Copernicus: Satellitendaten für Klimaforschung - Climate Change Centre Austria

...wussten Sie, dass die Aufnahmen zur Luftgüteverbesserung in China (earthobservatory.nasa.gov) und Italien (esa.int) seit den Corona-Virus Restriktionen von den Satelliten der ESA namens Sentinel 5p stammen? Auch wenn die NASA die Auswertungen publik gemacht hat, verfügt die ESA mit ihrem Copernicus Programm und den mittlerweile sieben Sentinel Satelliten über etliche Messinstrumente, die unter anderem für Luftverschmutzung und Klimawandel relevante Aufnahmen machen.

Durch Messungen im ultravioletten und sichtbaren Bereich sowie in einigen Infrarot-Wellenlängen-bereichen, können fast alle wichtigen Gase im Zusammenhang mit Luftqualität und Klimawandel, wie Stickstoffoxid, Ozon, Formaldehyd, Schwefeldioxid, Methan, Kohlenmonoxid sowie Feinstaub (Aerosole), erfasst werden. Mit einem anschaulichen Beispiel zeigt Marcus Hirtl von der ZAMG den Mehrwert der Sentinel 5p Satellitendaten über Österreich. In den beiden Abbildungen sind Messungen der NO2 Säule aus den Jahren 2019 und 2020 (seit Beginn der Maßnahmen zur Bekämpfung der Ausbreitung des COVID-19 Virus) visualisiert. Die Daten wurden auf der webbasierte Datenplattform TOP (http://top-platform.eu/) dargestellt.

Weitere Informationen zu den Copernicus Services und der COVID-19-Forschung sind auf folgender Seite zu finden: https://atmosphere.copernicus.eu/copernicus-provides-vital-information-advance-co-vid-19-research

1. Europäisches Erdbeobachtungsprogramm Copernicus

Was ist Copernicus (www.copernicus.eu)?

Copernicus ist das weltweit umfassendste und von seinen Nutzern definierte Erdbeobachtungsprogramm. Österreichs Wissenschaft und Industrie sind bei der Umsetzung besonders stark eingebunden. Sowohl die Spezifikationen der Satelliten, als auch die davon abgeleiteten Dienste und Informationen werden von den User Communities bestimmt und können über die österreichischen Copernicus Delegierten direkt an die europäische Kommission und ESA gemeldet werden. Heute produzieren Copernicus‘ „hauseigene“ Sentinel Satelliten (dzt. sieben im Orbit) non-stop den wichtigsten Rohstoff unserer Zeit: Information und zwar 20 Terabyte täglich = je nach Sensor tägliche bzw. wöchentliche Abdeckung des gesamten Planeten!

Die Verknüpfung von Satellitendaten mit unzählige vorhandene in-situ Sensoren auf Land, Wasser und in der Luft spiegelt sich in den bisher sechs thematischen Copernicus-Diensten (insgesamt über 2000 spezifisch aufbereitete und laufend aktualisierte Informationsprodukte) wider, die ebenfalls offen zugänglich und kostenfrei sind.

Die Dienste betreffen:

Copernicus Land Monitoring Service (CLMS):

insbesondere Landoberfläche und deren Veränderung, inklusive Binnengewässer), die kontinuierlich erhobenen Daten bilden die Basis für Veränderungen der Landnutzung, die Städteplanung, das Wassermanagement, die Waldüberwachung, die Landwirtschaft und die Erarbeitung thematischer Karten.

Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS):

insbesondere Zusammensetzung der Atmosphäre auf globaler Ebene (Ozon- und Kohlenmonoxid-Verteilung sowie Aerosolinformation als tägliche Vorhersage) sowie Luftqualität in Europa mit 3-Tages-Prognose von Ozon, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid sowie Feinstaub.
Nitrogen dioxide over Siberian pipelines.

Copernicus Climate Change Service (C3S):

insbesondere Klimaindikatoren (Temperaturanstieg, Ozeanerwärmung, etc.) und Indizes (Temperatur, Niederschlag, Dürreereignis-Aufzeichnung).

Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS):

insbesondere Oberflächentemperatur, Salzgehalt, Strömung, Seegang und Wind, Wasserfärbung (Chlorophyll/Algen), Eisgang und Eisbergdrift sowie Meeresspiegelhöhe.
Katastrophen- und Krisenmanagement, insbesondere Frühwarnung und Detailinformationen für Einsatzkräfte bei Naturkatastrophen, humanitären Krisen und anderen Notfallsituationen.

Copernicus Service for Security:

Beobachtung zur maritimen Sicherheit und damit verbundene Aktivitäten, wie die Sicherheit der Schifffahrt, die Unterstützung der Fischereikontrolle, die Bekämpfung der Meeresverschmutzung und die Strafverfolgung auf See.
Überwachung der EU-Außengrenze und Unterstützung von EU-Einsatzkräften.

Welchen Beitrag leistet Copernicus für Klima und Umwelt?

Copernicus erhöht den Zugang zu klimaforschungsrelevanten Daten

Copernicus liefert die weltweit qualitativ besten und umfassendsten offen zugängliche EO und Insitu und Reanalyse Daten. Europa stellt damit ein unverzichtbares Werkzeug für die Überwachung der UN Klimavereinbarungen, insbesondere Klimarahmenkonvention (UNFCCC), UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs), und Sendai Framework for Disaster Risk Reduction zur Verfügung.
objektive und kontinuierliche Bereitstellung über C3S der wichtigsten der atmosphärischen Essential Climate Variables (ECV) durch das ECMWF und europäischen Datenprovider im Rahmen des UN Global Climate Observing System (GCOS)

Copernicus fördert Wissenschaft & Wirtschaft

Copernicus steht für eine neue Ära der Erdbeobachtung. Mit dem Start der Sentinel-Satelliten und der Verfügbarkeit der operationellen Copernicus- Dienste sind die ersten Ansätze einer „Copernicus-Wirtschaft“ entstanden, die sich in der Form von Anwendungen in den nachgelagerten Märkten erkennbar macht. Ein spezielles Hauptaugenmerk gilt dabei den folgenden Querschnittsthemen:

Durchsetzung des Umwelt- und Klimaschutzrechts durch automatisierte Überwachung (z. B. Treibhausgasinventur EU-VO LULUCF koordiniert vom UBA, Luftqualitätsmonitoring der ZAMG)
Betrieb von Infrastruktur: Schutz von Schienen-, Straßen- und Energienetzen durch frühzeitige Er-kennung von Bodenbewegungen und Baumbruch; Überwachung der Wasserwege für die Binnenschifffahrt
Energieproduktion: Identifizierung der besten Standorte für Solar-, Wind- und Wasserkraftwerke; flächendeckendes Monitoring von Eis-/Schnee und damit genaue Schmelzwasservorhersagen (z. B. Verbund)
Parkraumbewirtschaftung: Vorhersage freier Parkplätze spart Treibstoff
Forst-/Landwirtschaft: effiziente Auswahl der Feldfrüchte, Bewässerung und Düngung; planbare und nachhaltige Produktion von Biomasse, Gewährleistung von Ernährungssicherheit, Überwachung von Förderflächen durch die AMA.
Wasserversorgung: gezieltes Management der Wasservorkommen
Hochwassermanagement und Bodenfeuchtemonitoring
Meere: Überwachung der Fischerei, gezielte Entfernung von Plastikmüll

Künftige Schwerpunkte im Zusammenhang mit den Copernicus Diensten, im EU Green Deal, der EU Digital Agenda... werden zukunftsweisende Ziele definiert und in Copernicus implementiert

Globale Überwachung von CO2- und anderen Treibhausgasemissionen.
Bessere Abdeckung der Polarregionen.
Anwendung von Big Data Analytics und Künstlicher Intelligenz, um die riesigen Datenmengen verarbeiten zu können.
Nitrogen dioxide over Europe

2. Rechner- und Dateninfrastruktur

Alle Daten der Sentinel Satelliten sind frei zugänglich – allerdings bedarf es für eine aussagekräftige Verarbeitung, neben dem Know-How zur Prozessierung, vor allem die Rechnerkapazitäten. Um Ihnen diese Hürden zu erleichtern, gibt es in Österreich mehrerer Einrichtungen und Organisationen, die hierzu die nötigen Ressourcen haben. Österreich verfügt bereits seit 2014 mit Gründung des Earth Observation Data Centers (EODC) an der TU Wien über eines der europaweit ersten Erdbeobachtungsdatenarchive kontinuierlicher Zeitserien für Sentineldaten.

