In einer zunehmend von Plastikverschmutzung bedrohten Welt, setzt unser Forschungsprojekt PlasticObs+ neue Maßstäbe in der Umweltüberwachung. Im Zentrum unserer Arbeit steht dabei ein Prozess, der die Brücke zwischen hochmoderner Technologie und der realen Umwelt schlägt: das Ground Truthing. Wir durften Dr. Sabine Schründer bei Ihrer Arbeit über die Schulter blicken. Sie ist Projektmanagerin der everwave GmbH, der verantwortlichen Konsortialpartnerin für das Ground Truthing innerhalb des PlasticObs+ Projekts. Als Startup widmet sich everwave weltweit der Reinigung von Flüssen und bringt eine unvergleichliche Hands-On-Expertise in das Projekt ein.
Was wird unter Ground Truthing verstanden und warum ist es eine entscheidende Komponente des PlasticObs+ Projekts?
Das Prinzip des Ground Truthing bezieht sich auf den Prozess der Überprüfung und Validierung von durch Fernerkundungstechnologien erzeugten Daten. In diesem Fall Luftbildaufnahmen einer Abfallansammlung auf dem Wasser und der tatsächlichen Zusammensetzung des Abfalls. Dabei ist die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der fernerkundeten Daten zu überprüfen, indem reale Daten mit den fernerkundeten Informationen abgeglichen werden. Dies soll sicherstellen, dass die auf den Bilddaten identifizierten Merkmale korrekt interpretiert wurden. Der Prozess ist fundamental, um die Qualität und Verlässlichkeit der fernerkundeten Informationen zu gewährleisten, insbesondere wenn sie für wissenschaftliche, geografische oder umweltbezogene Analysen verwendet werden.
Wie wird das Ground Truthing bei PlasticObs+ konkret umgesetzt und welche Technologien Methoden kommen dabei zum Einsatz?
everwave sieht sich bei CleanUp-Aktionen weltweit immer wieder mit großen Mengen von Abfall auf unterschiedlichsten Gewässern konfrontiert. Je nach Strömung und Beschaffenheit des Gewässers ist der Abfall entweder weit und einzeln verstreut, oder, an natürlichen und/oder künstlichen Barrieren wie zum Beispiel Staudämmen in großen Teppichen konzentriert. Gerade an diesen Ansammlungen kann ein Müllsammelboot sehr effektiv arbeiten. Zur Identifizierung solcher Müll-Hot-Spots, gerade in unwegsamem Gelände, wurden in der Vergangenheit bereits Drohnen, die mit Kameras ausgestattet sind, eingesetzt.
Die Bilder dieses Abfalls auf dem Wasser stellen für das PlasticObs+ Projekt eine reale "Spielwiese" zur Prüfung der Genauigkeit des entwickelten Algorithmus dar. Erkennt der Sensor eine Plastikflasche als Plastikflasche, auch wenn sie schon wochenlang im Wasser treibt, dabei der Sonne ausgesetzt ist, kopfüber in einem Müllteppich steckt und mittlerweile ganz zerdrückt und verschmutzt ist?
Dafür werden Bilder eines Müllteppichs direkt vor dem Einsammeln durch das Boot aus der Vogelperspektive aufgenommen. Dazu eignen sich Drohnen am besten, aber auch Aufnahmen aus unterschiedlichsten Höhen mit einer handelsüblichen Action-Kamera sind möglich. Im Anschluss wird exakt der Abfall, der abfotografiert wurde, an Land getrocknet, gewogen und sortiert. Die tatsächliche Zusammensetzung des Abfalls "füttert" den Algorithmus mit wesentlichen Informationen über die Qualität der Bilderkennung, sowie den unterschiedlichsten Zuständen und optischen Degradationsstufen einzelner Abfall-Objekte.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Durchführung des Ground Truthing und wie werden diese bewältigt?
Wie so oft stellt sich die Arbeit auf dem Papier einfacher dar, als es in der Realität. Bei unseren ersten Durchläufen in Kambodscha war es vor allem die Strömung, die uns die Arbeit erschwert hat. Nach der erfolgreichen Bildaufnahme driftete ein Müllteppich so sehr auseinander, dass wir ihn nicht mehr 1:1 einsammeln konnten. Auch die ein oder andere Drohne haben unsere Experimente schon auf dem Gewissen. Dabei spielen natürlich Wind, aber auch überhängende Bäume oder Stromkabel eine Rolle.
