Früherkennung von Borkenkäferbefall mittels akustischer Analyse

Die unkontrollierte Vermehrung von Borkenkäfern stellt eine große Gefahr für die Gesundheit der Wälder dar. Ökologische Ungleichgewichte begünstigen die Ausbreitung der Schädlinge und führen zu massiven Schäden. Zur Kompensation der Folgen investiert allein der Freistaat Thüringen 500 Mio. Euro bis zum Jahr 2030 in den Waldumbau und die Wiederbewaldung. Eine frühzeitige Erkennung ist entscheidend, um wirksame Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Bisherige Nachweismethoden stützen sich hauptsächlich auf visuelle Inspektionen – wie das Auffinden von Bohrmehl am Stammfuß oder das Beurteilen krankhafter Veränderungen am Baum – sowie auf die Analyse von Satellitendaten, die in Risikomodelle integriert werden. Diese Verfahren sollen durch die akustische Detektion des Borkenkäfers ergänzt werden, um frühzeitiger und ggf. einfacher den Befallszustand feststellen zu können.    

Im Rahmen eines internen Forschungsprojekts am Fraunhofer IDMT konnte nun im Labor gezeigt werden, dass Borkenkäferaktivitäten durch die Analyse von Luft- und Körperschall frühzeitig erkannt werden können.

Akustische Detektion als vielversprechender Ansatz

Der innovative akustische Ansatz zur Erkennung von Borkenkäferbefall basiert auf der Analyse akustischer Signale, die durch die Aktivität der Käfer entstehen. Dazu wurden zwei im Thüringer Wald frisch geerntete Fichtenstämme  ohne Befall untersucht, von denen einer im Labor gezielt mit Borkenkäfern infiziert wurde. Über einen Zeitraum von 20 Wochen wurden die Aktivität der Käfer und ihrer Larven akustisch überwacht.

Ergebnisse der akustischen Messungen

Die Auswertung der akustischen Signale zeigte wiederholte Phasen kurzer, breitbandiger Impulse, welche als eine Reihe von »Knackgeräuschen« umschrieben werden können. Bezüglich dieser Ereignisse gab es deutliche Unterschiede zwischen dem befallenen und dem nicht befallenen Baumstamm. Während in dem nicht befallenen Stamm durchschnittlich 2,6 akustische Ereignisse pro Minute registriert wurden, lag dieser Wert bei dem befallenen Stamm bei 168,4 Ereignissen pro Minute. Diese hohe Anzahl an akustischen Signalen lässt auf eine intensive Borkenkäferaktivität schließen.

Die Geräusche der Borkenkäfer konzentrieren sich im hörbaren Frequenzbereich, insbesondere zwischen 2 kHz und 10 kHz. Interessanterweise waren die akustischen Ereignisse in dem nicht befallenen Baumstamm im Durchschnitt um 2,5 dB lauter als in dem befallenen Stamm, was auf den Trocknungsprozess des Holzes zurückgeführt wird.

Messaufbau

Die Messungen wurden in im reflexionsarmen Raum des Fraunhofer IDMT bei einer konstanten Raumtemperatur von 20 °C durchgeführt. Zur Aufzeichnung kam ein Niedrigrausch-Mikrofonsystem zum Einsatz, das in einem Abstand von etwa 20 cm zur Rinde positioniert wurde. Die Datenerfassung erfolgte in zwei jeweils 15-stündigen Messsitzungen, um eine kontinuierliche Überwachung zu gewährleisten. Parallel zu diesen Messungen wurden Vibrationen aufgezeichnet und die Aktivität der Borkenkäfer visuell überwacht.

Ausblick und weitere Forschung

Ein wesentlicher Schwerpunkt zukünftiger Forschungsaktivitäten liegt in der detaillierten Analyse der aufgezeichneten Geräusche, um Holztrocknungsgeräusche klar von Borkenkäferaktivitäten zu unterscheiden zu können. Darüber hinaus sollen moderne Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erforscht werden, um die Genauigkeit der akustischen Erkennung weiter zu erhöhen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Kombination von Borkenkäfergeräuschen mit Feldaufnahmen aus dem Wald, um die Umsetzbarkeit im relevanten Umfeld zu validieren. Ziel dieser Entwicklungen ist es, dem Forstpersonal effektive Werkzeuge zur Früherkennung von Borkenkäferbefall einzelner Bäume bereitzustellen. Damit kann die Beseitigung von befallen Bäumen gezielter erfolgen, um neue Ausbruchherde frühzeitig einzudämmen.