Die Infrastruktur wurde u. a. mit Hochschulstrukturmittel (HRSM) des BMBWF aufgebaut und wird bereits föderativ von vielen Forschungseinrichtungen (z. B. AIT, BOKU, Joanneum Research, Uni Graz--Climate Change Graz--Wegener Center, ZAMG) genutzt.

Darüber hinaus betreibt die ESA über das Copernicus Climate Change Service (C3S), welches Daten und Informationen über das vergangene, gegenwärtige und zukünftige Klima in Europa aber auch weltweite Daten zur Verfügung stellt. Unerwähnt sollten dabei auch die Prozessierungs- und Daten-infrastrukturen der Copernicus DIAS (Data and Information Access Services) https://www.copernicus.eu/en/access-data/dias und für die Forschung freie Rechenressourcen des ECMWF, welche die ZAMG jährlich auch über das CCCA ausschreibt, sein.

3. GEOCLIM

Ebenfalls mit HRSM Investitionsmitteln für Infrastrukturen werden im Projekt GEOCLIM Data Infrastructure Austria die bestehenden Datenzentren Earth Observation Data Centre (EODC) und Climate Change Centre Austria–Data Centre (CCCA-DZ) weiter ausgebaut, mit den Hochleistungscomputern des Vienna Scientific Cluster (VSC am Standort Arsenal; www.vsc.ac.at) und den HPC CIRRUS Facilities der ZAMG verbunden werden. Dies schafft international konkurrenzfähige Rechen- und Speicherkapazität für Monitoring und Modellierungen (z. B. von Klima, Atmosphäre, Landoberfläche, Wasserhaushalt, Ökosystemen) und fördert die Intensivierung der Kooperation der acht Projektpartner (Lead-Universität Uni Graz) in wissenschaftlicher Forschung und Anwendungen.

GEOCLIM unterstützt damit nachhaltig die Etablierung und den weiteren Ausbau wichtiger Zukunftsthemen in Österreich, wie satelliten-gestützte Erdbeobachtung, Klimamodellierung und Klimaforschung, sowie Risikomanagement und Ökosystemsimulation.

Das CCCA als Forschungsnetzwerk setzt sich mit seinen Expert_innen und Forschergruppen an den Universitäten für den österreichischen Zugang zu fachspezifische Infrastrukturen ein. Dazu gehören internationale Partnerschaften wie PRACE Partnership for Advanced Computing in Europe und EGI – European Grid Initiative, welche Computerdienste zur Unterstützung von Wissenschaftlern, multinationalen Projekten und Forschungsinfrastrukturen liefern.

4. CopHub.AC – Copernicus Academy Hub for Knowledge, Innovation and Outreach

Die Copernicus - Academy steht als ein agiles Netzwerk von mehr als 150 Institutionen in Europa und weltweit, für den Austausch neuer Ideen, innovativen Tools, um die Akzeptanz von Copernicus Daten, -Produkten und -Dienstleistungen zu stimulieren.

Das Projekt CopHub.AC fördert die Schaffung von Wissenszentren, sowohl physischer (sog. regional hubs) als auch virtueller Art, um das Potenzial der vernetzten Zusammenarbeit voll auszuschöpfen. Z_GIS als CopHub.AC Koordinator möchte mit gezielten strategischen Maßnahmen die Copernicus-Academy als Wissens- und Innovationsplattform nachhaltig etablieren. Dies wird unter anderem durch thematische Arbeitsgruppen, einer Wissenslandkarte und einen adaptiven Innovationsprozess zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlicher Verwaltung erreicht. Weitere Informationen sind unter www.cophub-ac.eu und https://obia.zgis.at/geobia-summer-school-2020/ zu finden.

