Biomasse

Mit dem Begriff Biomasse wird die Stoffmasse von Lebewesen oder deren Körperteile bezeichnet. Als Menge dieser Stoffgemische gilt ihre Masse (Einheit: Kilogramm). In der Ökologie wird die Biomasse häufig nur für ausgesuchte, räumlich klar umrissene Ökosysteme oder nur für bestimmte, einzelne Populationen erfasst. Gelegentlich gibt es zudem Versuche, die Biomasse der gesamten Ökosphäre abzuschätzen. In der Ökologie existiert kein einheitlicher Biomasse-Begriff. In der Energietechnik bezieht sich der Begriff nur auf energetisch nutzbare Biomasse.

Die genaue Quantifizierung der globalen Biomasse ist eine schwierige Aufgabe, da die Vielfalt des Lebens auf der Erde ebenso vielfältig wie umfangreich ist. Um diese Aufgabe zu bewältigen, wird die Biomasse im Allgemeinen in verschiedene Komponenten unterteilt. Die oberirdische Biomasse (Above Ground Biomass, AGB), die unterirdische Biomasse und die ozeanische Biomasse machen den größten Teil der globalen Biomasse aus, wobei die AGB den größten Anteil hat. Die AGB ist auch am einfachsten zu messen, weshalb sich die meisten Bemühungen zur Überwachung der Biomasse auf die Quantifizierung der AGB konzentrieren. Es sollte jedoch immer bedacht werden, dass ein erheblicher Teil der Biomasse außerhalb dieses Bereichs existiert, wobei bis zu 25 % der globalen Pflanzenbiomasse unterirdisch vorhanden sind. Dennoch sind die AGB-Schätzungen derzeit unsere wichtigsten und am weitesten entwickelten Biomasse-Schätzungen weltweit.

Trotz dieser definitorischen Unsicherheiten ist z.B. die Bestimmung der oberirdischen Biomasse ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, da ihr insbesondere im Hinblick auf den aktuellen globalen Wandel eine große Bedeutung zukommt. Da Vegetation in der Lage ist, Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufzunehmen und als Biomasse zu speichern, spielt sie eine wesentliche Rolle im Kohlenstoffkreislauf und ist ein wichtiger Bestandteil verschiedener Strategien zur Reduzierung des atmosphärischen CO₂-Gehalts.

Die Überwachung der Oberirdischen Biomasse (AGB) erfolgt auf verschiedene Weise. Die grundlegendste und nicht zu unterschätzende Methode sind Feldstudien: Dabei werden vor Ort Daten zur Vegetation gesammelt. Diese Methode ist zwar sehr effektiv und genau für die Quantifizierung der Biomasse in kleinem räumlichen Rahmen und ohne größere theoretische Komplikationen, jedoch äußerst begrenzt, da die Vegetation einfach zu ausgedehnt ist, um vollständig durch Untersuchungen am Boden überwacht zu werden. Oft ist es auch schwierig, viele bewachsene Regionen zu durchqueren, da sie dichtes Buschland, extreme topographische Gegebenheiten und gefährliche Organismen aufweisen.

Fernerkundungsverfahren

Zur Bestimmung der Biomasse können Daten verschiedener Fernerkundungssatelliten herangezogen werden. Die Wahl der Datenbasis wird entscheidend beeinflusst durch den geünschten Maßstab der Kartierung, die benötigte Genauigkeit, die Kosten, die Verfügbarkeit historischer Datensätze sowie die Möglichkeit der Aufnahme von Zeitserien, die ein kontinuierliches Monitoring ermöglichen.

Biomasse kann aus dem Weltraum mithilfe passiver optischer Sensoren, Synthetic Aperture Radar (SAR) und LIDAR gemessen werden. Jede dieser Methoden hat ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen. Die Verwendung kombinierter Daten aus den drei Methoden und die Validierung anhand von Felddaten hat sich bei der Erstellung genauer globaler Biomassekarten als erfolgreich erwiesen.

Luft- und Weltraum-gestützte Fernerkundung von Waldbiomasse Quelle: eoPortal

Erste Untersuchungen zur möglichen Ableitung oberirdischer Biomasse aus Fernerkundungsdaten gehen auf die 1980er Jahre zurück. Dies geschah vornehmlich mit optischen Sensoren wie dem NOAA-AVHRR und dem Landsat-TM. Bei der optischen Fernerkundung wird das von der Sonne emittierte und danach an der Erdoberfläche reflektierte Licht im sichtbaren Bereich (VIS) und im Bereich des nahen Infrarot (NIR) empfangen.

Passive optische Fernerkundungssysteme beobachten Strahlung, die von einer externen Quelle stammt. Bei der Überwachung von Biomasse kann dies sowohl die Messung von Reflexionsdaten von auf Vegetation einfallendem Sonnenlicht als auch die Messung der von photosynthetisierenden Pflanzen abgegebenen Strahlung umfassen – ein Prozess, der als solarinduzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) bezeichnet wird.

Zu den Variablen, die von diesen Systemen in erster Linie beobachtet werden, gehören die spektrale Reflexion, Vegetationsindizes (VIs), räumliche Textur (spatial texture), Blattflächenindex (LAI), Waldkronendichte (FCD) und Waldbedeckung. Es wird eine Reihe passiver optischer Instrumente mit unterschiedlichen Spezifikationen eingesetzt, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. So können beispielsweise Sensoren mit grober Auflösung größere Gebiete häufiger und kostengünstiger beobachten, sind jedoch nicht in der Lage, einzelne Bäume zu unterscheiden. Optische Sensoren sind zwar für die globale Fernerkundung äußerst nützlich, jedoch sind sie auf Tageslicht angewiesen und können Wolken oder Rauch nicht durchdringen.

Bei der Ableitung von oberirdischer Biomasse auf der Basis von optischen Fernerkundungsdaten werden meist Vegetationsindizes eingesetzt, die Informationen über die Struktur, den Zustand und die phänologische Aktivität der Vegetation enthalten. Der am weitesten verbreitete Vegetationsindex ist der NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Weitere häufig verwendete Indizes sind der EVI (Enhanced Vegetation Index) sowie der SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), der eine Bodenbereinigung des Signals beinhaltet.

Beispiele für Vegetationsindizes

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - EVI (Enhanced Vegetation Index) - SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index)

Legende:

NIR - naher Infrarot-Kanal

Rot - roter Kanal

Blau - blauer Kanal

C1, C2 - Korrekturterme für Aerosole für verschiedene Kanäle

L - Korrekturterm für Bodenbedeckung

Quelle: Ley et al. 2011

Vegetationsindizes hängen von verschiedenen Parametern ab, z.B. dem Bedeckungsgrad und dem Blattflächenindex (LAI, Leaf Area Index) und erlauben somit eine indirekte Bestimmung der Biomasse.

Eine andere, relativ einfache, indirekte Methode zur Biomasse-Abschätzung besteht in der Stratifizierung der Erdoberfläche in weitgehend homogene Vegetationsklassen, denen dann eine durchschnittliche Biomassedichte (in kg/ha) zugewiesen wird. Mögliche Attribute zur Klassifizierung, die aus Fernerkundungsdaten abgeleitet werden können, sind Bedeckungsgrad, Kronenschlussgrad, Vegetationsart (Genus), Hauptspezies, Wuchsform (Baum, Strauch usw.) sowie Höhe.

Eine weitere, effektive Möglichkeit, oberirdische Biomasse mit Fernerkundungsdaten zu bestimmen, ist die Verwendung von Radarsystemen. Ihre Datenerfassung wird nicht von atmosphärischen Bedingungen beeinflusst, sondern ist empfindlich für die Struktur der Vegetation. Diese aktiven Systeme senden und empfangen elektromagnetische Strahlung und werden nach verschiedenen Wellenlängen unterschieden, die eine unterschiedliche Eindringtiefe in die Vegetation aufweisen. Je nachdem, welches Wellenband ausgewählt wird, kann man die Vegetation in gewünschten Tiefen untersuchen. Kurzwellige Strahlung, wie beim X-Band- und beim C-Band-Radar, wird hauptsächlich an Blättern und dünnen Ästen der oberen Kronenschicht reflektiert, während Signale des langwelligen L-Band- oder sogar P-Band-Radars kleinere Vegegtationsbestandteile durchdringen und von dicken Ästen und Stämmen reflektiert werden. Diese wellenlängenabhängige Empfindlichkeit für unterschiedliche Komponenten der oberirdischen Biomasse kann auch verwendet werden, um gezielt Blatt- oder Stammbiomasse zu bestimmen. Wie auch bei den optischen Daten kommen überwiegend Regressionsansätze zum Einsatz, die den Zusammenhang zwischen der im Feld gemessenen Biomasse und der gemessenen Rückstreuung beschreiben.

