Vom Satellitenbild zum Trinkwasserkonzept

Wass­er ist eine der wichtig­sten Ressourcen für uns Men­schen – sei es als Trinkwass­er oder zur Bewässerung in der Land­wirtschaft. In eini­gen Regio­nen, die bere­its heute mit Wasserk­nap­pheit kämpfen, ist die Ver­sorgung etwa durch den Kli­mawan­del stark gefährdet. Gle­ichzeit­ig steigt weltweit der Wasserbe­darf. Für die Entwick­lung und Umset­zung von Trinkwasserkonzepten für Städte in Wasser­man­gel­re­gio­nen ist es entschei­dend, präzise Infor­ma­tio­nen über die Böden im Einzugs­ge­bi­et von Flüssen zu bekom­men. Dies ist vor allem in unwegsamen Gelän­den bish­er schwierig. Forscherin­nen und Forsch­er des Karl­sruher Insti­tuts für Tech­nolo­gie (KIT) arbeit­en nun an ein­er KI-basierten Meth­ode, die anhand von Luftauf­nah­men und Satel­liten­bildern ver­lässliche Angaben über Bodeneigen­schaften machen kann.

„Einige Bodeneigen­schaften kön­nen wir zwar jet­zt schon mit herkömm­lichen Bil­d­analysemeth­o­d­en erhal­ten. Para­me­ter wie etwa die Boden­feuchte und Bodenart kön­nen wir jedoch nur durch aufwendi­ge Proben erfassen“, sagt Felix Riese vom Insti­tut für Pho­togram­m­me­trie und Fern­erkun­dung (IPF) des KIT. Dies ist bei unwegsamem Gelände nur schw­er oder gar nicht möglich. Hier set­zt der Physik­er in seinem Forschung­spro­jekt an: „Wir arbeit­en an ein­er Kün­stlichen Intel­li­genz, die nur aus Satel­liten- und Luft­bildern Angaben über zum Beispiel die Boden­feuchte, die Art der Veg­e­ta­tion oder die Boden­zusam­menset­zung ermit­telt. Diese Zusam­men­hänge sind oft so kom­plex, dass ein Men­sch sie nicht mit einem herkömm­lichen Algo­rith­mus beschreiben kann. Unsere KI soll sie selb­st­ständig erken­nen und miteinan­der verknüpfen.“

Bei ein­er gemein­samen Kam­pagne mit dem Insti­tut für Wass­er und Gewässer­en­twick­lung des KIT, die Riese koor­dinierte, haben die Forscherin­nen und Forsch­er des KIT in Peru Boden­proben genom­men. Außer­dem haben sie ihr gesamtes Unter­suchungs­ge­bi­et mit ein­er speziellen Kam­era ges­can­nt, die auf einem Hexa­kopter mon­tiert ist. Sie macht Auf­nah­men im Hyper­spek­tral­bere­ich und bildet das Hun­dert­fache an sicht­baren Infor­ma­tio­nen im Ver­gle­ich zu nor­malen Kam­eras ab. „Mit diesen Dat­en trainieren wir die KI so lange, bis sie die Luftauf­nah­men so auswertet, dass sie mit den von uns gemesse­nen Werten übereinstimmen.“

Um die Meth­ode auch außer­halb der Testre­gion in Peru anwen­den zu kön­nen, speisen Riese und seine Kol­legin­nen und Kol­le­gen Dat­en aus Gebi­eten in die KI ein, die etwa trock­en­er sind, oder eine andere Veg­e­ta­tion haben. „Wenn wir die KI richtig trainieren, sind müh­same und teure Messkam­pag­nen vor Ort nicht mehr nötig, um genaue Infor­ma­tio­nen über den Zus­tand des Grund­wassers zu ermit­teln“, sagt Riese. Ziel ist, dass dafür ein Satel­liten­bild aus­re­icht. Diese Auswer­tun­gen kön­nten kün­ftig beispiel­sweise die schnellere und gün­stigere Umset­zung von Trinkwasserkonzepten für Städte unterstützen.

Trinkwasserversorgung nachhaltig, gerecht und ökologisch

Felix Rieses Forschung ist Teil des Pro­jek­ts TRUST unter der Koor­di­na­tion von Sina Keller. Hier arbeit­en Exper­tin­nen und Experten ver­schieden­er Ein­rich­tun­gen und Diszi­plinen zusam­men, um am Beispiel des Wassere­inzugs­ge­bi­ets der Region Lima/Peru ganzheitliche Pla­nungswerkzeuge und neuar­tige, nach­haltige Wasserv­er- und Abwasser­entsorgungskonzepte zu entwick­eln, vor allem für die Trinkwasserver­sorgung. In TRUST arbeit­en die Uni­ver­sität Stuttgart (Koor­di­na­tion), das KIT, das Tech­nolo­giezen­trum Wass­er, Disy Infor­ma­tion­ssys­teme GmbH, decon Inter­na­tion­al GmbH, Inge­nieur­büro Pab­sch & Part­ner sowie die Inge­nieurge­sellschaft mbH zusam­men. Das Bun­desmin­is­teri­um für Bil­dung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt.