Grund-Topographie eines Baggersees in der Nähe von Freiburg: Die laserbathymetrische Punktwolke hat eine sehr hohe Auflösung, sodass Details auch in 3 Metern Tiefe gut erkennbar sind. Foto: Fraunhofer IPM

Die Unterwassertopographie in Küsten- und Ufergebieten gibt Hinweise auf mögliche Hochwasserrisiken oder Umweltveränderungen. Bathymetrische Messungen sind daher ein wichtiges Instrument für den Küsten- und Katastrophenschutz. Je nach Tiefe oder Trübheit des Gewässers werden Gewässervermessungen heute von Schiffen aus mittels Echolot oder optisch von Flugzeugen durchgeführt. Echolot-Messungen eignen sich gut für tiefe, trübe Gewässer. Im Küstenbereich allerdings erweisen sich Sonarmessungen als ineffizient und sind auch nur in schiffbaren Gewässern möglich.

Laserbasierte Bathymetrie-Messungen aus der Luft hingegen erreichen hohe räumliche Auflösungen – auch in flachen, trüben Gewässern. Die Systeme basieren auf der Laufzeitmessung gepulster Laser und werden seit einigen Jahren verstärkt in der Gewässervermessung eingesetzt. Die wenigen am Markt verfügbaren Systeme sind jedoch entweder zu schwer für den Einsatz auf UAV (Unmanned Aerial Vehicles), haben eine zu geringe Eindringtiefe ins Wasser oder schöpfen nicht das volle Potential einer Mehrwellenlängenmessung aus.

Im Projekt ACQUA-3D entwickeln die Forschungspartner daher ein kompaktes Laserbathymetrie-System für die Messung von Unterwassertopographien inklusive speziell angepasster Datenauswertung. Das Multisensor-System mit einem geplanten Gesamtgewicht von unter 3 Kilogramm besteht aus einem LiDAR-Modul und einer multispektralen Kamera. Die Lichtwellenlängen der beiden gepulsten Laser sind so gewählt, dass sowohl Wasseroberfläche als auch Gewässergrund identifiziert werden können. Der Laserscanner soll 100.000 Punkte und 50 Scans pro Sekunde erfassen.

Aus den Messdaten wird mithilfe speziell entwickelter Auswertealgorithmen automatisiert ein Geländemodell inklusive semantischer Klassifizierung von Gelände und Vegetation erstellt. Für Testmessungen nutzt das Forschungsteam eine 40 Meter lange Unterwasser-Messstrecke, die eigens am Fraunhofer IPM eingerichtet wurde. Später soll das Bathymetrie-System in verschiedenen Gewässern sowie am Fraunhofer Ocean Technology Campus in Rostock erprobt werden. (jr)

www.ipm.fraunhofer.de

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Müll- oder Lieferwagen als Messfahrzeuge: Ausgerüstet mit einem kostengünstigen, aber hocheffizienten multimodalen Messmodul generieren die Fahrzeuge Daten der städtischen Umgebung. Foto: Fraunhofer IPM

Multisensor-System sammelt Daten im Regelverkehr

Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) hat daher gemeinsam mit der incontext.technology GmbH das MuSiS (Multimodaler digitaler Zwilling für eine sichere und nachhaltige Stadt)-Projekt gestartet und einen Prozess entwickelt, mit dem ein Digitaler Zwilling urbaner Umgebungen schnell und engmaschig erstellt werden kann. Im MuSiS-Projekt schafft das Forschungsteam die Voraussetzungen für eine engmaschige, digitale Erfassung urbaner Infrastruktur: Eine kompakte, universell einsetzbare Messbox, die ein Team am Fraunhofer IPM entwickelt, soll die Umgebung mithilfe von Laserscannern und Kameras im laufenden Verkehr erfassen. Ein Schallpegelmesser nimmt zudem die akustische Belastung auf. Die Daten werden bereits bei der Erfassung anonymisiert, d.h. Menschen und Fahrzeuge werden unkenntlich gemacht. Das robuste Multisensor-System kann ohne großen Aufwand auf verschiedene Fahrzeuge montiert werden. Es verfügt über eine Positionierungseinheit, sodass die Messdaten mit Standortinformationen verknüpft sind.

Die Messdaten sollen in Echtzeit für verschiedene Anwendungen bereitgestellt werden. Damit dies gelingt, müssen die Daten bereits auf dem Fahrzeug vorverarbeitet und reduziert werden – denn auf dem Weg durch die Stadt nehmen die Sensoren eines einzigen Messfahrzeugs mehrere Gigabyte an Daten pro Kilometer auf. Ein speziell angepasstes Künstliches Neuronales Netz (KNN), das ebenfalls am Fraunhofer IPM entwickelt wurde, soll die Daten bereits in der Messbox prozessieren. Expert:innen des Industriepartners incontext.technology werden KI-basierte Algorithmen für die automatisierte Nutzung und eine semantische Anreicherung der Datenströme entwickeln und Datenmodelle für den digitalen Zwilling einer Stadt erstellen.

Die aufbereiteten Daten werden für ausgewählte Anwendungsfälle rund um das Monitoring von städtischer Sicherheit und Infrastruktur spezifisch für unterschiedliche Nutzergruppen über Apps und Webportale zugänglich gemacht. Als Grundlage dient der Digitale Zwilling: das semantische Modell einer Anlage oder auch einer Umgebung, das Sensordaten aus verschiedenen Systemen integriert und mithilfe von KI trainiert wird.

