Forschungsschwerpunkte am FZ:GEO

Mit der rasanten Entwicklung der satellitengestützten Fernerkundung ist es möglich, zeitlich und räumlich hoch aufgelöste geometrische und radiometrische Daten zur exakten Vermessung der Erdoberfläche und der Landbedeckung zu erhalten, aber auch Informationen über die Massenverteilung. Darüber hinaus ermöglicht die fortschreitende Sensor- und Rechnertechnologie eine in-situ Erfassung verschiedenster Zustände und Parameter aller Art von umwelt- und geobezogenen Informationen (Stichwort Sensornetze) sowie deren zeitliche Änderungen (Stichwort Monitoring). Damit gehen moderne Entwicklungen in der Methodik der Datenverarbeitung einher, die insbesondere im Bereich der automatischen Interpretation der Sensordaten zu ganz neuen Möglichkeiten führen (Stichwort Data Mining). Moderne Technologien bieten ferner die Möglichkeit der Verarbeitung auch größter, heterogener Datenmengen (Stichwort Big Data).

Diese Technologien und Methoden im Bereich der räumlichen Datenverarbeitung einzusetzen und insbesondere weiterzuentwickeln, ist Gegenstand aktueller Forschungen in den beteiligten Instituten des FZ:GEO. Messsysteme und zugehörige Plattformen wie optische und Thermalkameras, Laserscanner, Radar oder Hyperspektralscanner, airborne-geophysikalische Sensoren auch mit Drohnen als Träger, werden eingesetzt, um Umweltdaten zu erheben. In Bildern, Laserscans oder weiteren Geodaten (wie Trajektorien und bestehende Karten) teilweise implizit enthaltene Informationen werden durch Methoden des Machine Learning aus den Daten extrahiert – meist mit dem Ziel der Erfassung und Aktualisierung topographischer Information, für Monitoringaufgaben in den Umweltwissenschaften sowie in Land- und Forstwirtschaft bzw. zur Unterstützung im Katastrophenmanagement. Deep Learning Techniken werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, etwa zur Objekterkennung, aber auch zur Bildzuordnung und zur hochgenauen Georeferenzierung. Schließlich erfordert die Verfügbarkeit der großen, heterogenen Daten, die teilweise auch als kontinuierliche Datenströme vorhanden sind, die Nutzung von Verarbeitungsframeworks, die eine sinnvolle Verarbeitung erst ermöglichen, etwa das Hadoop Ökosystem.

Geowissenschaftliche Daten und Prozesse zeichnen sich dadurch aus, dass sie hochkomplex sind und dass die internen Zusammenhänge teilweise noch unklar oder unsicher sind. Die Zusammenarbeit zwischen Informatik und Geowissenschaften im Rahmen des Forschungszentrums bietet hervorragende Möglichkeiten für beide Disziplinen: die geowissenschaftlichen Daten und Fragestellungen sind von besonderer Art und stellen Herausforderungen aus Sicht der Datenerfassung und Verarbeitung dar. Auf der anderen Seite eröffnen die Technologien neue Herangehensweisen und Erkenntnisse für die geowissenschaftliche Seite. Die Zusammenarbeit ist daher nicht nur unbedingt erforderlich sondern zugleich hoch innovativ.

Die Oberfläche der Erde ändert sich ständig. Denn komplexe Wechselwirkungen zwischen den Prozessen im Erdinnern sowie die Ver­witterung und der Transport von Gesteinen an der Erdoberfläche führen zu diesen Veränderungen. Bekannteste natürliche Verformungen der Landschaften und Topographie sind z.B. tektonische Hebungen von Gebirgen, Einschneidung von Flüssen und der Material­transport in die Ozeane. Aber auch plötzliche Ereignisse wie Erdbeben, Über­schwem­mungen, Berg­stürze und Hangrutschungen verändern die Erdoberfläche.

