Der blau markierte Japanische Staudenknöterich, wie ihn die künstliche Intelligenz auf einem Orthofoto darstellt.Bilder: Universität Zürich

Zeitschriften | Verband & Politik – Lesezeit 2 min.

Modernen Ansätzen zum Trotz bleibt noch immer viel Handarbeit

Der Kampf gegen invasive Neophyten ist eine Sisyphusarbeit: Kaum ist ein Gebiet gesäubert, kann man quasi wieder von vorne beginnen. Ein Schweizer Konsortium hat nun aber einen Ansatz erarbeitet, mit dem die Pflanzen grossflächig und effizient detektiert werden können.

Ralph Möll | Neophyten und Neozoen sind zwar bisweilen schön anzusehen, sie können sich aber auch schnell zu einer Bedrohung für Ökosysteme, in die sie eindringen oder eingebracht werden, entwickeln. In diesem Fall spricht man von invasiven Arten, die einheimische verdrängen und damit die Biodiversität beeinträchtigen.

Dass in Mitteleuropa in den letzten Jahren vermehrt solche Neobiota aufgetaucht sind, hat mit der forcierten Globalisierung und den Warentransporten rund um die Welt zu tun. Mit diesen Waren reisen nämlich immer wieder und immer mehr Organismen aus fremden Ökosystemen mit, die sich hier mangels Fress- oder anderer Feinde breitmachen können. Und wird eine Spezies in einem Ökosystem schliesslich zu dominant, leidet darunter die Biodiversität.

Lohnt es sich überhaupt?

Schwarzmaler bezeichnen den Kampf gegen invasive Arten bereits als verloren – noch bevor er richtig begonnen hat. In der Tat scheint es schwierig bis aussichtslos, dieser Bedrohung des heimischen Ökosystems Herr werden zu können. Zu viele Organismen breiten sich bereits in zu vielen verschiedenen Bereichen aus: von der China-Palme im Tessin über den Japankäfer bis zur Quagga-Muschel im Zürichsee, um nur einige zu nennen. Der fortschreitende Klimawandel begünstigt die Ausbreitung fremder Arten zusätzlich. Da heimische Arten bereits durch Trockenheit und kürzere Erholungsphasen aufgrund wärmerer Winter geschwächt werden, sind sie noch weniger in der Lage, sich gegen Neobiota zur Wehr zu setzen.

Die Bekämpfung dieser Organismen gleicht einer Sisyphusaufgabe: Kaum hat man ein Gebiet erfolgreich gesäubert, kann man im Prinzip wieder von vorne beginnen – wenn eine vollständige Entfernung überhaupt noch möglich ist. So wurden etwa in den vergangenen Jahren im Tessin jeweils 2 bis 4 Millionen Japankäfer pro Jahr eingesammelt. 2025 waren es bereits 10 Millionen, was aber noch lange nicht der vollständigen Population im Südkanton entsprechen dürfte. Die Mühen der Bekämpfung von Neobiota scheinen aber nicht bloss sinnlos wie bei Sisyphus, sie sind darüber hinaus auch eklatant teuer und personalintensiv. Ohne wirksame Bekämpfung geht die EU beispielsweise von einer Schadenssumme von 2,4 Milliarden Euro an Kultur- und Zierpflanzen aus – pro Jahr und nur wegen des Japankäfers. In der Schweiz wird allein dem Einwanderer aus Fernost ein jährliches Schadenpotenzial von 200 bis 300 Millionen Franken zugetraut. Und dabei ist der Japankäfer beileibe nicht die einzige invasive Art in der Schweiz.

Mit Drohnen und künstlicher Intelligenz

Solche Zahlen sind gute Argumente, um die Flinte nicht voreilig ins Korn zu werfen und um nach Lösungen zu suchen, um die Neobiotaplage seriös anzugehen. Einen möglichen Ansatz zur systematischen, grossflächigen und kostengünstigen Erkennung nicht heimischer Pflanzen hat ein Schweizer Forschungskonsortium im Rahmen eines Innosuisse-Projekts entwickelt: ein Neophytenradar, das mittels Drohnen und künstlicher Intelligenz (KI) nicht heimische Pflanzen aufspüren kann. KI ist zwar schon heute in der Lage, auf hochaufgelösten Bildern bestimmte Pflanzen oder Tiere zu erkennen; hier geht es aber um Luftaufnahmen aus grosser Höhe, in denen kleine Neophyten nur wenige Bildpixel gross sind und sich so oft kaum von einheimischen Pflanzen unterscheiden.

Am Projekt beteiligt waren das Technologie-Innovationszentrum CSEM, die Universität Zürich, die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) sowie die SBB und ExoLabs GmbH als Umsetzungspartner. Mit ein Auslöser für das Projekt war die revidierte Freisetzungsverordnung, welche das Bundesamt für Umwelt (BAFU) am 1. März 2024 publiziert hatte und die am 1. September 2024 in Kraft trat. Die neue Verordnung führte neben einem Inverkehrbringungsverbot für gewisse Pflanzen auch ein Umgangsverbot, also ein Verbot sämtlicher Tätigkeiten wie des Verwendens, Verarbeitens, Vermehrens und Veränderns dieser Neophyten, ein. Erlaubt blieb einzig die Bekämpfung dieser Pflanzen.

Silvio Müller, Entwicklungsingenieur Robotik & Computer Vision beim CSEM, fasst die Funktionsweise der erarbeiteten Lösung wie folgt zusammen: «Mit einer Drohne, die eine feste Bahn abfliegt, werden hochauflösende Einzelbilder des zu behandelnden Gebiets erstellt, die anschliessend zu einem Orthofoto zusammengefügt werden.» Ein Orthofoto ist eine verzerrungsfreie und massstabgetreue Abbildung der Erdoberfläche, die durch Bildmessverfahren aus Luft- oder Satellitenbildern abgeleitet wird. Auf diesem hochaufgelösten Plan kann eine entsprechend trainierte KI schliesslich sowohl Position als auch Art der Neophyten markieren. Gegenüber den bisherigen zeitaufwendigen und teuren Begehungen, die nötig waren, um Neophyten zu kartieren, dürfte diese Methode deutlich effizienter und günstiger sein.

Grosse Flächen und viele Arten gleichzeitig

Mit Drohnen und entsprechend geschulter KI können nämlich nicht nur grössere Gebiete in kürzerer Zeit kartiert, sondern auch mehrere Pflanzenarten gleichzeitig erfasst werden. Aktuell funktioniere das mit sechs Arten ziemlich gut, sagt Silvio Müller, der als Projektingenieur im Projekt mitgearbeitet hat. Die Software erkennt den Götterbaum (Ailanthus altissima), den Essigbaum (Rhus typhina), den Schmetterlingsflieder (Buddleja davidii), den Japanischen Staudenknöterich (Reynoutria/Fallopia japonica), das Orientalische Zackenschötchen (Bunias orientalis) sowie das Schmalblättrige Greiskraut (Senecio inaequidens).

Dass die KI die erwähnten Neophyten auf dem Orthofoto richtig erkennt, belegt der sogenannte F1-Score. Dieser Wert macht eine Aussage darüber, wie gut die KI «gelernt» hat. Ein Wert von 100 gilt als perfekt; das Ziel in diesem Projekt war, einen Wert von 80 zu erreichen. «Das haben wir bei fünf von sechs Arten erreicht. Nur beim Greiskraut, das auch mit blossem Auge schwierig zu erkennen ist, lag der Wert darunter. Mit diesem Ergebnis sind wir zufrieden.» Pflanzen mit eindeutigen Merkmalen, wie zum Beispiel die eher grossen Blätter des Japanischen Staudenknöterichs, sind für eine KI einfacher zu erkennen. Auch auffällige Phänostadien können zur Identifikation einer Pflanze beitragen.

KI-Training basiert auf Arbeit im Feld

Um die Projekt-KI zu trainieren, war klassische Arbeit im Feld von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der ZHAW nötig. Nachdem das Orthofoto aus den hochaufgelösten Bildern erstellt worden war, nahmen die ZHAW-Biologinnen und -Biologen dieses mit ins Feld, um darauf die Neophyten zu markieren und richtig zu klassifizieren. Durch die Verarbeitung dieser Daten war die KI anschliessend in der Lage, Neophyten zu detektieren und korrekt zuzuordnen. Aus den Einzelbildern des Orthofotos lässt sich auch ein 3D-Modell des aufgenommenen Gebiets erstellen. Das ist für die Arbeit der KI wichtig, denn so kann sie unterscheiden, ob es sich bei einem fotografierten Objekt um einen Baum mit einer gewissen Höhe oder einen niedrigeren Busch handelt.