Das Projekt MuSiS wird im Rahmen des Förderprogramms Invest BW vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus gefördert. (jr)

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Fahrgäste beim Einsteigen in einen Zug. Das DLR hat ein System entwickelt, das Fahrgästen freie Sitzplätze nahe der Einstiegsstelle anbietet. Foto: DLR

Derzeit gilt die Sitzplatzreservierung für den gesamten gebuchten Streckenabschnitt. Selbst wenn einige Sitze auf Teilstrecken noch frei sind – sobald kein freier Sitzplatz für die gesamte Strecke mehr verfügbar ist, können die Fahrgäste keinen Platz reservieren. Auch hier kann das System helfen. Es ermöglicht die Kombination verschiedener Sitzplatzreservierungen auf Teilstrecken. Die Passagiere wählen ihren Einstiegsort frei aus und müssen sich nicht mehr dem System anpassen. Außerdem erhöht die flexible Sitzplatzbuchung den Anreiz, Reservierungen durchzuführen, um eine spontane Neuvergabe des eingenommenen Platzes durch das System zu vermeiden.

„Damit wir das System nutzen können, müssen die Anzeigen im Zug echtzeitfähig sein“, sagt Grunewald. „Wenn Passagiere mit Reservierung den Zug betreten, müssen sie zum Beispiel über das Handy oder eine App erkannt werden. Je mehr Reservierungen es gibt, desto ordnender greift unser System ein.“ Da sich die Einstiegszeit durch die kurzfristige, flexible Sitzplatzzuteilung verringert, lassen sich überfüllte Bahnsteige vermeiden und Verspätungen reduzieren. Mit aufwändigen Simulationen im Rahmen des Projekts konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Vorteile bestätigen.

Das DLR hat sich das System, das die Forschenden des Instituts für Verkehrssystemtechnik und des Instituts für Flughafenwesen und Luftverkehr im Rahmen des grundfinanzierten Projekts Transition entwickelt haben, patentieren lassen. Im Projekt VMo4Orte arbeiten die Forschenden nun weiter am System. „Unser nächstes Ziel ist dann der Praxistest“, blickt Grunewald in die Zukunft. (jr)

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Globale Abdeckung der Sentinel-1-Radarmission und die Offshore-Untersuchungseinheiten. Grafik: DLR

Im Juni 2021 waren in China 3.267 Offshore-Windkraftanlagen in Betrieb, in der Europäischen Union (EU) 3.096 und in Großbritannien 2.378. Weltweit wurden 8.885 Anlagen gezählt. Bei der Leistung lag die EU vorne: Die Offshore-Windkraftanlagen in der Nord- und Ostsee, der Irischen See sowie im Atlantik vor Portugal kamen auf 15,2 Gigawatt (GW). Die chinesischen Anlagen kamen zu dem Zeitpunkt auf 14,1 GW, die britischen auf 10,7 GW. „Zusammen sind das rund 98,5 Prozent der weltweit vorhandenen, installierten Offshore-Windkraftleistung von 40,6 GW im Juni 2021“, erklärt Thorsten Höser vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Zum Vergleich: Die drei aktuell noch laufenden Atomkraftwerke in Deutschland haben eine installierte Leistung von insgesamt 4,3 GW.

„Ein Blick auf die zeitliche Dynamik verrät, dass vor allem der Eintritt Chinas in den Offshore-Windenergiesektor und der Bau von Offshore-Windparks in Chinesischen Gewässern die Expansionsdynamik beeinflusst hat“, sagt Thorsten Höser. Laut den ermittelten Daten waren dort Mitte des vergangenen Jahres 627 neue Anlagen im Bau. Vor den EU-Küsten waren 63 Anlagen im Bau. Vor den Küsten der USA wurden sieben bestehende Offshore-Windkraftanlagen gezählt. Die Auswertung bezog sich nicht auf landgestützte Windkraftanlagen.

Die Analyse von Satellitenbildern ermöglicht erstmals, einen globalen Überblick über den Offshore-Windenergiesektor zu erhalten. Für die Auswertung wurden Zeitreihen des Radarsatelliten Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation ESA seit dem Jahr 2016 genutzt. Charakteristisch für die Sentinel-1 Mission ist eine kontinuierliche Wiederholung der Aufnahmen innerhalb weniger Tage.

Die Forschenden am DFD haben Algorithmen entwickelt, die Verfahren der KI – und hier speziell des Maschinellen Lernens – einsetzen, um Offshore-Windkraftanlagen automatisch aus dem riesigen Sentinel-1-Archiv auszulesen. Das Archiv stellte im Jahr 2021 mehr als elf Petabyte Daten bereit. Ein neuronales Netz wurde mit Beispielen darauf trainiert, Windturbinen zu erkennen. „Die Trainingsbeispiele sollten vielfältig sein, um dem neuronalen Netz eine große Möglichkeit an Szenerien während des Lernens zu präsentieren“, erklärt Thorsten Höser, der die Auswertung der Daten geleitet hat. Ein Teil der Forschungsarbeit befasste sich mit der Erstellung der Beispiele. Sie beschreiben charakteristische Eigenschaften eines Satellitenbildes. Anschließend werden die Bildeigenschaften neu zusammengesetzt, um zehntausende völlig neue virtuelle Trainingsbilder zu erzeugen. Dieser Ansatz ist auf andere Objekte übertragbar. So können in Zukunft neben Offshore-Windturbinen weitere Objekte aus globalen Satellitendaten-Archiven extrahiert werden. (jr)

www.dlr.de

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Luftaufnahme über dem KIT und dem Landkreis Karlsruhe. © copyright by Karlsruher Institut für Technologie

Das Wissen über Wasserabflussmengen, Landnutzung, Bodeneigenschaften, Niederschläge und Temperaturen ist essenziell, um beispielsweise die wasserwirtschaftlichen Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserkreislauf in Deutschland besser abschätzen zu können. Außerdem hilft es dabei, Methoden zur Vorhersage und Risikoabschätzung hydrologischer Ereignisse zu entwickeln und hydrologische Extreme wie Hochwasser und Niedrigwasserperioden besser zu bewerten. CAMELS-Datensätze (CAMELS steht für „Catchment Attributes and MEteorology for Large-sample Studies“) vereinen diese Daten und ermöglichen es, Modellierungen und Datenanalysen unterschiedlicher Landschaftsräume durchzuführen.

