Projekt

Auswirkungen des Klimawandels sowie die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung führen bereits heute zu erhöhten Nährstoffeinträgen in Fließgewässer und Talsperren. Insbesondere die Bodenerosion und der damit verbundene Stoffeintrag in die Gewässer und Talsperren sind für den Gewässerschutz und die Sicherung der Trink- und Rohwasserqualität von großer Bedeutung. Wasserbehörden, Wasserwirtschafts- und Abwasserverbände sowie Kommunen stehen somit vor neue Herausforderungen. Um auch zukünftig eine effiziente und umweltschonende Gewässerbewirtschaftung gewährleisten zu können, sind Anpassungen an die sich verändernden Rahmenbedingungen erforderlich. Es besteht der Bedarf nach wasserwirtschaftlichen Monitoringprogrammen mit dem Ziel, Maßnahmenpläne zur Minimierung von Stoffeinträgen in Oberflächengewässer zu entwickeln. Das Forschungsvorhaben WaCoDiS wird in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag zur Verringerung der Schadstoffein- und -austräge leisten, wodurch zukünftig bspw. fallspezifische Strategien zur Düngemittelplanung und zur landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsweise entwickelt und in Kooperation mit den Landwirten umgesetzt werden können.

Insbesondere die Quantifizierung und präzise Verortung von Stoffausträgen sowie eine qualitativ optimierte Modellierung von Sediment- und Schadstoffeinträgen in Fließgewässer und Talsperren sollen zu einem verbesserten Gewässermonitoring beitragen. Nicht nur die Lokalisierung von Verursachern sondern vor Allem auch die zeitnahe Entwicklung, Umsetzung, Validierung und Überwachung fallspezifischer Maßnahmen zum Gewässerschutz können somit ermöglicht werden. Erreicht wird das Projektziel durch eine Kombination verschiedener Datenquellen, bestehender webbasierter Informationssysteme und neuer Modellkomponenten. Damit leistet WaCoDiS ebenso einen wichtigen Beitrag zur Digitalen Agenda der Bundesregierung. Es werden Lösungsstrategien entwickelt, wie umfangreiche Datenbestände (Big Data) so (automatisiert) aufbereitet werden können, dass letztendlich wichtige Informationen für verschiedene Anwendungen und Nutzerkreise zur Verfügung stehen (Smart Data).

Die zu entwickelnde Anwendung soll im Verbandsgebiet des Wupperverbandes, dem 813 km² großen Einzugsgebiet der Wupper, zur flächenzentrierten Herkunftsermittlung und Quantifizierung des Stoffeintrags in die Gewässer und Talsperren im operativen Testbetrieb getestet und umfassend validiert werden. Somit lassen sich bestehende wasserwirtschaftliche Monitoringprozesse speziell im Hinblick auf die Wasserreinhaltung und den Gewässerschutz optimieren. Dabei wird im Rahmen einer Machbarkeitsstudie außerdem untersucht, inwieweit die Analyse und Prognose von Starkregenereignissen auf Basis frei verfügbarer Massendaten (Big & Open Data) in Kombination mit in-situ Daten optimiert und dadurch zukünftig das Schadenspotenzial abgeschätzt und letztendlich minimiert werden kann.

Im Rahmen des Projekts erfolgt die Entwicklung eine technische Lösungskonzept für die Umsetzung eines softwareunabhängigen umfassenden Gewässermonitoring. Dieses Konzept umfasst vor allem die folgenden Aspekte:

• Integration raum-zeitlich gut aufgelöster satellitengestützter Fernerkundungsdaten (Copernicus, Deutscher Wetterdienst) in die bestehende GDI des Wupperverbands auf Basis standardisierter Schnittstellen und Technologien (Sensor Web und Geodatendienste wie z.B. das FluGGS)
• interoperable Vernetzung und kombinierte Analyse unterschiedlicher Satellitendatensätze (u. a. Landbedeckung, Bodenparameter, meteorologische Parameter) und heterogener Messdaten mit unterschiedlichem raum-zeitlichen Auflösungsvermögen (u. a. digitale Orthofotos, Bilddaten von Kameras und Drohnen, digitale Höhenmodelle und In-situ-Komponenten, wie Gewässerqualitätsparameter und meteorologische Parameter)
• Ableitung von Informationsprodukten und Entwicklung innovativer Analysedienste aus der kombinierten und automatisierten Analyse von Sentinel-1 und Sentinel-2 Datensätzen (z. B.: intraanuelle Variabilität des Bodennährstoffhaushaltes, Vitalität des Bewuchses)
• Anpassung fachspezifischer (hydrologische und limnologische) Modellsysteme zur Simulation von Stoffeinträgen und -flüssen (Erosion, Sediment)
• Entwicklung fallspezifischer Maßnahmen zum Wasser­schutz, die zukünftig in Kooperation mit Landwirten umgesetzt werden können

Die entwickelten wasserwirtschaftlichen Analysedienste und Modelle lassen sich schließlich in zielgruppenspezifische Anwendungen integrieren, die von Fachanwendern für eine optimierte Prozessbearbeitung verwendet werden können.

Technische Konzeptskizze zu WaCoDiS

Durch die Integration von Satellitendaten und weiteren In-situ Messdaten wird erstmalig eine präzise räumliche und aktuelle Verortung der Herkunft der Stoffausträge und eine qualitativ optimierte Modellierung der Sediment- und Schadstoffeinträge möglich. Erstmalig wird das Potenzial einer kombinierten Analyse der Sentinel-1 und Sentinel-2 Datensätze genutzt, um neben Informationen zur Landbedeckung und deren Dynamik, auch Aussagen über die intraannuelle Variabilität der Bodenfeuchte und des Bodennährstoffhaushalts (bspw. Nitrat- und Phosphorgehalt des Bodens) flächenbezogen ableiten zu können. Ergänzend sollen zudem relevante Daten aus dem Datenbestand des DWDs (Satellitendaten und In-situ Daten) einbezogen werden, um die Aussagen zur Bodenfeuchte zu validieren sowie die Analyse der Auswirkungen von Starkregenereignissen auf operativer Ebene zu verbessern.Auf dieser Basis können fallspezifische Maßnahmen zum Gewässerschutz entwickelt und zukünftig in Kooperation mit den Landwirten zeitnah umgesetzt werden.

WaCoDiS nutzt die gegenwärtigen Entwicklungen in den Bereichen der interoperablen Systemvernetzung und der Verfügbarkeit von satellitengestützten Fernerkundungsdaten zur Entwicklung eines direkten Zugriffs auf und die Einbindung von Satellitendaten in eine bestehende GDI, welche auch die direkte Prozessierung von Massendaten (Big Data) ermöglicht. Eine Microservice-orientierte und ereignisgesteuerte Systemarchitektur bildet die Grundlage für die Umsetzung automatisierter Prozessierungsworkflows. Hierbei besteht zudem die Gelegenheit, die im Rahmen von WaCoDiS zu entwickelnde Softwarearchitektur direkt auf eine Anbindung an die sich gegenwärtig im Aufbau befindliche Copernicus Datenplattform Deutschland (CODE-DE) vorzubereiten.

Nach Projektabschluss steht ein innovatives, webbasiertes Monitoringwerkzeug zur Verfügung, welches im Rahmen von WaCoDiS an unterschiedlichen wasserwirtschaftlichen Handlungsfeldern zur Vorbereitung des operationellen Einsatzes im Testbetrieb umfassend validiert wird. Die modulare Softwarearchitektur erlaubt es zudem, die Anwendung zukünftig problemlos auf andere Bereiche zu übertragen und als Basis komponentenbasierter Software zu verwenden. Durch die Verwendung standardisierter Schnittstellen (z.B. OGC Web Coverage Service (WCS), OGC Web Processing Service (WPS) sowie OGC Sensor Web Enablement (SWE) Standards) können bspw. Sensordaten anderer Fachbereiche, die sich mit Fragestellungen zum Umweltmonitoring beschäftigen, in dieses softwareunabhängige, webbasierte System eingebunden werden, welches die integrierten (Fach-) Informationen anschließend einem breiten Anwenderkreis zeitnah zur Verfügung stellen kann.