Globales Mosaik von ALOS PALSAR mit einem Pixelabstand von 25 m (0,8 Bogensekunden).
HH+HV-Polarisationskomposit. Quelle: eoPortal

Auch die Radarinterferometrie (InSAR) kann zur Biomassebestimmung eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren werden Vegetationshöhen bestimmt, die als Proxy für Biomasse verwendet werden. Für sehr dichte und hohe Vegetation mit hohen Biomassewerten kann es dazu kommen, dass eine weitere Zunahme der Biomasse nicht mehr von Satelliten detektiert werden kann. Man spricht dann von einer Sättigung des Signals. Eine Steigerung der Sensitivität von Radardaten für die Bestimmung von Biomasse kann durch die Verwendung einer Kombination von interferometrischen und polarimetrischen SAR-Daten (Pol-InSAR) erreicht werden.

LIDAR ist eine weitere, relativ neuartige Technologie, die für die Schätzung und Überwachung von Biomasse von großem Wert ist, insbesondere für die von Wäldern. Hierbei wird, ähnlich wie bei den Radarsystemen, aktiv Strahlung emittiert und die rückgestreute Energie gemessen. Bis vor wenigen Jahren sind vor allem flugzeuggetragene Lidar-Sensoren für die Biomasse-Kartierung zum Einsatz gekommen.

Aus weltraumgestützten Lidar-Daten lassen sich Kennzahlen wie Kronenhöhe, Stammdurchmesser und -dichte ableiten, die zusammen die Biomasse vorhersagen. Diese beobachteten Kennzahlen können dann mithilfe empirischer allometrischer Gleichungen, die speziell für die Lidar-Biomasseabschätzung abgeleitet wurden, in AGB umgerechnet werden. Dieser Prozess wird für verschiedene geographische, klimatische und ökologische Regionen angewendet, um eine genaue globale AGB-Überwachung mit Lidar zu ermöglichen. Zu den gängigen Lidar-Beobachtungsgrößen im Zusammenhang mit Biomasse gehören beschreibende Kennzahlen, Höhenperzentile, Intensitäten und Kronendachbedeckung.