„Mit dem CAMELS-DE-Datensatz wollen wir in Deutschland länderübergreifende Analysen in der Hydrologie erleichtern“, sagt Dr. Ralf Loritz vom Institut für Wasser und Gewässerentwicklung – Bereich Hydrologie des KIT, der gemeinsam mit Forschenden der Universität Freiburg, der Universität Kiel, des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ und weiteren Institutionen in Deutschland die Datenbank aufbaut. „Denn Bundesland- oder Landesgrenzen bedeuten in den Umweltnaturwissenschaften auch immer neue Zuständigkeiten und häufig nur begrenzte Datenverfügbarkeit. Dies hemmt die hydrologische Forschung.“

CAMELS-Datensätze verbinden Landschaftsmerkmale, wie Landnutzung, Geologie oder Bodeneigenschaften, mit hydrologischen und meteorologische Zeitreihen, wie Wasserstände und Wasserabfluss sowie Niederschläge, Temperatur und Verdunstung. Sie bieten so die Möglichkeit, Modelle und Datenanalysen in einer Vielzahl heterogener Landschaftsräume miteinander zu vergleichen und hydro-meteorologische Variabilität und Veränderung in Zeit und Raum zu bewerten.

Die Forschenden planen, die ersten Datensätze im Frühjahr 2023 zu veröffentlichen. Danach streben sie eine langfristige Zusammenarbeit zwischen Forschung und Landes- sowie Bundesbehörden an, um künftig den Aufwand der Datenbeschaffung zu minimieren, die Daten in die Lehre zu integrieren, die Vernetzung von Forschungsgruppen zu stärken und den Austausch von Ergebnissen zu erleichtern. (jr)

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Satellitenaufnahme vom Amazonas an der Mündung zum Atlantischen Ozean. Foto: European Space Agency (ESA)/ CC BY-SA 2.0

Satellitendaten spielen für den Umwelt- und Klimaschutz bereits seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle. Mit den Augen aus dem All kann beispielsweise die Abholzungsrate im brasilianischen Regenwald überwacht, kontrolliert und dadurch letztendlich so reduziert werden, dass die Auswirkungen des Abbaus des größten Forstgebiets der Welt eingedämpft werden. So gibt es in Brasilien bereits seit den 1980er-Jahren ein umfassendes Überwachungssystem des Amazonasgebiets auf Grundlage von Satellitenbildern. Doch die Art und Weise, wie diese Daten genutzt werden, hat sich unter der Regierung des umstrittenen Präsidenten Jair Bolsonaro geändert: seine Anhänger stellen wissenschaftliche Erkenntnisse in Frage, um eine Weltsicht zu propagieren, die den wirtschaftlichen Profit in den Vordergrund stellt – und die klimatischen Veränderungen, die aus dem Raubbau am Regenwald entstehen werden, ignoriert.

Zu diesen Ergebnissen kommen zumindest Dr. Maria Cecilia Oliveira, Forschungsgruppenleiterin am Institut für transformative Nachhaltigkeitsforschung Potsdam (IASS) und Leandro Siqueira von der Universidade Metropolitana de Santos in Sao Paulo, Brasilien. Die Forscher haben eine gemeinsame Studie untersucht, wie sich die Verwendung von Satellitendaten seit Amtsantritt von Bolsonaro im Jahr 2019 verändert haben. „Wir weisen in der Studie nach, dass rechtsextreme Gruppierungen umfassende Anstrengungen unternehmen, um eine andere ‚Wahrheit‘ über den Amazonas zu schaffen und zu verbreiten – nämlich die, dass die Abholzung ein akzeptabler Preis für wirtschaftliche Entwicklung ist“, beklagt Oliveira. „Über lange Jahre aufgebaute Strukturen, um die Abholzung sichtbar zu machen und zu kontrollieren, werden zunehmen demontiert.“

Erhebliche Rückschritte beim Amazonasschutz

Doch wie sieht sie aus, die alternative Wahrheit Bolsonaros? Über viele Jahre hatten die wechselnden Regierungen Brasiliens die Satellitendaten den Umweltbehörden und der Zivilgesellschaft zur Verfügung gestellt. Damit förderten sie eine breite politische Beteiligung verschiedener Gruppen, die sich aktiv für den Schutz und die nachhaltige Nutzung des Regenwalds einsetzten. Zwar gaben die Berichte der Regierung über die Satellitenbilder wesentliche Daten nur in einer zusammengefassten Form wieder, aber sie lieferten den Umweltschützern die Informationen, die sie benötigten, um Druck auszuüben. Das zeigte Wirkung: insbesondere unter Präsident Lula, der von 2003 bis 2011 regierte, gelang es dem südamerikanischen Staat, die Abholzung des Regenwaldes deutlich zu verringern.

Seit Bolsonaro 2019 die Macht in Brasilien übernahm, hat sich das Bild gewandelt und es sind erhebliche Rückschritte zu verzeichnen, berichtet Oliveira: „Neu ermächtigte Gruppen wie das Militär, Klimawandelleugner, rechtsextreme Aktivisten, die Agrarindustrie und rohstofffördernde Privatunternehmen begannen, ein alternatives Regime zu errichten, das darauf abzielt, eine ‚alternative‘ Wahrheit über die Entwaldung zu verbreiten.“ Dir Forscher bezeichnen diesen neuen Umgang mit Informationen als „Hypertransparenzregime“, das mit dem alten „Transparenzregime“ in Konkurrenz stehe.

Vom Schutzgebiet zur Rohstoffressource

Das Zeitalter der Hypertransparenz zeichnet sich durch ein Übermaß an Informationen aus. Oliveira erklärt: „Das funktioniert im Wesentlichen so, dass Gegenaktivisten die wissenschaftliche Gültigkeit der vom Nationalen Institut für Weltraumforschung erstellten Bilder und Satellitendaten in Frage stellen und mit großer Regelmäßigkeit deren Überprüfung durch sogenannte Audits fordern. Damit suggerieren sie, dass den Bildern nicht zu trauen sei. Das Ziel dieser Praxis ist offenbar, die Öffentlichkeit im Hinblick auf die Entwaldung zu verwirren.“ Darüber hinaus beschuldige die Regierung Wissenschaftler, sie würden sich mit Umwelt-NGOs verbünden, um Brasiliens wirtschaftlicher Entwicklung zu schaden.

