Der unerwartete Siegeszug einer Meereis-App

22. April 2021

Wenn im Mai dieses Jahres deutsche Küstenforscher auf die Nordsee hinausfahren, um die Nährstoffbelastung des Wassers zu messen und dabei erstmals jeden Geräteeinsatz voll automatisiert per App dokumentieren, dann haben sie diesen Service vor allem dem Erfindergeist von AWI-Meereis-Techniker Martin Schiller zu verdanken. Nach einer stundenlangen Suchaktion in der Arktis entwickelte er FloeNavi, ein System zur Navigation und Verortung von Messungen auf dem Meereis. Dessen beliebteste Funktion, den Metadaten-Generator, hat das AWI-Rechenzentrum nun zu einer eigenständigen App ausgebaut. Diese stellen die AWI-Datenmanager jetzt allen Forschenden der Deutschen Allianz Meeresforschung zur Verfügung – mit dem Ziel, wissenschaftliche Daten nachvollziehbarer und transparenter zu machen.

Wenn der Mensch an seine Grenzen stößt, muss er erfinderisch werden. Aus dieser Grundeinstellung heraus hatte Martin Schiller einen Beruf mit IT-Schwerpunkt gewählt, und dieser Leitgedanke war es auch, der dem AWI-Meereis-Techniker im Oktober 2016 nach einer stundenlangen Suchaktion auf dem Meereis in der zentralen Arktis keine Ruhe mehr ließ. „Wir hatten damals Messinstrumente im Wert mehrerer Kleinwagen auf dem Meereis ausgebracht und wollten sie nach einem Jahr wieder einsammeln. Als unser Schiff jedoch an der entsprechenden Scholle anlegte, war die gesamte Eisdecke mit Schnee bedeckt und von meterhohen Presseisrücken durchzogen, sodass nicht im Ansatz zu erkennen war, wo auf der riesigen Scholle unsere Geräte sein könnten“, erzählt Martin Schiller.

Die ein Jahr zuvor notieren GPS-Koordinaten der Messstation nutzten den AWI-Meereisforschenden zu diesem Zeitpunkt wenig: „Wenn man an Land einen Messpunkt aufbaut, bestimmt man die GPS-Koordinaten dieses Standortes und findet ihn anschließend immer wieder. Auf dem Meereis aber haben wir das Problem, dass sich die Schollen bewegen. Wir können zwar eine GPS-Position ermitteln, diese aber bezieht sich einzig und allein auf den Meeresuntergrund und berücksichtigt nicht, in welche Richtung die Scholle abgetrieben ist oder aber um wie viel Grad sie rotiert ist“, erzählt Martin Schiller.

Zurück in seinem Bremerhavener AWI-Büro begann er deshalb gemeinsam mit Meereisphysiker Dr. Marcel Nicolaus nach einer technischen Lösung für dieses treibeis-spezifische Forschungsproblem zu suchen. Die Zeit drängte, denn nur drei Jahre später sollte die große Arktisexpedition MOSAiC starten, auf der das AWI-Meereisteam ein Jahr lang auf einer treibenden Eisscholle arbeiten würde. „Die Suchaktion in der Arktis hat uns bewusst gemacht, dass wir für die MOSAiC-Expedition ein System bräuchten, welches uns sowohl bei Tageslicht als auch bei Dunkelheit hilft, unsere Messstationen auf dem Eis sicher wiederzufinden. Hinzukam der Wunsch unserer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, den Zeitpunkt und die Positionskoordinaten von Messungen oder aber Probennahmen automatisch dokumentieren zu können, sodass im Anschluss jederzeit nachvollzogen werden könnte, wo auf der Scholle zu welchem Zeitpunkt mit welchem Messinstrument diese Daten erhoben oder aber Proben entnommen wurden“, erläutert der Elektroingenieur.

Die Lösung: Positionstechnik aus der Schifffahrt

In der Theorie war eine Lösung schnell gefunden: Martin Schiller müsste im Grunde nur ein zweidimensionales Koordinatensystem auf die Scholle projizieren, welches sich mit dem Eis mitbewegt. Mithilfe der X- und Y-Achse ließen sich dann alle Positionen auf der Scholle so genau verorten, dass Forschende diese jederzeit wiederfänden – zum Beispiel für wöchentliche Eis- und Schneedickenmessungen. Wie aber ließe sich diese Grundidee technisch umsetzen? Mit Positions- und Funktechnik aus der Seeschifffahrt, entschied der Hobby-Segler.