Schematische Darstellung eines weltraumgestützten Lidars Quelle: eoPortal

Relevante Satellitenmissionen

Biomass	Die Mission Biomass (Biomass Monitoring Mission for Carbon Assessment) der ESA nutzt ein P-Band-SAR- und Antennen-Feed-Subsystem, um quantifizierbare Daten zum globalen Kohlenstoffkreislauf zu liefern. Die lange Wellenlänge des P-Bands ermöglicht Einblicke in die Topografie unter dichten Waldkronen sowie in Merkmale von Wüsten und Eisschilden. Die Daten werden verwendet, um internationale Verträge und Abkommen wissenschaftlich zu untermauern, Vorhersagen zur Kohlenstoffdynamik auf Landschaftsebene zu verbessern, Beobachtungen zur Initialisierung und Überprüfung der Landkomponente von Erdsystemmodellen zu liefern, Unsicherheiten im Kohlenstofffluss zu reduzieren und wichtige Informationen für die Bewirtschaftung von Waldressourcen bereitzustellen. BIOMASS wurde am 29. April 2025 gestartet.
Landsat 8	Landsat 8, im Februar 2013 von der NASA gestartet, liefert hochauflösende optische und thermische Infrarotbilder der Erdoberfläche. Der an Bord befindliche Thermal Infrared Sensor (TIRS) erzeugt TIR-Bilder, die zur Überwachung von Hotspots, Lavaströmen und Kratertemperaturen als Frühwarnzeichen für Eruptionen verwendet werden können. Landsat 8 erfasst mit dem Operational Land Imager (OLI) auch Bilder im sichtbaren und infraroten Spektrum, die zur Überwachung von Lavaströmen verwendet werden können, aber auch in Verbindung mit InSAR-Daten zur Überwachung von Bodenverformungen, einem Indikator für vulkanische Aktivität, eingesetzt werden können.
ALOS	Das Programm ALOS (Advanced Land Observing Satellite) der japanischen Weltraumagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) umfasst eine Reihe von L-Band-SAR-Satelliten, deren Aufgabe die Beobachtung von Land und Landwirtschaft, die Katastrophenüberwachung und die Erfassung natürlicher Ressourcen ist. Mehrere Versionen des Phased-Array-L-Band-Synthetic-Aperture-Radar-Instruments (PALSAR) wurden auf ALOS eingesetzt und sind in der Lage, detaillierte Informationen über die Waldstruktur und die Verteilung der Biomasse in verschiedenen Schichten zu liefern. PALSAR-2 an Bord von ALOS-2 ist mit einem interferometrischen Betriebsmodus ausgestattet, der die Erstellung digitaler Höhenmodelle (DEMs) und Interferogramme sowie die Messung einer Reihe von Variablen im Zusammenhang mit Biomasse ermöglicht.
ISS: GEDI	GEDI (Global Ecosystems Dynamics Investigations lidar) ist eine NASA-Mission an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), die Höhenprofile von Wäldern und der Lebensraumqualität auf der Erde erstellt hat. Das Instrument war zwischen Dezember 2018 und März 2023 in Betrieb und wird derzeit gelagert, bevor der Betrieb ab 2024 fortgesetzt werden soll. Das Instrument untersuchte eine Reihe von Klimazonen, darunter die Baumkronenstruktur und Tundra-Umgebungen in nördlichen Breitengraden. Seine Daten werden Wissenschaftlern helfen, Veränderungen der natürlichen Kohlenstoffspeicherung innerhalb des Kohlenstoffkreislaufs zu verstehen. GEDI-Daten wurden bei der Entwicklung von Biomasse-Modellen verwendet, wobei Daten mit den Missionen TanDEM-X und Landsat sowie mit Biodiversitäts- und Lebensraum-Modellen zusammengeführt wurden.
NISAR	A cooperative development between NASA and ISRO (Indian Space Research Organisation), NISAR carries two SARs. One operates in L-band and the other in S-band, making this the first satellite to use two different radar frequencies. L-SAR observes landscape topography and heavily forested areas while the S-SAR monitors soil moisture, particularly in polar regions as S-band frequencies are less perturbed by the ionosphere, presenting a key player in biomass estimation and monitoring. NISAR was launched in July 30, 2025.
Sentinel-2	Copernicus Sentinel-2, eine Konstellation aus zwei optischen Bildsatelliten, ist Teil von Copernicus, dem Erdbeobachtungsprogramm der EU, und wird von der ESA betrieben. Die beiden identischen Satelliten wurden am 23. Juni 2015 gestartet und liefern mit ihren Multispektralinstrumenten (MSI) Erdbeobachtungsbilder, die Daten zu Vegetation, Strahlungsbilanz, Albedo und Reflexion sowie vielseitige Landbilder liefern.
TanDEM-X TerraSAR-X	Tandem und TerraSAR sind Missionen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die aus interferometrischen SAR-Satellitenmissionen bestehen: TerraSAR (TSX) und TanDEM-X (TDX) wurden im Juni 2007 bzw. 2010 gestartet, Tandem-L soll 2028 starten. TDX und TSX sind identisch und unterstützen beide die Erstellung hochpräziser DEMs und DTMs mit Biomasseanwendungen. TanDEM-X (TerraSAR-X-Erweiterung für digitale Höhenmessung) ist eine Erweiterung von TSX, wobei die beiden Satelliten in enger Formation fliegen und ein bistatisches SAR-Interferometersystem bilden. Interferometrische Bilder von TDX finden Anwendung bei der Schätzung und Überwachung von Biomasse sowie bei der Erstellung globaler Waldkarten.
ICESat-2	Die Nachfolgemission von ICESat der NASA, ICESat-2 (Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2), die am 15. September 2018 gestartet wurde, ist mit dem Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) ausgestattet, einer fortschrittlichen Technologie, die hochauflösende Messungen der Erdoberfläche erfasst und gleichzeitig die atmosphärische Rückstreuung von Molekülen, Wolken und Aerosolen ermittelt. Obwohl sie in erster Linie für die Untersuchung von Eisschilden gedacht ist, besteht eines ihrer Hauptziele darin, die Höhe des Vegetationsdachs zu messen, um auf dieser Grundlage die großräumige Biomasse und deren Veränderungen abzuschätzen.

Weitere Informationen:

Above-Ground Biomass (eoPortal)
BIOMASS (ESA earth online)
The ESA BIOMASS mission (eocollege)