Einsatz von DV-Verfahren der künstlichen Intelligenz
zur flächenhaften Darstellung von Schadstoffgehalten
UBA 2010
zur flächenhaften Darstellung von Schadstoffgehalten
in Siedlungsgebieten
Thomas Hertwig, Karl-Otto Zeißler (Beak)
Ingo Müller (LfULG)
Saxon State Office for Environment, Agriculture and Geology
28./29.09.2010
Konventionelle methodische Ansätze und HRE
Ziel:
Darstellung von flächendeckenden Elementverteilungskarten im Siedlungsgebiet für Bodenbelastungskartenim Siedlungsgebiet für Bodenbelastungskarten
Aufgabenstellung:
An Hand von diskreten Bodenproben soll die Verteilung der
Elementgehalte im Siedlungsgebiet flächendeckend abgeleitet
werden
Folie 2
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werden
Konventionelle methodische Ansätze und HRE
Methodische Ansätze für konventionelle Bearbeitung beruhen auf
unterschiedlichen Interpolationsverfahren. Dabei kommen für die
Bildung von Homogenbereichen drei Ansätze zur Anwendung:
• raumanalytischer Ansatz• raumanalytischer Ansatz
• Immissionsansatz
• Substratansatz
Homogene Raumeinheit HRE
• sie spiegelt natürliche und anthropogene Verhältnisse wider
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• sie spiegelt natürliche und anthropogene Verhältnisse wider
• Verteilung des zu modellierenden Schadstoffes innerhalb einer HRE
• innerhalb � gleichbleibende Verhältnisse
• sprunghafte Veränderungen der Verhältnisse an den Grenzen der HRE
Substratansatz – Herkunft der Elementgehalte in Böden
Gehalte in Böden werden ursächlich bestimmt durch das Bodensubstrat und bestimmte pedogene und andere Vorgänge:
Ci = f(Bodensubstrat geogen Geologie BodenausgangsgesteinCi = f(Bodensubstrat geogen Geologie Bodenausgangsgestein
periglaziale Vermengungen
pedogen untergeordneter Einfluss
anthropogen Boden-/Flächennutzung
Baumaßnahmen
Kriegs- und Altlasten
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Agrikultur
Immissionen)
Grundsätzliche Modellierungs- und Vorhersageansätze
Analytischer Ansatz: mathematische Modellierung
• Tiefes Verständnis des Sachverhaltes notwendig
• Felduntersuchungen, Modellkalibrierung und -anwendung
• zeitaufwändig, teuer
• In der Praxis oft nicht bzw. eingeschränkt anwendbar
� künstliche neuronale Netze:
Analyse von komplexen, nichtlinearen Zusammenhänge möglich
Statistischer Ansatz: z.B. Regression, Diskriminanzanalyse, …
• Modellierbar sind meist nur Teilaspekte bei sonstigen konstanten Bedingungen
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Zusammenhänge möglich
� lernfähig
� generalisierungsfähig
� arbeitet mit verfügbaren Daten
� qualitative und quantitative Analysen
Verfahren der künstlichen Intelligenz
Modell: natürliches Neuron
• Das Prinzip künstlicher neuronaler Netze orientiert sich an der
Wirkungsweise des biologischen Nervensystems.
• Es besteht aus einer Vielzahl von Nervenzellen (Neuronen).• Es besteht aus einer Vielzahl von Nervenzellen (Neuronen).
• Verbindungen zwischen den Neuronen als Gewichte w
� stärken oder schwächen das Eingangssignal
� sind gerichtet und werden trainiert
• Eingangssignale
Die Nervenzelle als Prozessor
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� werden zu einem einzigen Eingangssignal verrechnet: Propagierungsfunktion
• Aktivierungsfunktion berechnet den Ausgabestatus des Neurons
Verfahren der künstlichen Intelligenz - Eigenschaften künstlicher neuronaler Netzwerke
Vorteile:
• lernt an Beispielen
• analysiert komplexe, nicht-lineare Beziehungen
• tolerant gegenüber „verrauschten“ Daten (z. B. Gesichtserkennung)
Nachteile:
• System ist eine black box: Netzgrenzen sind unklar
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Testgebiete
Testgebiete
Erzgebirge
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Mineralgänge
Annaberg Aue
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Blaufarbenwerk, 19 Jhd.