Das vorherrschende Bild des Amazonasgebiets, so berichten die Forscher unisono, habe sich in den letzten drei Jahren massiv gewandelt: galt es jahrzehntelang als Schutzgebiet mit einem begrenzten Flächenanteil, der nachhaltig entwickelt werden muss, setzt sich mittlerweile immer stärker die Vorstellung vom Amazonas als Rohstoffressource durch. (jr)

www.iass-potsdam.de

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Wo sich Fahrradfahrende im Stadtverkehr unwohl fühlen, messen und visualisieren Forschende des KIT im Verbundprojekt ESSEM. Foto: Urban Emotions, KIT

„Wie wohl oder unwohl sich Radfahrer unterwegs fühlen, hängt von vielen Faktoren ab. Zum Beispiel vom Straßenbelag, von der Nähe vorbeifahrender Autos, der Übersichtlichkeit von Kreuzungen und der Wartezeit an Ampeln“, sagt Dr. Peter Zeile, Leiter der Forschungsinitiative Urban Emotions an der Professur Stadtquartiersplanung am Institut Entwerfen von Stadt und Landschaft des KIT. Die Fachleute aus Stadtplanung, Architektur und Soziologie von Urban Emotions sind Teil des Forschungskonsortiums ESSEM – Emotion Sensing für (E-)Fahrradsicherheit und Mobilitätskomfort, das all diese Faktoren und Einflüsse durch die Zusammenschau von Umfeld- und Personendaten untersucht, um vorhandene Fahrradinfrastrukturen zu bewerten. Ein Ziel des im Januar 2022 gestarteten, drei Jahre laufenden Verbundprojekts mit Partnern aus Wissenschaft, Industrie und Städten ist es, Methoden- und Handlungsempfehlungen für die datengestützte Radverkehrsplanung zu entwickeln. Unter anderem soll ein praxistaugliches, einfach handhabbares Instrument zum Bewerten von Fahrradinfrastrukturen mit Unterstützung von Emotion-Sensing-Daten entstehen. Dabei werden technische Sensoren genutzt, um die Emotionswahrnehmung zu messen.

Hauptverkehrsströme des Fahrradverkehrs identifizieren

Die Forschenden des KIT untersuchen im Zuge von ESSEM, wo die Hauptverkehrsströme des Fahrradverkehrs in den teilnehmenden Städten Osnabrück und Ludwigsburg entlangführen. Darüber hinaus erheben sie 350 Datensätze von Probanden, deren Hautleitfähigkeit und Körpertemperatur – als Stressindikatoren – während ihrer Fahrradfahrten durch die beiden Modellstädte mit körpernahen Sensoren gemessen werden. In Kombination mit Geodaten und Bildern aus Action-Kameras lassen sich aus den Emotionsmessungen stressauslösende Straßen- und Verkehrssituationen erkennen. „Spannend ist besonders die Frage, ob sich Orte identifizieren lassen, die bislang statistisch nicht als unfallträchtig bekannt sind, aber als brenzlig wahrgenommen werden“, sagt Zeile. Die Wissenschaftler von Urban Emotions wollen in ESSEM die bereits in mehreren internationalen Messkampagnen eingesetzte grundlegende Mess-Algorithmik weiter verfeinern. „ESSEM ist mehr als ein Bündeln einzelner Projekte, ich bin überzeugt, dass es uns als Forschungspartnern gelingt, die Einflüsse auf die Fahrradsicherheit und den Mobilitätskomfort beim Fahrradfahren genauer zu bestimmen“, so Zeile.

Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) fördert ESSEM mit insgesamt rund 1,65 Millionen Euro, davon erhält Urban Emotions 329.000 Euro. Koordiniert wird das Vorhaben vom Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart, das mit dem Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO kooperiert. Projektpartner sind neben dem KIT die Paris Lodron Universität Salzburg, die Porsche Digital GmbH in Ludwigsburg, die Bike Citizens Mobile Solutions GmbH in Berlin, die User Interface Design GmbH in Ludwigsburg und der Allgemeine Deutsche Fahrrad-Club sowie als assoziierter Partner die Stadt Ludwigsburg. (jr)

www.kit.edu

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Im Forschungsprojekt SimCityNet wurde ein Digitaler Zwilling des Hanauer Straßennetzes erstellt, mit dem sich die Potenziale von alternativ angetriebenen Fahrzeugen im ÖPNV sowie in kommunalen Entsorgungsbetrieben simulieren lassen. Foto: SimPlan AG

Sollte in E-Fahrzeuge investiert werden und wenn ja, in welche Art von Fahrzeugen konkret? Welche Vorteile ergeben sich für die kommunale Flotte? Um diese und weitere Fragen zu beantworten hat das Research Lab for Urban Transport (ReLUT) der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) in den vergangenen zwei Jahren das Forschungsprojekt SimCityNet wissenschaftlich begleitet. Das vom Land Hessen geförderte Projekt wurde im Verbund mit mehreren Partnern der Stadt Hanau umgesetzt. Kooperationspartner waren die Hanauer Straßenbahn GmbH (HSB), Hanau Infrastruktur Service (HIS) und die Hanau Wirtschaftsförderung GmbH (HWG) sowie als Konsortialführerin die in Hanau ansässige Simulationsdienstleisterin SimPlan AG. Im Projekt wurde ein digitaler Zwilling des Hanauer Straßennetzes erstellt, mit dem sich die Potenziale von alternativ angetriebenen Fahrzeugen im öffentlichen Personennahverkehr und kommunalen Entsorgungsbetrieben simulieren lassen.