Um Unfälle und Kollisionen zu vermeiden, werden in der internationalen Seefahrt alle Schiffe mit dem automatischen Identifikationssystem AIS ausgerüstet. Es sendet fortlaufend die Positionskoordinaten, den Kurs, die Geschwindigkeit sowie die Grunddaten des Schiffes über UKW in die Welt, sodass Seefahrer in der näheren Umgebung rechtzeitig Bescheid wissen und ihren Kurs entsprechend anpassen können. „Als Forschungseisbrecher besitzt Polarstern natürlich auch einen AIS-Sender und Empfänger, sodass ich auf die Idee kam, das Koordinatensystem auf der Scholle ebenfalls mithilfe von AIS-Funksendern aufzubauen“, erzählt Martin Schiller.

Einen ersten Sender, sicher verstaut in einem Gerätekoffer, würde er als Null-Punkt des Koordinatensystems auf dem Eis verankern; ein zweiter müsste in einem definierten Abstand installiert werden, um die Richtung der X-Achse zu markieren. Beide würden nonstop ihre Positionsdaten funken. Die Projektion der Y-Achse und damit den Aufbau des restlichen Koordinatenrasters müsste dann eine Software übernehmen, welche die fortlaufend gesendeten Positionsdaten der zwei AIS-Basisstationen auf dem Eis verarbeiten und die genaue Lage des Koordinatensystems berechnen würde. Doch damit nicht genug!

Um in diesem Koordinatensystem die Position einzelner Stationen oder aber den Verlauf bestimmter Messstrecken zu markieren, entwickelte Martin Schiller eine kleine AIS-Box, welche jeder Wissenschaftler im Schlitten mit auf das Eis nehmen würde. Diese Box enthielt sowohl einen AIS-Empfänger, der die Positionsdaten der beiden Basisstationen verarbeitete, als auch einen WLAN-Hotspot, über den die Box die AIS-Daten auf ein dazugehöriges Tablet übertragen würde. Auf diesem Tablet wiederum sollte dann eine eigens entwickelte Software den Forschenden ihre genaue Position im AIS-Koordinatensystem der Scholle anzeigen und ihnen die Option bieten, diese Position per Klick abzuspeichern. Martin Schiller nannte die Software FloeNavi-App, denn Floe heißt im Englischen Eisscholle.

Außerdem sollte die App den Forschenden eine Auswahl an Messgeräten und Aktionen zur Verfügung stellen, sodass sie ihre Eiskernbohrungen, Tauchroboterfahrten, Ballonaufstiege oder aber Schnee-Temperaturmessungen digital dokumentieren könnten. Im nächsten Schritt sollten alle auf der Eisscholle erfassten Positions-, Zeit-, Geräte- und Aktionsdaten automatisch vom Forschungsschiff Polarstern aus in das Datennetz der deutschen Forschungsschifffahrt (D-Ship) eingespeist und archiviert werden.

Härtetest in der zentralen Arktis

Das Konzept stimmte, die AIS-Basisstationen und -Wissenschaftlerboxen waren schnell gebaut. Nadem Gul und Rintu Daniel, zwei Masterstudierende von der Hochschule Bremerhaven, programmierten die FloeNavi-App Version 1.0, und Experten im AWI-Rechenzentrum bereiteten die Daten-Integration in das D-Ship-System vor. Allein das Testen des neuen FloeNavi-Systems erwies sich fernab der Arktis als ausgesprochen schwierig. „Wir haben alles versucht und unser System zum Beispiel auf der Weserfähre aufgebaut. Mit ihr sind wir dann hin- und hergefahren und haben so getan, als wäre die Fähre unsere Scholle“, erzählt Martin Schiller.
Die Fährfahrten über die Weser aber bildeten die in Wirklichkeit viel langsameren Drift-Bewegungen des arktischen Meereises ebenso wenig ab wie das MOSAiC-Vorbereitungstraining in Finnland, welches auf sogenanntem Festeis stattfand – das heißt, auf Meereis, welches an der Küste festgefroren war und sich keinen Zentimeter bewegte.

„Als wir dann mit Polarstern an der MOSAiC-Scholle festmachten und das System zum ersten Mal auf dem Meereis aufbauten, stellte sich heraus, dass die Positionsberechnung noch nicht genau genug funktionierte und auch die Software noch kleine Fehler enthielt“, erzählt Martin Schiller. Sofort kontaktierte er seine Kollegen im AWI-Rechenzentrum und entschied mit ihnen gemeinsam, die FloeNavi-App so schnell wie möglich überarbeiten zu lassen. Den Zuschlag erhielt die Firma Zühlke Engineering.