Auch die detaillierte Sortierung des Abfalls ist ein fundamentaler Faktor. So fehlte in Bosnien & Herzegowina leider die Infrastruktur, um alle relevanten Daten des Abfalls zum Beispiel Anzahl, Gewicht, Materialsorten, Größe und relative Verteilung ausreichend genau bestimmen zu lassen.
Wir sind deswegen dazu übergegangen, die bestehende Infrastruktur eines parallel in Thailand entstandenen Projektes zu nutzen. Diese umfasst fest installierte Müllfallen in den Kanälen von Bangkok, die durch das everwave Müllsammelboot entleert werden, sowie eine Material Recovery Facility (MRF) zur Sortierung und Lagerung des gesammelten Abfalls.
Die sich täglich füllenden Müllfallen können in regelmäßigen Abständen als Beprobungs-Stationen genutzt werden. Die Bildaufnahme der Abfallaggregationen erfolgt durch Drohnen, oder alternativ durch an den Fallen installierte Kameras, die gleichwertige Bilder erzeugen und für die Beprobungen leichter einsetzbar sind. Vorteile an dem Konzept sind definierte und konstante Bedingungen sowie eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Probenahme für das Ground Truthing durch eine geringere Strömung in den Kanälen, einheitliche Sammelvorrichtungen und Bildaufnahmen. Zudem bleibt durch die Sammlung von Realproben in einer belasteten Umwelt die Relevanz und Aussagekraft wie bei den Probenahmen in Kambodscha und Bosnien & Herzegowina erhalten.
Dazu ergänzt sich das umfassende Wissen der Partner:innen in Sortierung, Zählung und Lagerung des gesammelten Materials.
Was sind Beispiele für Ergebnisse/Erkenntnisse, die wir durch Ground Truthing-Aktivitäten gewonnen haben bzw. uns erhoffen?
Mir ist beim letzten Durchlauf in Bangkok bewusst geworden, wie divers Abfallansammlungen in der Realität sind. Da treibt eine relativ neue PET-Flasche samt gut zu erkennender Banderole neben einem geschlossenen Müllbeutel, dessen Inhalt über die reine Bilderkennung nicht zu erkennen ist. Dazwischen Wasserpflanzen, Kinderspielzeuge, Autoreifen, fürs Gemüt auch schwerer zu ertragende Bilder wie tote Tiere, generell viel organisches Material, von großen Baumstämmen bis hin zu winzigen, undefinierbaren Stückchen. Auch die bereits angesprochene Vielfalt des optischen Zustandes eines Objektes einer bestimmten Abfall-Kategorie, insbesondere nach Wochen im Wasser ist enorm. Dies im Labor nachzustellen halte ich für nahezu unmöglich. Die Realproben erlauben es uns, die KI auf ihren Einsatz im Anschluss an das Projekt bestmöglich vorzubereiten.
Wie genau tragen die durch Ground Truthing gesammelten Daten zur Entwicklung von Strategien gegen die Plastikverschmutzung bei?
Die automatisierte Erkennung eines Objektes auf Grundlage einer Bilddatei ist das eine. Handelt es sich um eine Felsspitze im Wasser oder um ein großes Stück Styropor? Die Unterscheidung in unterschiedliche Kategorien, aber vor allem der Rückschluss auf die Menge und die Zusammensetzung des detektierten Abfalls ermöglicht zielgerichtete Maßnahmen zur Entfernung des Abfalls aus der Umwelt, sowie der optimalen Verwertung, im besten Falle Wiederverwertung des gesammelten Materials.
Und damit kommen wir zum Ziel des Forschungsprojekts PlasticObs+: Die Entwicklung eines künstlich intelligenten Systems zur weltweiten Erfassung von Daten zu Plastikmüllverteilung in der Umwelt mit Hilfe von Drohnen und Flugzeugen.
Die Informationen sind in der Präventionsarbeit besonders hilfreich: Mit ihnen unterstützen wir lokale Regierungen, Behörden und Umweltorganisationen die Ursache zu finden und Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Ergänzt mit Wetter- und Strömungsdaten kann auch everwave seine Cleanup-Technologie außerdem gezielter einsetzen.
Inwiefern interagiert das PlasticObs+ Projekt mit lokalen Gemeinschaften oder anderen Stakeholdern im Rahmen des Ground Truthing?
Seit fast einem Jahr kooperiert everwave in einem gemeinsamen Projekt mit der TerraCycle Thai Foundation in Bangkok. Als gemeinnützige Organisation hat sich die Foundation ein in Thailand unvergleichbares Netzwerk aufgebaut, um die Herausforderungen der Plastikverschmutzung in der Region anzugehen. Hand in Hand arbeiten Experten aus dem Bereich der Abfallwirtschaft mit der thailändischen Gesellschaft zusammen. Dabei liegt der Fokus darauf, Abfälle aus den stark verschmutzten Wasserwegen der dicht besiedelten Stadt zu erfassen und zu entfernen, bevor sie in die Ozeane gelangen. Die Stiftung unterstützt lokale Abfallarbeiter, sucht nach Recycling- und Marktlösungen für die gesammelten Materialien, erforscht regionale Abfalltrends und informiert die Öffentlichkeit anhand gesammelter Daten über effiziente Praktiken zur Reduzierung der Plastikverschmutzung in der Region. In den letzten Jahren ist eine bewährte Infrastruktur aus Müllfallen in den Kanälen von Bangkok entstanden. Der Abfall wurde bisher täglich mit kleineren Booten und manuell relativ aufwendig aus den Fallen aufgenommen und zu einer eigens errichteten Material Recovery Facility (MRF) gebracht, wo der Abfall getrocknet, sortiert und für ein möglichst nachhaltiges Recycling aufbereitet und verteilt wird.
Im Zuge der Kooperation mit everwave konnte im April 2023 eines unserer Müllsammelboote nach Thailand transferiert werden, um die Abfallsammlung aus den Fallen und den Transport zu der MRF messbar effizienter zu gestalten. Dazu wurden weitere Fallen gebaut, die für den Einsatz des Müllsammelbootes von everwave optimiert sind. Diese Fallen ermöglichen neben der effizienten Abfallsammlung auch beste Voraussetzungen als Beprobungsstationen für die Durchführung eines Ground Truthing-Ansatzes im Zuge des PlasticObs+ Projektes.
Im Projekt mit der TerraCycle Thai Foundation stehen neben dem umfassenden Wissen der Partner in den Bereichen der Sortierung, Zählung und Lagerung des gesammelten Materials also auch eine bereits bestehende Logistik aus Abfallfallen, Müllsammelboot, MRF und Personal zur Verfügung.
Welche nächsten Schritte sind für das Ground Truthing bei PlasticObs+ geplant und gibt es spezifische Ziele oder Meilensteine für die nahe Zukunft?
Der experimentelle Aufbau des Ground Truthings in Thailand wurde in den vergangenen Wochen erfolgreich getestet. Langfristiges Ziel ist es, diesen erfolgreich zu implementieren und das Personal vor Ort insoweit zu schulen, dass weitere Datenaufnahmen jederzeit und unter minimalem Aufwand reproduziert werden können, um die Genauigkeit des im Projekt PlasticObs+ entwickelten Algorithmus zur Bilderkennung bestmöglich zu optimieren.
Parallel bieten MRF wie die in Bangkok großes Potential zur Etablierung eines "Reallabors" unter Nutzung der vorsortierten Müllproben. Die Verfügbarkeit großer und diverser Mengen an realen Plastikproben erlaubt es an Land (Teststände auf der MRF) sowie im Wasser (Kanal vor der MRF) Bildaufnahmen und Metadaten vorsortierter und vordefinierter Abfallproben vorzunehmen. Die Idee ist, signifikante Objekte, die immer wieder in Abfallteppichen zu finden sind, aus unterschiedlichen Höhen, Winkeln, Einstrahlungen und in ihrer optischen Diversität zu erfassen.
Außerdem möchten wir in diesem Sommer gerne mit größeren Open-Air-Festivals kooperieren, um Ground-Truthing-Daten zu "echtem" wildem Abfall hier in Deutschland erheben zu können. Dabei geht es uns nicht um die Bewertung der Festivals sondern nur um das Potenzial, das diese uns für unsere Forschung bieten. Es ist in Deutschland nämlich zum Glück nicht so einfach, viel wilden Müll konzentriert auf kleiner Fläche zu finden.
Wir haben also noch viele spannende Aktionen geplant!
Danke, Dr. Schründer, für diese Einblicke!