spiel, die sich in jener Zeit dank der zunehmenden verfügbaren Bilddaten immer mehr durchsetzte. Im Jahr 2009 wurde eine Antenne am Ritten in Betrieb genommen: eine weiße Kugel mit einem Durchmesser von sechs Metern auf einem etwa dreißig Meter hohen Mast auf dem Gipfel des Rittner Horns; im Inneren befindet sich eine 5,20 Meter große Parabolantenne, die Satellitendaten nahezu in Echtzeit empfängt, um Schneeverhältnisse, Luftqualität, Bewölkung und Oberflächenparameter bestmöglich zu überwachen. Heute ist die Antenne am Ritten technologisch veraltet und wird daher abgebaut. Die Installation, als sie auf dem neuesten Stand der Technik war, hat uns einen großen Zeitvorteil verschafft: Im Laufe der Jahre haben wir wichtige Kompetenzen in der Verarbeitung von Satellitendaten erworben, und auf dieses Fachwissen können wir auch in Zukunft bauen. Die ausgemusterte Antenne wird ein zweites Leben in der „Technologischen Fachoberschule Max Valier” in Bozen erhalten, wo die Klassen sie nutzen werden, um sich mit Fernerkundungstechniken vertraut zu machen.

In den letzten zehn bis fünfzehn Jahren haben sich die Erdumlaufbahnen mit privaten Satelliten von Unternehmen gefüllt, die kostenpflichtige Dienste anbieten. Meistens handelt es sich dabei um hochaufgelöste Bilder in sehr kurzen Zeitabständen – manche Satelliten überfliegen denselben Ort täglich. Zu den wichtigsten privaten Unternehmen, die sich mit der Erdbeobachtung befassen, gehören die amerikanische Planet Labs mit etwa zweihundert Satelliten und die chinesische Chang Guang mit über hundert Jilin-Satelliten.
Oftmals bedienen diese Unternehmen Nischen des Sektors und verlangen dafür hohe Preise.
So wirbt beispielsweise das finnische Unternehmen ICEYE mit Radarbildern seiner Satelliten für die Überwachung von Ölpipelines. Offizielle Preislisten gibt es keine, aber wenn man von fünf bis sechs Euro pro Quadratkilometer ausgeht, kann man schätzen, wieviel es ein Ölunternehmen kostet, Lecks oder Brüche in Pipelines zu lokalisieren, unerlaubte Grabungen oder Diebstähle zu überwachen und die Einhaltung aller Umwelt- und Sicherheitsvorschriften zu überprüfen. Soll etwa eine kritische Zone von 500 bis 1.000 Quadratkilometer abgedeckt werden – was einer Strecke von ungefähr 200 Kilometern entspricht – und diese zweimal pro Woche überwacht werden, ist man monatlich schnell bei 50.000 Euro. Es gibt zwar Rabatte auf Paket-Angebote, allerdings werden zusätzlich oft Dienstleistungsunternehmen benötigt, die die Bilder auswerten. Und auch die haben ihren Preis.

Im Rahmen des Projekts GLISTT haben wir in Zusammenarbeit mit der Universität Innsbruck und der Agentur für Bevölkerungsschutz der Autonomen Provinz Bozen ein interregionales Gletschermonitoringkonzept für Südtirol und Tirol entwickelt, das traditionelle Feldmessungen mit fortschrittlichen Techniken der Satellitenfernerkundung kombiniert. Diese beiden Bilder zeigen die Großvenediger-Gletscher in Tirol: Das erste wurde am 22. August 1985 vom Satelliten Landsat-5 aufgenommen, das zweite am 10. September 2023 vom Satelliten Sentinel-2. Der Rückgang der Gletscher in den fast 40 Jahren ist eindeutig zu erkennen.Credit: NASA/Landsat-5 /Processing by Mattia Callegari Credit: ESA/Sentinel-2 /Processing by Mattia Callegari

Die Unterschiede werden deutlich, wenn man kleinere Gebiete betrachtet: Sentinel-2 bietet eine deutlich höhere räumliche Auflösung als Landsat-5, und ermöglicht so eine viel detailliertere Analyse.Credit: NASA/Landsat-5 /Processing by Mattia Callegari Credit: ESA/Sentinel-2 /Processing by Mattia Callegari

Noch Mitte der 90er Jahre waren Publikationen, die auf der Analyse von zwei bis drei Satellitenbildern basierten, keine Seltenheit. Heute stehen selbst für die einfachsten Studien Hunderte, wenn nicht Tausende von Bildern zur Verfügung.
Anfang der 2000er Jahre hatte ein durchschnittliches MODIS-Bild eine Größe von 100 bis 200 Megabyte. Heute ist jedes Bild der Sentinel-Satelliten ein bis zwei Gigabyte groß.
Bei so vielen und so umfangreichen Daten kann es sich kaum jemand leisten, sie lokal zu verarbeiten: Die Hardware zum Empfang und die Server zur Speicherung sind zu teuer. Google Earth Engine bot als erstes eine Alternative an: Man bezahlt für den Zugang zum Cloud-Server, führt seine Berechnungen mit den Satellitendaten direkt dort durch und lädt nur die Ergebnisse herunter.
Mittlerweile gibt es zahlreiche Plattformen, die Google Earth Engine ähneln, manche werden von der Europäischen Union finanziert und bieten einen zentralen Zugang zu den Daten von ESA Copernicus. OpenEO, das 2017 ins Leben gerufen wurde, war das erste Projekt von Eurac Research, das zur Vereinheitlichung der Schnittstelle von Cloud-Systemen beigetragen hat. Derzeit stützen sich fast alle unsere Projekte auf diese Plattformen.
Für diejenigen, die sich mit Erdbeobachtung beschäftigen, eine neue große Revolution.