Projekt

Problemstellung

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.

Projektziel

Ziel ist die Quantifizierung und präzise Verortung von Stoffausträgen sowie eine qualitativ optimierte Modellierung von Sediment- und Schadstoffeinträgen in Fließgewässer und Talsperren. Dies erlaubt nicht nur die Lokalisierung von Verursachern sondern insbesondere auch die zeitnahe Entwicklung, Umsetzung, Validierung und Überwachung fallspezifischer Maßnahmen zum Gewässerschutz. 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, um die bestehenden wasserwirtschaftlichen Monitoringprozesse speziell im Hinblick auf die Wasserreinhaltung und den Gewässerschutz zu 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.

Technisches Konzept

Zur Erreichung der Projektziele erfolgt die Entwicklung eines technisches Lösungskonzepts zur softwareunabhängigen 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). Die 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) bilden die Grundlage für weiterführende, integrierte Auswertungen und Analysedienste. Zusätzliche werden fachspezifische (wasserwirtschaftliche und limnologische) Modellsysteme zur Simulation von Stoffeintragspfaden und für die Berechnung von Erosionsfrachten in die GDI über offene Standards angebunden. 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

Innovation

Im Rahmen diese Vorhabens wird eine webbasierte Anwendung entwickelt, die es ermöglicht Daten aus verschiedenen Quellen und Zuständigkeitsbereichen und mit unterschiedlichem raum-zeitlichen Auflösungsvermögen zentral zu sammeln, zu vernetzen, zu analysieren und zu visualisieren. Durch eine Integration von Satellitendaten und weiteren In-situ Messdaten in dieses System wird erstmalig eine präzise räumliche und aktuelle Verortung der Herkunft der Stoffausträge und eine qualitativ optimierte Modellierung der Sediment- und Schadstoffeinträge möglich, auf deren Basis fallspezifische Maßnahmen zum Gewässerschutz entwickelt und zukünftig in Kooperation mit den Landwirten zeitnah umgesetzt werden können.

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. Hierbei besteht auch 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. Zudem wird in WaCoDiS erstmalig das Potenzial einer kombinierten und automatisierten 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.

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.