Bauingenieurwesen & Projektmanagement
Mithilfe von Künstlicher Intelligenz lassen sich Küstenlandschaften heute deutlich schneller analysieren als noch vor wenigen Jahren. Nun haben Forschende der Hochschule Biberach (HBC) eine neue Open-Source-Software entwickelt, die auf weltweites Interesse stößt – sogar für die Erforschung des Mars.
TerraceM-3 – so lautet der Name des Werkzeuges zur automatisierten Kartierung sogenannter Meeresterrassen. Das Tool ist am Institut für Geo und Umwelt in der Fakultät Bauingenieurwesen und Projektmanagement an der HBC federführend durch Prof. Dr. Julius Jara Muñoz entwickelt worden.
Meeresterrassen sind charakteristische Landformen in Küstenregionen, die durch jahrhundertelange Veränderungen des Meeresspiegels entstehen und so wertvolle Informationen über die Erd- und Klimageschichte speichern. An ihrer Beschaffenheit lassen sich sowohl Schwankungen des Meeresspiegels als auch tektonische Bewegungen, etwa durch Erdbeben an den Küsten in Nord- und Südeuropa, Südamerika oder Asien nachvollziehen. Da diese Landschaftsformen zunehmend durch menschliche Eingriffe zerstört werden, gewinnt ihre systematische Erfassung und Dokumentation immer mehr an Bedeutung.
„Meeresterrassen werden zwar bereits seit den 1970er-Jahren zur Klimaforschung genutzt, ihre Kartierung erfolgte bis vor wenigen Jahren aber noch sehr mühsam und beruhte ausschließlich auf qualitativen Beobachtungen ohne standardisierte Verfahren.“, so Julius Jara Muñoz, Professor im Lehrgebiet Ingenieurgeologie an der HBC.
Seit Beginn der Entwicklung von TerraceM im Jahr 2016 hat sich das Tool stets weiterentwickelt und kombiniert derzeit zwei moderne Methoden, um Meeresterrassen präzise zu identifizieren und zu kartieren. Die Grundlage bilden hochauflösende topografische Laserdaten von Küstengebieten, die im Rahmen der sog. ICESat-2-Mission der NASA erfasst wurden. Dadurch können Geländeformen sowohl an Land als auch unter Wasser detailliert analysiert werden. Ergänzend kommt Machine Learning zum Einsatz: Der Computer erkennt anhand der Geländedaten charakteristische Muster und unterstützt so die automatisierte Erkennung der Terrassen. Statt Wochen oder Monaten manueller Kartierung können große Küstengebiete heute innerhalb kurzer Zeit analysiert werden. In diesem Bereich holte sich Prof. Julius Jara die Expertise von Prof. Dr. Chrystelle Mavoungou-Pfäffle mit ins Team. So entstand eine ungewöhnliche, aber produktive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Fachgebieten Bauingenieurwesen (Prof. Jara) und Biotechnologie (Prof. Mavoungou-Pfäffle). Unterstützt wurden die beiden zudem von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter.
TerraceM ist inzwischen in seiner dritten Version verfügbar und wird als kostenloses Open-Source-Projekt kontinuierlich über eine eigene Webseite weiterentwickelt. Die Software basiert auf der Programmiersprache MATLAB und verfügt über eine benutzerfreundliche grafische Oberfläche. So können Forschende das Tool auch ohne Programmierkenntnisse nutzen.
Meeresterrassen werden zwar bereits seit den 1970er-Jahren zur Klimaforschung genutzt, ihre Kartierung erfolgte bis vor wenigen Jahren aber noch sehr mühsam und beruhte ausschließlich auf qualitativen Beobachtungen ohne standardisierte Verfahren.
Prof. Julius Jara Muñoz
Bereits jetzt findet das Werkzeug internationale Beachtung: Wissenschaftler*innen der Sun Yat-Sen University in Guangdong, China, möchten TerraceM-3 mit dem ambitionierten Ziel einsetzen, den Mars geologisch zu untersuchen. Vor rund 4 Mrd. Jahren soll sich auf dem roten Planet ein Ozean befunden haben, dessen Beschaffenheit sowie weitere wertvolle Informationen zu Windverhältnissen und Wellenhöhen sich an den erhaltenen Landschaftsformen theoretisch rekonstruieren lassen. Aufgrund der deutlich geringeren Schwerkraft auf dem Mars – sie ist nur 30% so stark wie die der Erde – liegt die Vermutung nahe, dass es sich um echte Monsterwellen mit einer Höhe von 50 m oder mehr gehandelt haben muss.
TerraceM wurde seit seiner Einführung inzwischen in mehr als 25 Ländern eingesetzt und in über 100 wissenschaftlichen Publikationen zitiert. „Das Beispiel der Mars-Erkundung zeigt, dass das Tool weit über seinen ursprünglichen Anwendungsbereich hinaus genutzt wird und Wissenschaftler*innen weltweit eine frei zugängliche Plattform zur Analyse ehemaliger Küstenlandschaften bietet.“, resümiert Prof. Julius Jara.
In den vergangenen Jahren besuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Chile, Griechenland und Mexiko die Hochschule Biberach, um sich kooperativ in die Software einzuarbeiten. Aufgrund des anhaltenden internationalen Interesses sind für die kommenden Jahre weitere Schulungen und Workshops geplant.
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