Das Projekt setzt vor allem die Potenziale von batterieelektrisch betriebenen Bussen und Brennstoffzellenbussen im Linienverkehr sowie entsprechenden Nutzfahrzeugen in städtischen Entsorgungsbetrieben. „Diese Bereiche bieten bei der Verkehrswende eine große Chance, da sich die täglichen Laufleistungen der Fahrzeuge sehr gut abschätzen lassen“, erläutert Prof. Dr. Josef Becker vom Fachbereich Architektur, Bauingenieurwesen, Geomatik der Frankfurt UAS und im ReLUT-Team zuständig für Schienenverkehrswesen und öffentlichen Verkehr.

Die Konzeption eines Simulationsmodells erforderte zunächst eine umfassende Analyse und Datenerhebung der aktuell bestehenden Prozesse beider Hanauer Praxispartner. Hierbei wurden unter anderem Routenplanungen und Fahrpläne optimiert und Einsparpotenziale im Bereich von lokalen Emissionen identifiziert. Darauf aufbauend wurden entsprechende Soll-Konzepte entwickelt, die den möglichen Einsatz alternativ angetriebener Fahrzeuge für die Zukunft beschreiben.

Daraufhin wurden die neuen Prozesse in das Verkehrsmodell implementiert und validiert. Für die Simulation von unterschiedlichen Szenarien erfolgt eine Parametrisierung einflussnehmender Parameter durch den Modellnutzer. Hierzu zählt u.a. die zu simulierende Flottengröße, Antriebstechnologie, Ladeinfrastruktur, Lademanagement und Witterung. Da bei heutigem Stand der Technik die Reichweite der batterieelektrischen Fahrzeuge teilweise nicht ausreicht, um alle planmäßigen Fahrten des Busses an einem Tag ohne zwischenzeitliches Laden zu absolvieren, wurden mittels Algorithmen neue Umläufe im Abgleich mit der gewählten Referenzreichweite der Fahrzeugmodelle ermittelt.

Neben der Visualisierung der Prozesse im Verkehrsmodell wurden während der Simulationsberechnung permanent Auswertungen und Statistiken zu den gefahrenen Umläufen/Touren und Fahrzeugen (z.B. Energieverbrauch, gefahrene Strecke, Ladezustand) erfasst. Damit konnten nicht nur die Fahrten simuliert werden, sondern auch die Ladevorgänge. Somit konnten auch notwendige Hinweise zur Dimensionierung der Energieversorgung aufgezeigt werden.

Grenzen liegen in hohem Invest und der Verfügbarkeit von Wasserstoff

„Die Ergebnisse zeigen, dass die Umstellung der Flotte von konventionellen Antrieben auf eine Brennstoffzellen-Flotte zu keiner betrieblichen Veränderung gegenüber dem Ist-Ablauf führt, aufgrund ausreichender Fahrzeugreichweiten sowie vergleichbar kurzen Tankzeiten. Die Implementierung einer größeren Anzahl an Brennstoffzellenfahrzeugen ist allerdings auch mit einem erheblichen finanziellen Mehrbedarf verbunden, sowie der Frage nach einer überhaupt ausreichend verfügbaren Anlieferung und Speicherung von Wasserstoff auf dem Betriebshof“, so Prof. Dr. Kai-Oliver Schocke vom Fachbereich Wirtschaft und Recht der Frankfurt UAS.

Um den Busbetrieb mit batterieelektrischen Fahrzeugen aufrecht zu erhalten, ist eine Anpassung der Einsatzpläne der einzelnen Fahrzeuge zwingend erforderlich. „Kurz- bis mittelfristig können eine Vielzahl der bestehenden Umläufe von batterieelektrischen Fahrzeugen übernommen werden. Die begrenzten Reichweiten führen langfristig allerdings zu einem signifikanten Mehrbedarf an Fahrzeugen“, so Schocke. „Bei den Abfallbetrieben wird bei einem Mix von Elektro- und Wasserstoffantrieb die Anzahl der Fahrzeuge allerdings nicht verändert.“

Digitaler Zwilling maßgeschneidert

„Der digitale Zwilling wurde so erstellt, dass er grundsätzlich auf andere Anwendungsfälle übertragbar und um andere Aspekte wie etwa Logistik erweiterbar ist“, gibt Becker einen Ausblick in die Zukunft. Er bettet das Hanauer Projekt zudem in den Gesamtzusammenhang der deutschen Klimaziele ein, die Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren. Große Potenziale lägen dabei im Verkehrssektor und speziell in der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugantrieben. Weit schwieriger als der Test einzelner Fahrzeuge sei es zu bewerten, wie sich ein umfassender Umstieg von größeren Teilen oder gar der gesamten Flotte eines Verkehrsunternehmens von Dieselbussen auf solche mit alternativen Antrieben auswirke. „Während die drängende Frage nach den Emissionseinsparungen mit herkömmlichen Verfahren noch beantwortbar scheint, sind Fragestellungen des operativen Betriebs bislang in weiten Teilen unbeantwortet. Mit dem Zwilling können wir diese Wissenslücke schließen.“

www.relut.de

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Der Mobility Date Space geht zurück auf einen Beschluss der Konzentrierten Aktion Mobilität aus dem November 2019. An der Konzeption der Plattform haben mehr als 200 Stakeholder der deutschen Mobilitätsbranche aus Wissenschaft, Wirtschaft und öffentlicher Verwaltung mitgewirkt. Als erstes Bundesland wird Nordrhein-Westfalen nach dem operativen Betriebsstart am 01. Januar 2022 als Gesellschafter beitreten. Der Mobility Date Space hat sich zum Ziel gesetzt, die Branche um innovative, umwelt- und nutzerfreundliche Mobilitätskonzepte anzureichern, indem er allen Nutzern gleichberechtigt und transparent Zugang zu Daten verschafft. Nutzer haben auf diese Weise die Möglichkeit, an den Wertschöpfungspotenzialen ihrer Daten teilzuhaben. Bis 2024 ist die Teilnahme zudem kostenfrei möglich.

