Das Nerthus-Projekt

Wenn Wasserwissenschaft und Datenwissenschaft gemeinsame Sache gegen Cyanobakterien machen

Der Kontext:

Angesichts der weltweiten Klimaerwärmung und der zunehmenden menschlichen Aktivitäten in der Nähe von Wasserstellen treten immer häufiger Cyanobakterienblüten auf, die zu einer Wasserkontamination führen können. 

Die Problematik:

Da Cyanotoxine mit verschiedenen Gesundheitsproblemen bei Mensch und Tier in Verbindung gebracht werden, können diese Ereignisse schwerwiegende Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit und die Wirtschaft haben. Es liegt daher im Interesse aller Wasserwirtschafter, möglichen Gesundheitsschäden durch die Nutzung von Trinkwasser, beim Baden, bei der Fischerei und in der Landwirtschaft vorzubeugen.

Die Lösung:

Eine revolutionäre Idee zur Bewältigung dieses Problems: Konnten wir vielleicht mithilfe von neuen Technologien Cyanobakterienblüten vorhersagen, bevor sie auftreten?

Fortschritte in den Bereichen künstliche Intelligenz und Big-Data-Analyse erlauben den Einsatz einer ganzen Reihe von neuen Methoden zur Nutzung von Erdbeobachtungsdaten aus Satellitenbildern – man muss sie nur verarbeiten können.

In diesem Zusammenhang schlug WaterShed Monitoring der SCALIAN-Gruppe eine innovative Partnerschaft vor: Die Teams von WaterShed Monitoring (mit Fachkenntnissen in Limnologie, Fernerkundungssystemen und Klimatologie) und die Datenwissenschaftler von SCALIAN könnten gemeinsam ein Tool entwickeln, das anhand der Analyse von Satellitenbildern die für die Ausbreitung von Cyanobakterien günstigen Bedingungen vorhersagen kann.

Damit sollte Strandbetreibern, Gesundheitsbeamten und Verwaltern von Wasserflächen (deren Wasser zur Trinkwassergewinnung, zum Angeln, zum Tränken von Vieh und zur Bewässerung verwendet wird) ein leicht zugänglicher Vorhersagedienst angeboten werden.

Das war die Geburtsstunde des Projekts. Es wurde beim Centre national d’études spatiales (CNES) und der European Space Agency (ESA) eingereicht und vor allem aufgrund des Fachwissens des Teams von WaterShed Monitoring und seines Zugangs zu umfangreichen Umweltdatensätzen ausgewählt und unterstützt.  Diese von Partnerorganisationen zur Verfügung gestellten Datensätze, die in Enki gespeichert und strukturiert werden, sind eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg eines solchen Modellierungsprojekts.

„[Nerthus] hat Innovationspotential: Wir werden neue Möglichkeiten für die Nutzung digitaler Daten, die durch die entsprechende Technik im Weltraum gesammelt werden, schaffen, und so unseren Wasserverbrauch und die Entwicklung der Wasserqualität messen, analysieren und vorhersagen können. Der Mensch […] erhält dadurch die Fähigkeit und die Verantwortung, für dieses so kostbare gemeinsame Gut zu handeln.“ – Yvan Chabanne, Präsident der SCALIAN-Gruppe.

Konkret setzt die neu entwickelte Lösung auf ein System künstlicher Intelligenz, um Informationen aus verschiedenen terrestrischen und räumlichen Datenquellen zu extrahieren, insbesondere aus multispektralen Satellitenbildern, die einer digitalen Nachbearbeitung unterzogen wurden. Deep Learning liefert dann einen ersten Indikator für das mögliche Auftreten von Cyanobakterienblüten in einem geografischen Zielgebiet.

Die ergonomische Benutzeroberfläche und die Datenaggregationsfähigkeiten der Enki-Software dienen dazu, die Vorhersagemodelle der künstlichen Intelligenz zu füttern und den Nutzern die Vorhersagen mitzuteilen.

Eine im Jahr 2021 durchgeführte Machbarkeitsstudie sollte ermitteln, wie realistisch eine Umsetzung, Industrialisierung und Vermarktung der entwickelten Lösung wäre und lieferte sehr vielversprechende Ergebnisse, sowohl hinsichtlich der Marktrelevanz als auch der wirtschaftlichen und technologischen Machbarkeit. Sie identifizierte darüber hinaus weitere Elemente, die zukünftig weiterentwickelt werden könnten.

„Unsere Lösung kann Ausblühungen vor ihrem Auftreten vorhersagen. Sie gibt daher den Beteiligten Zeit, ihre Schutzpläne und Maßnahmen zur Schadensbegrenzung umzusetzen, bevor es zu spät ist. Nur so kann einer Exposition von Mensch und Tier gegenüber Cyanobakterien-Toxinen und deren Folgen vorgebeugt werden. – Sonja Behmel, pH. D., President und Director of Watershed Monitoring.

Das Ergebnis:

Das Konsortium aus WaterShed Monitoring und Scalian verfügt nun über ein funktionales Tool für Betatester und beginnt 2022 mit der aktiven Serienfertigung der entwickelten Lösung. Dabei wird es von der ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES unterstützt.

Betatests werden mit dem Regional District of North Okanagan (Kanada), Agiro (Kanada), PETR du Pays de Langres (Frankreich) und dem Niedersächsischen Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (Umweltministerium des Landes Niedersachsen) gestartet.

Gleichzeitig dazu feilen die Partner weiter an den Vorhersagemodellen und arbeiten insbesondere an der Integration anderer Arten von Satellitendaten, die unter anderem die Überwachung des Wassereinzugsgebiets, des Haffs und der Küste ermöglichen werden.

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