Apropos Baum: Ist die Neophytenidentifikation mit dieser Lösung auch im Wald möglich? Silvio Müller ist skeptisch: «Unser Ansatz beruht auf einem reinen Überflug, und zwar mit einer Drohne, deren Rotordurchmesser rund achtzig Zentimeter beträgt. Eine so grosse Drohne durch einen Wald zu steuern, ist viel komplexer und eine viel grössere Herausforderung, als das Gerät über ein offenes Feld zu manövrieren.» Beim Überflug über einen Wald verhindern hingegen die belaubten Baumkronen den Blick bis auf den Boden hinunter, wo die meisten invasiven Neophyten wachsen. Und weil viele Neophyten ihre Blätter in der kalten Jahreszeit ebenfalls verlieren, brächten solche Überflüge auch im Winter nur wenig verwertbare Resultate. «Für den Wald braucht es einen anderen Ansatz mit kleineren Drohnen und einer leistungsfähigere Navigations-Software.»

Kameras, die so hochauflösende Bilder anfertigen können, sind schwer, weshalb die Drohnen eine gewisse Grösse haben müssen. Weil deren Einsatz spezielle Bewilligungen voaussetzt, kam dafür die Rhomberg Sersa Rail Group zum Zug. Als eines von wenigen Unternehmen in der Schweiz verfügt das Bahntechnikunternehmen mit Hauptsitz in Zürich und Bregenz (AUT) über eine solche Bewilligung. Deshalb und auch wegen der eingesetzten Technologie, welche die nötigen hochauflösenden Bilder überhaupt erst ermöglicht, haben solche Drohnenüberflüge ihren Preis. Die 50 Flüge, die während des Projekts absolviert wurden, dürften jeweils einen tiefen vierstelligen Betrag gekostet haben, schätzt Silvio Müller. Angesichts der weiter oben zitierten potenziellen Schadenssummen relativieren sich diese Kosten aber.

Aktuell befindet sich das Projekt in einer Übergangsphase. Der Innosuisse-Projektrahmen war auf zweieinhalb Jahre ausgelegt und läuft dieser Tage aus. «Unsere Lösung könnte grundsätzlich schon produktiv eingesetzt werden», erklärt Silvio Müller. «Dazu benötigen wir jedoch einen Partner, der die Lösung kommerzialisieren kann.» Man lote im Moment mit Innosuisse auch Möglichkeiten für ein Folgeprojekt aus, um die Lösung noch weiterzuentwickeln. Orthofotos seien zwar nützlich, dennoch gingen in ihnen viele Informationen aus den hochaufgelösten Originalbildern verloren. «Könnte man der KI mehr Einzelbilder zeigen, erhielte sie mehr Informationen zur Verarbeitung. Ausserdem könnten neu aufkommende KI-Ansätze die Arbeit im Feld reduzieren.»

Noch keine automatisierte Entfernung

Zwar sind solche Methoden zur einfacheren, kostengünstigeren Identifikation und Dokumentation von Neophyten auf Kulturland sicher ein richtiger und wichtiger Ansatz. Allein die Entfernung dieser Gewächse bleibt vorderhand Handarbeit. Es gibt – mit einer neuen Gruppe für Fieldrobotics auch am CSEM – Ansätze mittels der bekannten Roboterhunde zur automatisierten Ausmerzung, beispielsweise mit einem kleinen Blitzschlag, der die Zellen zuverlässig bis in die letzte Wurzelspitze zerstört, oder mit Heisswasser, das die Zellen ebenfalls irreparabel schädigt. Sie sind aber einerseits noch weit davon entfernt, im grossen Stil und automatisiert eingesetzt werden zu können. Andererseits haben sie bisweilen gefährliche Nebenwirkungen. So kann der Einsatz von Elektrizität bei nasser Witterung oder generell feuchten Böden zu ungewollten Kollateralschäden bis hin zu ernsthafter Gefahr für andere Lebewesen führen. Heisswasser wiederum tötet nicht nur die anvisierten Schadorganismen, sondern auch Nützlinge wie Würmer oder heimische Insekten. Und wie bereits erwähnt ist der Einsatz solcher Methoden im Wald im Augenblick sowieso noch ferne Zukunftsmusik.

Auch wenn sie nun einfacher gefunden werden können, müssen invasive Neophyten also weiterhin manuell entfernt werden, und das wieder und wieder. Wie einst Sisyphus seinen Felsbrocken unaufhörlich den Berg hinaufrollen musste, nur damit er, fast am Gipfel angekommen, direkt wieder ins Tal hinunterrollte, bleibt also auch die Neophytenbekämpfung vorderhand eine Sisyphusaufgabe: eine ertraglose und dabei schwere Tätigkeit ohne absehbares Ende.

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