Daten als Schlüsselressource

Grundgedanke des Datenmarktplatzes ist, dass Daten die Schlüsselressource unserer Zeit sind. Im Mobility Date Space vernetzt sich die Mobilitätscommunity, um Daten miteinander zu teilen. So sollen innovative und intelligente Produkte und Leistungen für die Mobilität der Zukunft entstehen können. Auch werden im Mobility Data Space Daten gehandelt, die die Entwicklung von Mobilitätskonzepte fördern – und das auf Basis hoher Standards bei Datenschutz und Datensicherheit „Made in Europe“.

Dabei haben sich die Initiatoren insgesamt fünf Benchmarks gesetzt, die sie erfüllen wollen und die Vorteile für Nutzer mit sich bringen sollen – „Transparent und Souveränität“, „One-stop-shop für Mobilitätsdaten“, „Nutzerfreundlichkeit“, „Sicherheit“ sowie „Wertschöpfung fließt an den Nutzer“. So sollen alle Teilnehmer zu denselben Konditionen Zugang zum Mobility Date Space erhalten. Diese Konditionen zur Nutzung einzelner Datenangebote werden dabei frei zwischen Datengeber und Datennehmer vereinbart. Wer also Daten innerhalb des Mobility Date Space zur Verfügung stellt, kann frei entscheiden, wer zu welchem Preis die Daten erwerben kann. Außerdem findet der Datenaustausch direkt zwischen den beiden Vertragspartnern statt.

Dezentrale Konzipierung

Darüber hinaus bietet der Mobility Data Space seinen Nutzern eine breite Palette an Mobilitätsdaten, von der aktuellen Wettersituation über Baustellen bis hin zur Luftqualität. Dafür gewährt der Datenmarktplatz zusätzlich zu den Daten, die seine Anwender bereitstellen, auch Zugang zu den Datenangeboten im bestehenden Nationalen Zugangspunkt für Mobilitätsdaten (beispielsweise Informationen zu Straßenbaustellen und/oder verfügbaren Lkw-Parkplätzen an Fernstraßen). Hinsichtlich Datenschutzstandards, Dezentralität und Selbstbestimmungsrechten unterscheidet sich der Mobility Date Space von bestehenden Datenmarktplätzen: die Funktionsweise des Mobility Data Space ist konform mit dem Kartellrecht, der europäischen Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) sowie den Vorgaben und Überlegungen auf europäischer Ebene zum Data Governance Act (DGA), Digital Service Act (DAS) sowie Digital Markets Act (DMA). Dabei wurde der Mobility Data Space gemäß dem Prinzip „Security by Design“ dezentral konzipiert, lediglich der Datenkatalog ist zentral gespeichert. Die Daten liegen damit bei den Nutzern. Weil es sich bei der Trägergesellschaft um eine Non-Profit-Organisation handelt, fließt die Wertschöpfung dabei fast vollständig an die Datenlieferanten und -nutzer.

Doch wie passen nun Wetter- und Umweltdaten und eine zentrale Datenplattform für Mobilitätsdaten zusammen? Beim Mobility Data Space werden beispielsweise Wetterdaten mit anderen Daten verschnitten, um die Mobilitätskonzepte für die Nutzer anzupassen. Denn: Das Wetter beeinflusst, welche Mobilitätsoption wir wählen, wie ausgelastet Verkehrswege und -mittel sind und wie sicher wir ans Ziel kommen. Regnet es, werden nur die Wenigsten mit dem Fahrrad fahren, sondern lieber ÖPNV und/oder eigenen Pkw nutzen. Wissen Mobilitätsanbieter bereits vorher, welches Wetter wahrscheinlich herrschen wird, können sie ihre Konzepte dementsprechend an die aktuellen Gegebenheiten anpassen. Ähnliches gilt beispielsweise für Umweltdaten. Werden diese Informationen mit anderen Daten, etwa zur Auslastung von Straßen, verknüpft, eröffnen sich neue Möglichkeiten, Mobilität umweltfreundlicher zu gestalten. Mit dem Mobility Data Space sollen diese innovativen Lösungen identifiziert und umgesetzt werden. Außerdem fließen Infrastrukturdaten sowie solche zur Verkehrssicherheit in den Mobility Data Space. (jr)

www.mobility-dataspace.eu

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Nicht nur bei Waldbränden bieten die Copernicus-Dienste großräumige und detaillierte Informationen zu auftretenden Schäden. Foto: Thünen-Institut/CEMS

Initiiert wurde das neue, am Thünen-Institut für Waldökosysteme in Eberswalde in Brandenburg angesiedelte Projekt durch die Deutsche Raumfahrtagentur am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Zudem wir das Netzwerkbüro „Wald“ durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur finanziert. Die Copernicus-Produkte bieten besonders in Bereichen der Schadenserkennung, der Strukturvielfalt, aber auch der Baumartenerkennung wichtige Informationen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Während die meisten Waldbesitzer ihre Bäume vom Boden aus betrachten, schauen die Copernicus-Missionen von oben, mithilfe von Erbeobachtungssatelliten, auf die Wälder und können somit Hinweise zum Zustand, der Struktur und Entwicklung der Wälder liefern.

Ergänzung zu etablierten Systemen

Um die vielfältigen Ökosystemdienstleistungen der Wälder erhalten zu können, werden kontinuierliche und flächendeckende Monitoring-Systeme gebraucht. Die etablierten Systeme stellen hierzu umfangreiche Feldbeobachtungen und langjährige Expertise zum Ökosystem Wald bereit, können aber grundsätzlich keine räumlich expliziten Daten liefern. Zudem sind sie periodisch angelegt mit langen Zeiträumen zwischen den Stichtagen. Neue technische Entwicklungen in der Fernerkundung eröffnen dagegen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in bisher unbekanntem Detailgrad. Im Falle eines Waldbrandes zum Beispiel ermöglichen sie eine schnelle Kartierung der Lageeinschätzung, Ausbreitung und Intensität des Feuers.

