Künstliche Intelligenz zur Baumüberwachung

Künstliche Intelligenz hat mittels einer Drohne den kommunalen Baumbestand im Blick und kann frühzeitig Mistel- oder Borkenkäferbefall identifizieren. Ein entsprechendes Projekt führt die Stadt Bamberg aktuell durch.

Baum, Künstliche Intelligenz, Mensch (BaKIM) – so heißt ein Projekt, das die Pflege des Baumbestands in Bamberg wesentlich erleichtern soll. Dazu hebt eine Drohne mit hochmoderner Technik ab, um den aktuellen Zustand der Wald- und Stadtbäume zu erfassen.

Künstliche Intelligenz hilft dabei, die Bäume zu erkennen, zu inventarisieren und auf lange Sicht Baumkrankheiten schneller zu erkennen. Die Stadt Bamberg (Bayern, rund 77.000 Einwohner) kooperiert dabei mit dem Lehrstuhl für Kognitive Systeme der Universität Bamberg.

Seit Januar 2022 arbeitet das Team der Universität gemeinsam mit Smart City Bamberg, dem städtischen Forstamt sowie der Abteilung Grünanlagen und Friedhöfe an der Umsetzung. „Die Kooperation und die enge Zusammenarbeit mit der Uni Bamberg ist uns als Verwaltung besonders wichtig“, so Digitalisierungsreferent Dr. Stefan Goller. Er betont, wie effektiv das Verflechten von städtischem Wissen mit dem Know-How der Uni zusammenwirkt.

Auslöser des Projekts ist die Klimakrise mit ihren wiederholten Dürre- und Trockenjahren. Spätestens seit 2018 steigt der Arbeitsaufwand zur Erhaltung der städtischen Baumbestände in Bamberg enorm. Gleichzeitig ist es durch den Fachkräftemangel und die limitierten Haushaltsmittel der Kommunen schwer, die Arbeitskraft bedarfsgerecht zu erhöhen. Um die vorhandenen personellen Ressourcen effizienter einzusetzen, bedarf es kreativer technischer Lösungen – hier kommt BaKIM ins Spiel.

Bei BaKIM werden zwei verschiedene Drohnen, Satellitenaufnahmen und Bodenfeuchtigkeitssensoren eingesetzt – ein umfassendes System, das Daten sammelt und sie mithilfe verschiedener Verfahren auswertet. So werden beispielsweise Informationen über die Baumbestände erhoben und unter anderem folgende Fragen geklärt: Wo stehen bisher unentdeckte tote Bäume? Wo häuft sich ein Mistelbefall? Wo gibt es großflächige Kronenverfärbungen, die auf einen Borkenkäferbefall hindeuten können?

Um die Daten von oben zu sammeln, klappt die Drohne Trinity F90+ die Rotoren an den Flügeln nach oben und startet senkrecht in die Luft, um dann schnell in den Gleitflug über zu gehen. Mit 239 Zentimetern Flügelspannweite und ihrer speziellen Bauweise kann die Drohne entsprechend lange in der Luft bleiben. Bis zu 90 Minuten am Stück gleitet sie über die Wälder, um so an einem Tag den gesamten südlichen Stadtwald mit Fotos oder sogenannter Multispektralsensorik zu erfassen. Voraussetzung ist entsprechend gutes Wetter.

Sehr wichtig in Zeiten des Klimawandels

Mit Hilfe der technischen Möglichkeiten können in kurzer Zeit große Areale in den Blick genommen werden. Baumpfleger und Förster sind zwar um einiges flexibler und genauer im Erkennen der Baumart und des Baumzustands. Allerdings sind sie bei Forstflächen und Baumbeständen wie Stadtparks nicht in der Lage, alle Bäume zu prüfen – erst recht nicht regelmäßig.

Hier kommen die Vorteile der Drohne und der Künstlichen Intelligenz zum Tragen: Mit deutlich weniger Aufwand kann zumindest die oberste Schicht des Bestands regelmäßig erfasst und eine grobe Einschätzung der Baumvitalität geliefert werden.

Projektleiter Johannes Hölzel, Leiter des Forstamts Bamberg, betont: „Die Software kann uns erheblich unterstützen, um in Zeiten des Klimawandels den erhöhten Mehraufwand effizienter koordinieren zu können. BaKIM wird den Förstern und Baumpflegern mit wenigen Klicks zeigen, wo sie eingreifen müssen und ein zweiter, menschlicher Blick sich lohnt.“

Durch die Software können demnach Baumschäden entdeckt werden, die sonst nur zufällig entdeckt worden wären. Außerdem ist ein zusätzlicher wichtiger Aspekt der Software die sogenannte Bauminventarisierung. Dabei werden mit den trainierten Neuronalen Netzen der künstlichen Intelligenz einzelne Bäume in den georeferenzierten Drohnenaufnahmen erkannt. So können in den kommenden Jahren die Veränderungen im Baumbestand gezielt erfasst und dargestellt werden.

Professorin Ute Schmid von der Universität Bamberg ergänzt: „Das Projekt BaKIM ist eingebettet in die vielfältigen Forschungsaktivitäten zu menschzentrierter Künstlicher Intelligenz an der Universität Bamberg. Ich freue mich sehr, dass wir unsere Methoden zu interaktivem und vertrauenswürdigem Maschinellem Lernen in einem für nachhaltige Entwicklung so relevanten Bereich der Baumgesundheit in unserer Region umsetzen können.“

Über eine interaktive Webapplication werden die Informationen dargestellt und den Förstern und Baumpflegern ermöglicht, sie flexibel sowie bedarfsgerecht zusammenzustellen. Die Webapplication wurde in enger Zusammenarbeit an die Bedürfnisse der Förster und Baumpfleger angepasst. Einen ersten Prototypen gibt es seit Sommer, und mit dem Feedback der Nutzer soll er bis März 2024 verbessert werden — dann endet die offizielle Projektlaufzeit. Die Pilotsoftware soll zu diesem Zeitpunkt auch weiteren Kommunen vorgestellt werden.

Ein Ausbau der Funktionalitäten soll mit weiteren Kommunen in einem Anschlussprojekt realisiert werden. Ab März 2024 wird BaKIM dann Teil des Förderprogramms „Modellprojeke Smart Cities“ des Bundesministeriums für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen (BMWSB) sein. Im Rahmen von Smart City Bamberg ist die Stadt schon jetzt dabei, zusätzlich in anderen Bereichen wie Mobilität, Bürgerengagement und einem 3D-Stadtmodell den Alltag der Bürger mit technischen Mitteln zu erleichtern.

Jonas Troles