Aue
(1635)
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Immissionsansatz
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Substratansatz
Geologie
Bodengeologie
Proben mit Schlackebestandteilen
anthropogene Auffülle
Interpolation
anthropogene Auffülle
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raumanalytischer Ansatz
Folie 13
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raumanalytischer Ansatz
Folie 14
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Interpolation
Statistische Methoden
•Voronoi-Mosaik•Voronoi-Mosaik
•Inverse Distance Weighting (IDW)
•Ordinary und Universal Kriging (OK, UK)
•artificial intelligence (artificial neural networks) (advangeo®)
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Interpolation - IDW
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As [ppm]
Interpolation - OK
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As [ppm]
künstliche neuronale Netzwerke - advangeo
Eingangsparameter
Höhenmodell und dessen DerivateGeologie: Lithologie, GängeFlächennutzung
Schlacke
Training
Probenpunkte mit bekanntenGehalten (130 Proben)
Arsengehalte Annaberg A-Proben Flächennutzung, Gänge [mg/kg]Ergebnisse der Modellierung
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0
100
200
300
400
500
600
0 100 200 300 400 500 600
Messwerte
Mo
dell
iert
e-W
ert
e
künstliche neuronale Netzwerke - advangeo
Eingangsdaten:
• Mineralgänge (7 Formationen)
• Flächennutzung (9 Klassen)
• Lagerstättengebiet
• Proben mit Schlackebestandteilen
• DTM
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advangeo
100
1000
As
vo
rhe
rge
sa
gr
[mg
/kg
]
CV-Daten advangeo
Predicted OK
Linear (Predicted OK)
Linear (CV-Daten advangeo)
10
100
10 100 1000
As gemessen [mg/kg]
As
vo
rhe
rge
sa
gr
[mg
/kg
]
Arsengehalte Annaberg A-Proben [mg/kg]
600
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0
100
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300
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0 100 200 300 400 500 600
Messwerte
Modellie
rte-W
ert
e
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advangeo
BiCoNi
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BiCoNibaflhmba
flqkbkssfz
advangeo
Arsengehalte Annaberg A-Proben Flächennutzung [mg/kg]
200
300
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500
600
Mo
dell
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0
100
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0 100 200 300 400 500 600
Messwerte
Mo
dell
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ert
e
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advangeo – bisherige Testfälle
– Flächiger Bodenabtrag � Einzugsgebiet Talsp. Klingenberg, Glashütte
– Hangrutschungen/ Bodenkriechen � Gebiet Tharandt/ Freital, Glashütte
– Rinnenerosion � Südafrika/ Limpoporegion, Tharandt/ Freital– Rinnenerosion � Südafrika/ Limpoporegion, Tharandt/ Freital
– Lagerstättenprognose (Au, Pb/Zn, Cr) � Kosovo, Burkina Faso, Ghana
– Lateritverbreitung � Burkina Faso
– Geologische Kartierung � Kosovo, Burkina Faso
– Forstschädlinge � Osterzgebirge, Tharandter Wald
– Regionalisierung von Punktdaten
im Bodenschutz � Stadtböden Aue/ Annaberg
– Forstliche Standortskartierung � Karten der Feuchtestufen
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– Forstliche Standortskartierung � Karten der Feuchtestufen
– Kohlebrände � China
– …
Ausblick
Zusammenfassung
– advangeo ® macht KI Verfahren in einem Standard – GIS – Umfeld einfach nutzbareinfach nutzbar
– advangeo ® ist ausgezeichnet geeignet, Punktdaten in die Fläche zu bringen
– advangeo ® analysiert komplexe Ursachen-/Wirkungsbeziehungen; Beziehungen zwischen den Einflussgrößen und der abhängigen Variable werden durch Training selbst erlernt (Lernvermögen)
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werden durch Training selbst erlernt (Lernvermögen)
– advangeo ® ist im Bodenschutz als Standardprognoseverfahren nahezu universell einsetzbar