Wie dringend notwendig verbesserte Monitoring-Systeme sind, wurde durch die Ereignisse der vergangenen Jahre bestätigt. Beginnend mit den Stürmen im Oktober 2017 und der ausgeprägten Trockenheit der Sommer 2018 und 2019 konnten ausgedehnte Waldschäden beobachtet werden. Daraus ergab sich der Bedarf, diese Schäden für betriebswirtschaftliche Planungen und politische Entscheidungsfindungen zu erfassen und zu quantifizieren, aber auch Methoden zur Früherkennung zu entwickeln.

Netzwerkbüro als Schnittstelle

Das Netzwerkbüro hat die Aufgabe, ein fachliches Netzwerk aufzubauen, in dem alle wald- und forstwirtschaftlichen Fernerkundungsakteure eingebunden sind. Es soll damit eine Schnittstelle zwischen Deutscher Raumfahrtagentur, Ministerien, Behörden, Waldbesitzerverbänden, Forst- und Naturschutzbehörden, Forstbetrieben, Stiftungen, Schutzgebietsverwaltungen, Waldbesitzerverbänden und Naturschutzorganisationen, Firmen und Forschungseinrichtungen und relevanten Fördergebern schaffen.

Einerseits sollen bestehende Anwendungen und Aktivitäten von Fernerkundungstechnologien erfasst und ausgetauscht werden, um aktuelle Fragestellungen zu beantworten. Eine konkrete Aufgabe könnte hier die Harmonisierung und Standardisierung von Daten und Erfassungsmethoden sowie die Zusammenarbeit im Bereich der Open-Source-Werkzeuge sein. Andererseits soll eine Bedarfsanalyse im Fachnetzwerk durchgeführt werden, ein Nutzerkonzept entwickelt und Maßnahmen abgeleitet werden, um zukünftige Fördermaßnahmen zu optimieren und dem festgestellten Bedarf anzupassen.

Workshops, Online-Seminare und nicht zuletzt die Fachsessions auf dem „Nationalen Forum für Fernerkundung und Copernicus“ werden zahlreiche Möglichkeiten zum Informationsaustausch und für fachliche Diskussionen bieten. (jr)

www.thuenen.de

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Für Feuerwehr und Polizei zählen im Einsatz jede Sekunde. Doch zwischen den Einsatzkräften und dem Ziel steht meist ein unberechenbares Hindernis – Straßenkreuzungen mit roten Ampeln. Trotz Blaulicht und Martinshorn müssen die Einsatzkräfte ihre Fahrzeuge kräftig abbremsen, um sich und anderen Verkehrsteilnehmern keinem Risiko auszusetzen. Wäre die Ampel dagegen schon kurz vor ihrem Eintreffen grün, könnten sie die Kreuzung sicher und zügiger passieren.

Insgesamt drei Polizeiwagen wurden in Berlin mit dem neuen HALI-System ausgestattet, um auf Einsatzfahrten „grünes Licht“ von den Ampelanlagen im Stadtgebiet zu bekommen. Foto: DLR

Eine mögliche Lösung für eine unfallfreie und zügige Einsatzfahrt liefern spezielle Signale des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo. „HALI-Berlin ist weltweit das erste und bisher einzige Projekt, in dem die Satellitensignale und operationelle Galileo Public Regulated Service (PRS)-Empfänger im realen Einsatz verwendet werden. Diese Kombination aus Galileo PRS-Empfängern in Einsatzfahrzeugen und moderner Kommunikations- und Verkehrstechnik in Ampeln hat nun ihren ersten Praxistest gemeistert“, betont René Kleeßen, Direktor für Organisationen und Infrastruktur in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Durch die grün zeigenden Ampeln verliefen die Fahrten gleichmäßiger – also mit weniger starkem Abbremsen und Beschleunigen in den Kreuzungsbereichen. „Die innovative Satellitennavigationstechnologie wird in Zukunft das Leben von Einsatzkräften und anderen Verkehrsteilnehmern schützen und gleichzeitig die Einsatzfahrten beschleunigen. Raumfahrt leistet so ihren Teil, um den Verkehr auf der Erde sicherer zu machen“, führt Kleeßen aus. Zudem konnten die ausgerüsteten Einsatzfahrzeuge dank Galileo PRS-Technologie und Sensorfusion trotz Häuserschluchten, Tunneln und Brücken fahrstreifengenau geortet werden.

Ampelsteuerung für Einsatzfahrzeuge

Der Begriff „HALI“ leitet sich aus der Abkürzung des Finnischen „HälytysAjoneuvojen LIikennevaloetuudet“ ab, was übertragen „Ampelsteuerung für Einsatzfahrzeuge“ bedeutet. Anders als bei der ursprünglichen Systemidee aus Finnland kommt bei HALI-Berlin allerdings eine hochgenaue und zugleich stör- und täuschungssichere Positionsbestimmung auf Grundlage des Galileo Public Regulated Service (PRS) für eine grüne Welle für Einsatzfahrzeug zum Einsatz. Eine leistungsfähige Verschlüsselung verhindert effizient, dass Zeitsignal und Position absichtlich durch sogenanntes Spoofing verfälscht werden. Darüber hinaus erschwert PRS das sogenannte Jamming, also die gezielte Unterbrechung oder Überlagerung der Signale durch eine Störquelle.

„Diese doppelte Sicherheit macht eine Vielzahl sicherheitskritischer und anspruchsvoller Anwendungen überhaupt erst möglich. Außerdem bieten das spezielle Signaldesign und die Verwendung verschiedener Frequenzen maßgebliche Vorteile unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie innerstädtische Häuserschluchten mit Abschattungen. Galileo PRS ist damit ideal geeignet, um in einem anspruchsvollen Szenario, wie bei der Ampelsteuerung für Einsatzfahrzeuge durch die Berliner Feuerwehr und Polizei, eingesetzt zu werden”, erklärt Hendrik Osenberg, HALI-Projektleiter bei der DLR.