5. Österreichische Förderprogramme

ASAP fördert die Anwendung von Satellitendaten, insbesondere in neuen, bislang nicht geförderten Organisationen. Außerdem wird bei der Ausschreibung im Herbst 2020 der Schwerpunkt auf Anwendungen für den Klima- und Umweltschutz liegen.

Wir werden Sie informieren, sobald die Ausschreibung zugänglich ist!

Im Rahmen des vom BMK finanzierten Austrian Space Applications Programms ASAP, wurden in zwei ASAP Projekten das Datenmanagement Framework der Open Data Cubes für Zeitreihenanalysen (Austrian Data Cube, Sen2Cube), etwa zur Bodenfeuchtigkeit in Österreich, implementiert und mit eigenen Analysetools von EODC, wie auch den semantischen Layer für Abfragen in natürlicher Sprache als Entwicklung der Uni Salzburg.

6. Austrian Data Cube

Der Austrian Data Cube (A-Cube) liefert ein System, welches Copernicus Daten (Sentinel 1 & 2) für die breite Öffentlichkeit zugänglich und analysierbar macht. Die Daten werden in einer gerasterten, mehrdimensionalen Datenbank bereitgestellt, die die Satellitendaten in Zeitreihen in hoch standardisierter und harmonisierter (radiometrischen, geometrisch korrigierten) abrufbar macht.

Die Cloud-basierte Speicher- und Verarbeitungsumgebung ermöglicht das direkte Herunterladen gebrauchsfertiger Daten für spezifische Untersuchungsgebiete, ohne die zeitaufwändigen Vorverarbeitungsschritte durchführen zu müssen. A-Cube ist ein Gemeinschaftsprojekt von EODC, TU Wien, BOKU, dem BMLRT und BMLV.

https://austriandatacube.eodc.eu/xwiki/bin/download/Main/WebHome/EODC_Flyer_ACube.pdf

7. Sentinel-2 Semantic Data Cube Austria

Im Rahmen des FFG-ASAP-Projektes Sen2Cube.at (Sentinel-2 Semantic Data Cube Austria, www.sen-2cube.at) wurde der weltweit erste Prototyp eines semantischen Datenwürfels für Satellitenbilder der Copernicus Sentinel-2 Erdbeobachtungssatelliten entwickelt. Sen2Cube.at bietet neue und innovative Funktionen zu semantischer, inhaltsbasierter Bildsuche und Bildanalyse aller erfassten Sentinel-2 Bilder von Österreich in benutzerdefinierten Regionen (AOI) und zeitlichen Intervallen.

Ein semantischer Datenwürfel für Erdbeobachtungsdaten wird dabei als raumzeitlicher Datenwürfel definiert, worin für jede Beobachtung mindestens auch eine nominale (d. h. kategorische) Interpretation verfügbar ist und in derselben Instanz abgefragt werden kann [Projektlead: Fachbereich Geoinformatik – Z_GIS, Uni Salzburg. Partner: Spatial Services, AMA, ZAMG]

Ein weiteres Projekt (SemantiX - A cross-sensor semantic EO data cube to open and leverage essential climate variables with scientists and the public) aus dem aktuellen ASAP Call erweitert das Konzept des semantischen Datenwürfels auf AVHRR und Sentinel-3 Daten, um essentielle Klimavariablen aus langen Satellitenbildzeitreihen sowohl für Wissenschaftler als auch über eine mobile App für die breite Öffentlichkeit zugänglich und nutzbar zu machen [Projektlead: Fachbereich Geoinformatik – Z_GIS, Uni Salzburg. Partner: Universität Bern, Spatial Services, SPOTTERON]

8. GEO - Group on Earth Observation in Österreich

GEO Österreich wird im Auftrag des BMBWF durch die ZAMG koordiniert. Dieses Netzwerk verbindet Regierungsinstitutionen, Forschungseinrichtungen, Datenanbieter, Unternehmen, Wissenschaftler und Experten, um innovative Lösungen für globale Herausforderungen in Zeiten des exponentiellen Datenwachstums und den genannten Prioritäten zu entwickeln.

Aktuelle Infos sind in den NEWS No. 1, vom 27. März 2020 enthalten.

GEO Community Response to COVID-19: http://earthobservations.org/covid19.php