GARRULUS

Problem

Die immer häufiger auftretenden klimatischen Extreme sowie ein hoher Schädlingsdruck haben in den letzten Jahren in Deutschland zu Absterbeerscheinungen und Vitalitätseinbußen bei den Hauptbaumarten geführt. Insbesondere bei der Gemeinen Fichte (Picea abies (L.) Karst.) sind in Folge des Sturms Friederike im Frühjahr 2018, der anschließenden mehrjährigen Dürreperiode und einer Massenvermehrung von Borkenkäfern (Ips typographus, Pityogenes chalcographus) großflächige Schadflächen entstanden. In NRW gelten 50% aller Fichtenvorräte als verloren. Folglich müssen etwa 135.000 Hektar Schadflächen wieder in Bestockung gebracht werden [1].

Als Ergebnis des nationalen Waldgipfels 2021 wurde festgehalten, dass für die Wiederaufforstung von 2.673 ha zwischen Januar 2020 und März 2021 im Schnitt 8.979€ pro Hektar Förderbeiträge gezahlt wurden. Diese entsprechen je nach Antragssteller 40-90% der angefallenen Gesamtkosten für die Wiederaufforstung [2]. Nach einer Studie auf Basis von Satellitendaten von Thonfeld et al. [3] ist durch die Kalamitätsjahre 2018-2021 in Deutschland ein Verlust von 501.000 ha Beschirmung zu verzeichnen. Von diesem Schadvolumen geht auch die Fachagentur Nachhaltige Rohstoffe (FNR) aus [16]. Einer Risikoanalyse des Thünen-Instituts nach gelten die Waldbestände auf weiteren 2,85 Millionen Hektar (25% der Waldfläche) aufgrund ihrer Baumartenzusammensetzung als besonders empfindlich gegenüber Trockenheit bzw. Dürreereignissen [4].

Die von Seiten der Forstwirtschaft ergriffenen Maßnahmen zur Eindämmung der Schäden durch den Borkenkäfer werden aufgrund der hohen Populationsdichte voraussichtlich nur in Teilbereichen ihre Wirkung entfalten. Um die Waldfunktionen mit ihren vielfältigen Schutzmechanismen zu sichern, muss eine Wiederbewaldung mit standortgerechten Baumarten geschehen. Die fachgerechte Wiederherstellung eines gesunden zukunftsfähigen Waldbestandes unter Berücksichtigung von Naturschutz- und FSC-Auflagen ist für Waldbesitzer*innen und Forstverwaltungen eine nie dagewesene Herausforderung. Engpässe beim Saat- und Pflanzgut, aber auch in den Bereichen Personal und Finanzen werden bereits jetzt deutlich. Die Wiederherstellung ist auch mit immensen Förderausgaben für das BMEL verbunden. Daher sind Möglichkeiten für Einsparungen, Effizienzsteigerung, Extensivierung und Erfolgsmonitoring zu prüfen.

Unser Lösungsansatz im Projekt Garrulus

Ziel des Projekts “Garrulus” ist es schnelle, zuverlässige und kostengünstige Methoden für die Wiederaufforstung und das Monitoring geschädigter deutscher Waldflächen entwickelt werden. Die Direktsaat von Bäumen bietet den Sämlingen ein standortangepasstes Wachstum und ermöglicht resiliente Bäume anwachsen zu lassen. Da forstliches Vermehrungsgut nur beschränkt zur Verfügung steht, sollte die Aussaat gezielt, an Mikrostandorten mit den bestmöglichen Bedingungen erfolgen. Innovative Technologien wie unbemannte Luftfahrzeuge (ugs. Drohnen) und künstliche Intelligenz sollen die Effizienz und Effektivität der Direktsaat durch eine präzise Saatplanung, zielgerichtete Drohnensaat und anschließendem Verjüngungsmonitoring praxistauglich machen.

Das Projekt grenzt sich von bestehenden Methoden der Drohnendirektsaat durch eine wissenschaftliche Betrachtung zentraler Aspekte ab. Insbesondere die Zusammenhänge von Makro- und Mikro-Standortfaktoren, methodischem Vorgehen im Verfahren und der Wahl des Saatgutträgers zu Keim- und Etablierungsrate erfordert systematische Tests. Das angestrebte luftgestützte Direktsaatverfahren, das im Rahmen dieses Projekts weiterentwickelt werden soll, zielt darauf ab die Saatguteffizienz zu steigern. Dabei soll das Verfahren die Saat zielgenau in den Boden einbringen sodass Mineralbodenkontakt hergestellt wird. Des Weiteren soll in diesem Vorhaben ein Vermessungssystem auf Basis unbemannter Luftfahrzeuge entwickelt werden welches die Fläche vor der Saat umfangreich analysiert und bei der Saatplanung unterstützt. Zudem soll es auch dazu genutzt werden den Etablierungserfolg zu messen und das Wachstum des Jungbestands zu begleiten.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine speziell angefertigte Sensornutzlast entwickelt und an der Drohne angebracht, die in der Lage ist, verschiedene Arten von Daten mit sehr hoher Auflösung zu erfassen. Es werden auch hochauflösende 3D-Karten und digitale Zwillinge erstellt, die den Waldboden zentimetergenau erfassen und repräsentieren.
Die in hoher Auflösung erfassten Daten werden zur Entwicklung modernster Systeme der künstlichen Intelligenz verwendet, die in der Lage sind, den Waldboden detailliert zu analysieren, d. h. Objekte einschließlich der Vegetation zu erkennen, zu klassifizieren und zu segmentieren. Daraus werden Standortmerkmale (z. B. der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens) geschätzt und für die Ausbringung neuen Saatguts an geeigneten Stellen für die Wiederaufforstung analysiert.

Wir hoffen, dass diese Arbeit zur Nachhaltigkeit und Anpassung an den Klimawandel durch Aufforstung beiträgt, indem sie der Öffentlichkeit und der Forstwirtschaft Erkentnisse über den Waldzustand liefert und die Ihnen bei der Entscheidungsfindung für eine schnelle, zuverlässige und kostengünstige Aufforstung helfen.

Dabei arbeiten wir gemeinsam mit den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Zentrums für Wald und Holzwirtschaft (Arnsberg).