Künstliche Intelligenz kartiert Baumbestand in der Wüste

Sogenannte "Nichtwaldbäume" haben einen maßgeblichen Einfluss auf die biologische Vielfalt und das Ökosystem. Ein internationales, interdisziplinäres Forschungsteam um Lichtenberg-Professor Dr. Johannes Schöning nutzt Künstliche Intelligenz (KI), um solche Bäume zu kartieren. 

Bäume
In der Nähe des Bandiagara-Felsmassivs in Mali stehen viele der Nichtwaldbäume, die mit der neuen KI-Methode erfasst werden können. (Foto: Martin Brandt)

Nichtwaldbäume, isoliert stehende Bäume in Trockengebieten, dienen der Kohlenstoffspeicherung, als Nahrungsressource und als Unterschlupf für zahlreiche Tierarten. Eine genaue Erfassung dieser Bäume ist essentiell, um zu verstehen, wie sie erhalten und als Ressource gegen den Klimawandel und für das globale ökologische Gleichgewicht möglichst sinnvoll genutzt werden können. Bisherige Ansätze diese Bäume großflächig zu kartieren, haben den Nachteil, dass sie oftmals solch isoliert stehende Bäume in Trockengebieten nicht erfassen können.

Neue Methode nutzt Satellitenbilder und DeepLearning

Doktorand Ankit Kariryaa hat eine neue Methode entwickelt, die mithilfe Künstlicher Intelligenz die großflächige Kartierung einzelner Bäume in der Sahelzone und der Sahara ermöglicht. Unterstützt wurde er dabei von Lichtenberg-Professor Dr. Johannes Schöning in der Arbeitsgruppe Human-Computer-Interaction im Fachbereich Mathematik/Informatik an der Universität Bremen. Die Ergebnisse der Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern aus Kopenhagen, der NASA und weiteren Partnern wurden nun in der Fachzeitschrift nature veröffentlicht. 

Auf einer Landfläche von 1,3 Millionen Quadratkilometern in der westafrikanischen Sahara, der Sahelzone und der subhumiden Zone haben die Forschenden dank des neuen Ansatzes die Kronengröße jedes Baumes mit einer Baumkrone größer als drei Quadratmetern kartiert. Mit Hilfe von Submeter-Satellitenbildern und DeepLearning konnte das Team so über 1,8 Milliarden Bäume mit einer mittleren Kronengröße von 12 Quadratmetern feststellen, die von bestehenden Ansätzen bisher nicht erfasst werden können. 

Hohe Dichte von "Nichtwaldbäumen”

Um die Auswirkung des kartierten Baumbewuchses auf das Klima zu verstehen, haben die Forschenden erstmalig die Baumkronengröße entlang eines Niederschlagsgradienten von 0 bis 1000 mm pro Jahr analysiert. Dabei stellten sie fest, dass die Baumdichte von 0,1% (0,7 Bäume pro Hektar) in hyper-ariden, 1,6% (9,9 Bäume pro Hektar) in ariden und 5,6% (30,1 Bäume pro Hektar) in semiariden auf 13,3% (47 Bäume pro Hektar) in sub-humiden Gebieten steigt. Diese relativ hohe Dichte von "Nichtwaldbäumen” stellt die vorherrschenden wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Wüstenbildung in Trockengebieten in Frage. Selbst die Wüstengebiete weisen eine überraschend hohe Baumdichte auf. 

Sie fanden zudem heraus, dass die Baumdichte deutlich durch die menschliche Bewirtschaftung geprägt wird, wobei Bäume mit großer Krone häufiger in Ackerlandgebieten beobachtet wurden. Bei der Rodung eines Feldes werden vereinzelt Bäume verschont, welche dann ‒ aufgrund der geringen Konkurrenz ‒ besser gedeihen als in der unberührten Savanne. Darüber hinaus zeigt die relativ hohe Dichte von Großbäumen in der Nähe von Siedlungen, dass die oft vermutete Übernutzung der Trockenwaldvegetation durch die menschliche Bevölkerung nicht verallgemeinert werden kann. 

Publikation

Brandt, M., Tucker, C.J., Kariryaa, A. et al. An unexpectedly large count of trees in the West African Sahara and Sahel. Nature (2020).

Hintergrund

Seit 2016 wird Prof. Dr. Johannes Schöning als Lichtenberg-Professor von der VolkswagenStiftung gefördert, im Rahmen dieser Förderung wird auch die Promotionsstelle Ankit Kariryaas finanziert. Ziel der mittlerweile beendeten Initiative ist es, Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern aus innovativen Lehr- und Forschungsfeldern eine Perspektive an deutschen Hochschulen zu schaffen. Die Initiative wurde durch die Lichtenberg-Stiftungsprofessuren abgelöst.