Vermeidung urbaner Hitzeinseln - UHI's

Ausgangssituation

Klimatische Veränderungen betreffen uns alle. Die Gründe für ihre Entstehung und ihre Auswirkungen erfordern eine objektive Analyse der aktuellen Situation und eine sachliche, konstruktive Bewertung der vorgeschlagenen Maßnahmen. Insbesondere städtische Umgebungen sind für sogenannte Urbane Hitzeinseln (engl:  Urban Heat Islands, UHIs) anfällig. Wenn die zwischen Gebäuden und versiegelten Flächen eingeschlossene heiße Luft nicht entweichen kann und sich auch nachts nicht abkühlt, beeinträchtigen die ständig hohen Temperaturen die Lebensqualität der Menschen und unmittelbar auch die Pflanzen- und Tiervielfalt. Mit der rapide zunehmenden urbanen Bevölkerung sind Untersuchungen zu UHIs wichtig. Dabei ist eine effektive und zuverlässige Zusammenarbeit zwischen interdisziplinären Forschern, Industrie und Kommunen unabdingbar.

Bedarfsanalyse

Urbane Hitzeinseln beeinträchtigen die Lebensqualität und ohnehin reduzierte Artenvielfalt in vielen urbanen Zentren. Aus diesem Grund arbeiten Stadtverwaltungen schnell wachsender Megastädte Hand in Hand mit Wissenschaftlern und Forschungseinrichtungen, um die vom Menschen verursachten Quellen der UHI zu identifizieren und zu reduzieren, z. B. durch Begrünung, Verwendung nachhaltiger und wärmeemittierender Materialien und Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs. Natürlich erfordern die meisten dieser Maßnahmen nicht nur einen hohen finanziellen Aufwand und eine interdisziplinäre Koordination, sondern auch lässt sich ihre Wirkung erst langfristig einschätzten. Großflächige, zeitnahe Messungen und Bewertungen der Maßnahmen sind jedoch wünschenswert.

Simulationsansätze erlauben es, die Oberflächentemperatur eines Objektes mit Hilfe mathematischer Methoden zu ermitteln. Die Simulationen liefern dabei viele Vorteile: Die Kosten sind absehbar und auch für die Überwachung großer Gebiete weitaus geringer. Dreidimensionale Umgebungen sind leichter zu berücksichtigen als zum Beispiel im Falle der großflächigen thermalen Luftbilder und es können beliebige Wetterereignisse sowie Klimaszenarien simuliert werden. Die Simulation ermöglicht sogar einen Blick in die Zukunft, indem sie idealerweise nicht nur die Entstehung und Entwicklung der UHIs modelliert, sondern auch die Wirkung der Gegenmaßnahmen abbilden kann. Mit diesen Informationen kann ein Stadtplaner oder eine Gemeindeverwaltung viele Ressourcen einsparen und über eine zeitnahe Bewertung der Maßnahmen verfügen. Die wesentliche Voraussetzung dafür ist der 4D thermische digitale Zwilling, der sowohl die dreidimensionale Szene als auch deren zeitliche Entwicklung darstellt. Die Zeitachse, welche das Wachstum der Bäume, und die Veränderungen an bebauten Gebieten widerspiegelt, bildet die vierte Dimension.

Lösung

Die in der Abteilung Szenenanalyse entwickelten Methoden tragen auf zwei verschiedene Arten zur Erkennung und Abschwächung der UHIs bei: Die erste ist die dreidimensionale semantische Rekonstruktion der Szene aus luftgestützten Sensordaten. Die Landbedeckungs- und Materialklassifikation der zugrundeliegenden Daten mit Methoden des maschinellen Lernens für die Datenverarbeitung, die Rekonstruktion von Gebäuden und die Detektion von Einzelbäumen sind die wichtigsten Teilaufgaben, die wir nach dem Stand der Technik lösen. Dabei profitieren wir von der fruchtbaren Zusammenarbeit mit Architekten, Meteorologen und Stadtplanern. Der anfängliche 3D digitale Zwilling der Szene wird durch kleine Flächenstücke repräsentiert. Jedem Flächenstück wird eine Klasse zugewiesen; daraufhin werden einige wichtige mathematische und physikalische Eigenschaften abgeleitet. Aus Wetterdaten, von speziellen Servern abrufbar, leiten wir atmosphärische Bedingungen wie Lufttemperatur, Wolkenbedeckung und relative Luftfeuchtigkeit ab. Unser zweiter Beitrag ist die Modellierung der Oberflächentemperatur unter Berücksichtigung der Wärmeleitung, Wärmestrahlung sowie Konvektion. Dies ist das Kernstück des 4D digitalen Zwillings und liefert den Temperaturwert jedes Flächenstücks zu jeder gegebenen Zeit. Die Untersuchung der Spitzen- und Durchschnittswerte der Temperatur erlaubt Rückschlüsse auf die Formation von UHIs. Unsere genaue und schnelle Simulation ermöglicht eine automatisierte Bewertung zukünftiger Szenendesigns mit dem Ziel der Reduzierung der UHIs und damit Lebensqualität und Artenvielfalt zukünftig enorm zu verbessern.