Foto von Kristen Morith, via Unsplash, Unsplash License

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Luftverschmutzung: KI-Berechnung ist detaillierter als Satellitendaten

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Gabriele Strobel

Luftverschmutzung: KI-Berechnung ist detaillierter als Satellitendaten

Das mFUND-Projekt SAUBER arbeitet an einer Software, die die Luftverschmutzung vorhersagen können soll. Mit der Vorstellung eines Prototyps ist das Projektteam diesem Ziel deutlich nähergekommen.

Verunreinigungen der Luft lassen sich mit Messungen präzise bestimmen. Schwierig ist es jedoch, Prognosen für die zu erwartende Luftverschmutzung zu treffen. Das mFUND-Projekt SAUBER hat nun einen Software-Prototypen fertiggestellt, mit dem sich die Luftverschmutzung vorhersagen lassen soll.

Dabei kommen Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) zum Einsatz. Mit ihnen ermittelt das Projektteam, wie Luftschadstoffe und äußere Einflüsse einander bedingen. Aus dem Prototypen soll eine Informationsplattform hervorgehen, die zukünftig die Verkehrs-, Stadt- und Umweltplaner:innen in ihrer Arbeit unterstützt. Erprobt wird das System zusammen mit dem Umweltamt Stuttgart und dem Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen.

Der Projektname SAUBER steht für „Satellitenbasiertes System zur Anzeige, Prognose und Simulation von Luftschadstoffen für eine nachhaltige Stadt- und Regionalentwicklung“. Das Herzstück des seit Oktober 2018 laufenden Projekts bildet eine Softwareplattform, auf der Datenvisualisierungen sowie Prognosen und Simulationen stattfinden.

Wichtige Ressource für die Stadtplanung

In diese Plattform fließen Geodaten und Informationen zu Luftschadstoffen. Darunter sind Daten der Erdbeobachtungssatelliten Sentinel-3 und Sentinel-5P. Sie beschreiben, wie viel Stickstoffdioxid, Feinstaub, Ozon und Kohlenmonoxid die Erdatmosphäre enthält. Weitere Daten sind beispielsweise Daten lokaler Luftmessstationen, Verkehrs- und Wetterdaten sowie Informationen zu Topografie und Bebauung.

Alle Daten werden im System miteinander verknüpft und ausgewertet, um ein genaues Abbild der gegenwärtigen Luftqualität zu erstellen. In seiner räumlichen Abdeckung übertrifft es die Erhebungen der stationären Messstationen in den Pilotregionen Stuttgart und Nordrhein-Westfalen deutlich. Außerdem ist die Detailtiefe der angereicherten und kombinierten Daten wesentlich größer als die der reinen Satellitendaten.

Mithilfe von KI berechnet das System anschließend, welche äußeren Faktoren die Luftverschmutzung begünstigen oder reduzieren, beispielsweise Wind, Regen oder Bebauung. Die entstehenden Prognosen und Simulationen lassen sich bei der Stadt- oder Regionalentwicklung berücksichtigen: zum Beispiel kann eine drohende Luftverschmutzung durch vorausschauende Stadtplanung vermieden werden.

Das mFund-Projekt SAUBER endet am 31. Dezember 2021.

Was kann der SAUBER-Prototyp bereits?

Das Demonstrationsmodell vermittelt einen Ausblick auf die zukünftige Funktionalität des SAUBER-Systems. Wir stellen drei Features in Bildern vor.

1. Stations-Viewer
Projekt SAUBER Demonstrator Stations Viewer
Der „Stations-Viewer“ zeigt auf einer Karte die Messstationen an. Zusätzlich gibt es jeweils weitere Informationen zur Schadstoffbelastung, zum Wetter und zum Verkehrsaufkommen. In der Abbildung sind die Stickstoffoxid-Werte (links) an der Stuttgarter Messstation „Am Neckartor“ zu sehen.
2. Prognose
Projekt SAUBER Demonstrator Prognose
Im „Prognose“-Bereich werden die Luftqualitätsvorhersagen für die nächsten zwei Tage angezeigt. Die Angaben sind bereits vergleichsweise genau. Für die Messstation in Aachen-Burtscheid prognostiziert das System etwa relativ geringe Feinstaub-Werte (zu erkennen an der hellblauen Linie rechts im Bild).
3. Use Cases
Demonstrator Projekt SAUBER Use Cases
Der Prototyp enthält mehrere Anwendungsfälle (Use Cases). Zum Beispiel lässt sich die Luftschadstoffbelastung in Form von Karten visualisieren, in denen Farben die unterschiedlichen Belastungswerte darstellen. Bei solchen Karten handelt es sich um sogenannte Heatmaps. Auf dem Bild ist ein Landstrich in Nordrhein-Westfalen zu sehen.

Details zum mFUND-Projekt SAUBER:

  • mFUND-Zeitraum: 10/2018 bis 12/2021
  • Projektpartner: Software AG (Verbundkoordinatorin), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, geomer, Institut für Informationssysteme der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hof, Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung, meggsimum
  • Assoziierte Partner: Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen, Amt für Umweltschutz der Landeshauptstadt Stuttgart
  • Website: www.sauber-projekt.de
Gabriele Strobel (software AG, mFUND-Projekt SAUBER)
Autorin Gabriele Strobel arbeitet als Senior Manager Research Communications bei der software AG, die als Verbundkoordinatorin des SAUBER-Projekts fungiert. (Foto: mit freundlicher Genehmigung G. Strobel/software AG)
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