Partner entwickelten PRS-Empfänger für den Einsatz weiter

Damit das HALI-System in einen Realbetrieb übergehen kann, wurden die bisher unter Laborbedingungen betriebenen PRS-Empfänger weiterentwickelt, um zuverlässiger und robuster zu arbeiten. „Im Einsatzalltag müssen die Spezialempfänger den harten Witterungsbedingungen sowie Stoß- und Beschleunigungsvorgängen im Fahrzeug widerstehen können. Ebenso wurden sie mit Blick auf Größe und Gewicht optimiert, da in den Einsatzfahrzeugen oftmals nur wenig Platz vorhanden ist“, erklärt Alexander Rügamer, HALI-Projektleiter beim Fraunhofer IIS. Weil die Stromversorgung über das Bordnetz abgedeckt wird, mussten die Entwickler außerdem den „Energiehunger“ der Empfänger senken, bevor die Geräte für den Praxiseinsatz genutzt werden konnten. Insgesamt fünf Einsatzfahrzeuge wurden mit diesen weiterentwickelten Empfängern ausgerüstet – davon drei Streifenwagen der Polizei Berlin sowie ein Rettungswagen und ein Lösch- und Hilfeleistungsfahrzeug der Berliner Feuerwehr. All diese Fahrzeuge sind regelmäßig im Stadtteil Moabit im Einsatz, der das Testfeld für HALI-Berlin bildet.

„Eine präzise und sichere Positionsbestimmung über Galileo-PRS allein beschert dem Einsatzfahrzeug jedoch noch keine grüne Welle“, erklärt Robert Oertel, HALI-Projektleiter beim DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik. Auch die Ampeln müssten technisch so ausgerüstet sein, dass sie von den Einsatzwagen „angesprochen” werden können. Sie müssen dafür einen sogenannten Bevorrechtigungswunsch erkennen und umsetzen können. Daher wurden acht Anlagen im Testgebiet zusätzlich mit spezieller Kommunikations- und Verkehrstechnik ausgestattet. „Dadurch können sich die nähernden Fahrzeuge an diesen Ampeln mit einem zeitlichen Vorlauf anmelden, woraufhin diese dann automatisch auf Grün schalten. So wird ein möglicher Rückstau bereits im Vorfeld vermieden. Die Einsatzfahrzeuge können so sicher und mit höherer Geschwindigkeit über die Kreuzung fahren“, so Oertel weiter. Die Koordination einer Einsatzroute über mehrere Ampeln hinweg übernimmt dabei ein intelligentes Backend. Der zentrale HALI-Server empfängt von den Einsatzleitsystemen der Feuerwehr und Polizei zunächst Informationen zu den Einsatzzielen der ausgerüsteten Fahrzeuge. Die Einsatzrouten entsprechen dabei den von Feuerwehr und Polizei am häufigsten gewählten Strecken. (jr)

www.dlr.de

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Positionsbestimmung an einer gerade gefällten und vom Borkenkäfer befallenen Fichte. Foto: Universität Trier

Dafür gehen die Forscher kreative Wege: „Der Borkenkäfer befällt fasst ausschließlich Fichten, die darauf unter anderem durch Veränderungen in den Nadeln reagieren. Diese Reaktion wollen wir nutzen und herausfinden, ob sich aus dem Reflexionssignal, das von Fichtennadeln aufgezeichnet wird, Informationen über das Stadium sowie über die Verbreitung des Borkenkäfers erfassen lassen“, erläutert Dr. Johannes Stoffels von der Universität Trier das Ziel des Forschungsprojekts.

Nichtsdestotrotz ergibt sich für die Projektpartner eine anspruchsvolle Aufgabe, schließlich sind die zu identifizierenden Schädlinge nur zwei bis drei Millimeter groß. Entscheidende Dienste leistete in diesem Zusammenhang ein von NASA und ESA zur Verfügung gestelltes und mit hochauflösenden Instrumenten ausgerüstetes Spezialflugzeug. Die in Zürich stationierte Maschine stand den Forschern jedoch lediglich für zwei Tage zur Verfügung. Die Flugmission und damit das gesamte Forschungsprojekt drohten mehrfach zu scheitern – erst an schlechtem Wetter und später an einem Flugverbot. Im letzten Versuch konnte das Flugzeug zumindest einen Streifen des ursprünglich vorgesehenen Gebiets des Nationalparks überfliegen.

Dennoch zeigt sich Dr. Johannes Stoffels zufrieden mit den Ergebnissen: „Die Datenqualität ist glücklicherweise hervorragend und ausreichend für unsere Forschung.“ Auf Basis der aus dem Spezialflieger übermittelten Daten nahmen die zeitgleich auf dem Boden operierenden Forscher und Nationalpark-Ranger Proben aus infizierten Bäumen in unterschiedlichen Befallsstadien. Die Proben werden nun in Laboren analysiert, parallel dazu bereitet die NASA die beim Flug erhobenen Daten auf. Voraussichtlich im Herbst wird das Forschungsteam rund um Dr. Martin Schlerf vom LIST mit der wissenschaftlichen Auswertung beginnen können.

Sollte es am Ende mit Mitteln der Fernerkundung gelingen, sowohl die Ausbreitung des Borkenkäfers als auch das jeweilige Stadium des Befalls großflächig zu erkennen, wäre diese für das Monitoring und die Kontrolle der Käferausbreitung ein großer Schritt vorwärts, so Dr. Johannes Stoffels: „Nicht nur in Deutschland, sondern europaweit ist der Borkenkäfer zu einem massiven Problemfall geworden. Eine entscheidende Voraussetzung für die Eindämmung der Borkenkäfer-Verbreitung ist, den Befall möglichst früh zu erkennen und betroffene Bäume aus dem Wald zu entnehmen.“ Die Fernerkundung könnte hierzu deutlich präzisere und umfassendere Analysen liefern, als dies mit der derzeitigen aufwendigen und lückenhaften Beobachtung vom Boden aus möglich ist. (jr)

www.uni-trier.de

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