Zugleich bildet die Erdoberfläche die Schnittstelle, an der Litho­­sphäre, Bio­sphäre und Atmosphäre wechselseitig aufeinander einwirken. Die Prozesse an dieser Schnitt­stelle sind von immenser Be­­deu­tung, um die Stoffkreisläufe im System Erde zu verstehen sowie den Ein­fluss von Klimaschwankungen und von menschlichen Eingriffen auf die Dynamik von Landschaften zu untersuchen. Ziel ist, die Interaktion von tektonischen Prozessen im Erdinnern und Oberflächenprozessen zu erforschen. Dadurch lassen sich natürliche land­schaftsformende Pro­zesse iden­ti­fizieren und anthro­pogene Ein­flüsse auf das System Erde trennen. Fragen zur Gefährdung menschlicher Sied­lung­s­­räume durch tektonisch, klimatisch und anthropogen induzierte Landschaftsveränderungen können schließlich beantwortet werden.

Eine der größten Herausforderungen in den Geowissenschaften ist das Verständnis der komplexen Austauschprozesse zwischen den unterschiedlichen Reservoiren der oberen kontinentalen Kruste, einschließlich der kritischen Zone. Als kritische Zone definiert man dabei den Bereich der oberen Erdkruste, der durch Wechselwirkung mit Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und Lithosphäre gebildet wird. Diese Zone reagiert besonders stark auf die Veränderung endogener (z.B. tektonische Prozesse), exogener (z.B. Klimawandel) oder anthropogener Parameter.

Im Forschungszentrum soll der Schwerpunkt Georessourcen dazu beitragen die Austauschprozesse innerhalb und zwischen den Reservoiren besser zu quantifizieren sowie die Auswirkungen äußerer Einflüsse abzuschätzen. Ziel ist es so eine Grundlage für die Bewertung von und den nachhaltigen Umgang mit den natürlichen Georessourcen – Lagerstätten, Boden und Wasser – zu liefern.

Die Austauschprozesse in und zwischen den Reservoiren haben beispielsweise zur selektiven Anreicherungen von Spurenelementen in bestimmten Bereichen der Erdkruste und zur Bildung von Lagerstätten geführt. In der kritischen Zone wiederum spielen Austauschprozesse eine wichtige Rolle für Verwitterungsprozesse und Bioaktivität in Böden. In allen Reservoiren spielt Wasser, als Georessource und/oder als Transportmedium für Elemente, eine entscheidende Rolle. Allen drei Georessourcen – Lagerstätten, Boden und Wasser – sind von großer Bedeutung, um die fundamentalen Bedürfnisse des Menschen zu befriedigen. Das Verständnis der Prozesse, die einerseits zur Bildung und andererseits zu einer Gefährdung der drei Georessourcen führen, ist von entscheidender Bedeutung für die Menschheit mit Blick auf einen nachhaltigen Umgang mit dem System Erde.

Üblicherweise werden die drei Georessourcen Lagerstätten, Boden und Wasser getrennt voneinander in den einzelnen wissenschaftlichen Disziplinen untersucht (z.B. Geochemie und Geologie, Bodenkunde und Mikrobiologie, Hydrologie und Geophysik). Diese getrennten Ansätze sind allerdings nicht geeignet, um das komplexe Verhalten der Austauschprozesse, insbesondere in der kritischen Zone, im Gesamtkontext zu verstehen und vorherzusagen. Ziel der Zusammenarbeit innerhalb des Forschungsschwerpunktes ist es, die traditionellen Disziplinen der Geowissenschaften zusammenzuführen, um beispielsweise abiotische Prozesse in der Tiefe (Metallablagerungen, Transport in hydrothermalen Systemen, Isotopenverteilung) und biogeochemische Prozesse in den oberen Krustenstockwerken (z.B. Rolle von Organismen und toter organischer Substanz, Metalltransport in Böden und Sedimenten, Schadstoffeintrag ins Grundwasser und Schadstoffabbau) zu verstehen.