Gleichzeitig aber nutzen alle MOSAiC-Teilnehmenden wie verabredet die AIS-Boxen und Tablets, um ihre vielen verschiedenen Messungen und Aktivitäten auf dem Eis samt Positions- und Zeitstempel zu dokumentieren. „Wir konnten das FloeNavi-System von Anfang an verwenden, um die vielen Geräteeinsätze auf der Scholle zu protokollieren, anstatt sie – wie bisher – abends an Bord von Hand aus den persönlichen Feldbüchern zu übertragen und dann so zu digitalisieren“, erzählt AWI-Meereisforscher Dr. Marcel Nicolaus.

Außerdem gelang es dem FloeNavi-System die gesamte Expeditionszeit über, die Rotation und die Bewegung der Scholle sehr genau aufzuzeichnen. „Diese Informationen werden jetzt verwendet, um zum Beispiel unsere Flugmessungen über der Scholle und die Profilmessungen auf der Scholle korrekt lokalisieren zu können“, erläutert der Meereisphysiker.

Marcel Nicolaus selbst hat sowohl am ersten als auch am fünften MOSAiC-Fahrtabschnitt teilgenommen und durfte auf dem letzten Teilstück der Expedition die überarbeitete FloeNavi-App, Version 2.0 auf der Eisscholle einsetzen. „Ich war unter anderem für die Kartenerstellung der Scholle zuständig und bin mit der AIS-Box und dem Tablet jedes Messgerät auf der Scholle abgelaufen. An einer Station angekommen, habe ich das entsprechende Messinstrument in der Geräteauswahl der App ausgesucht, es angeklickt und einen Positionsvermerk gemacht, sodass wir am Ende eine punktgenaue Übersichtskarte erzeugen konnten und jetzt für jeden Zeitpunkt exakt berechnen können, welches Messgerät sich wo auf der treibenden Scholle befand.“

Eine Anwendung für jede Art von Feldforschung

Als die Datenmanager aus dem AWI-Rechenzentrum im Kreis der Deutschen Allianz Meeresforschung  (DAM) von dieser einfachen und vor allem standardisiert ablaufenden Metadaten-Erfassung auf der MOSAiC-Eisscholle berichteten, wurden alle Zuhörenden hellhörig. Eine solche App könnte nämlich nicht nur bei Schiffsexpeditionen in die zentrale Arktis, sondern bei jeder Art von Feldforschung zum Einsatz kommen; vor allem, wenn sie auch im Offline-Modus Metadaten generieren würde.

„Auf den großen deutschen Forschungsschiffen werden alle wissenschaftlichen Arbeiten über das D-Ship-System erfasst. Für die kleineren Küstenforschungsschiffe aber auch für Landexpeditionen gab es bislang keine solche einheitliche technische Lösung. Stattdessen nutzte jede Forschungsgruppe ihre eigene Dokumentationsmethode, was die Datenaufbereitung am Ende sehr erschwerte und viel Zeit kostete“, berichtet Norbert Anselm, Datenmanager im Team des AWI-Rechenzentrums.

Aus diesem Grund entschied das Data Logistics Support-Team des AWI-Rechenzentrums den Metadaten-Generator der FloeNavi-App so weiterzuentwickeln, dass er für jede Art Feldforschung verwendet werden kann, auch im Offline-Modus funktioniert und sowohl auf Tablets als auch auf Mobiltelefonen läuft. „Die App hat alle grundlegenden Funktionen behalten, kann jetzt aber auch losgelöst von einem AIS-Koordinatensystem eingesetzt werden“, erklärt Norbert Anselm.

Die Logik dahinter ist ganz einfach: Sowohl bei Landexpeditionen als auch bei Einsätzen in meereisfreien Gebieten kann ein eigenständig driftender Untergrund ausgeschlossen werden. Das heißt, es genügen GPS-Koordinaten, um eine Messung genau zu verorten, so der Fachmann. Der Name des neuen, universell einsetzbaren Metadaten-Generators lautet „Mobile ActionLog App“. 

Dokumentieren Forschende nun einen Arbeitsschritt in der neuen App, werden automatisch standardisierte Metadaten wie GPS-Koordinaten, Datum, Zeit, Messgerät und Sensor-Identifikationsnummer erhoben und derart mit den Messdaten verknüpft, dass sie später sowohl von Menschen als auch Maschinen ausgelesen werden können. „Durch diese Metadaten wird die Entstehung von Datensätzen nicht nur für jedermann nachvollziehbar und Wissenschaft insgesamt transparenter, wir eröffnen uns auf diese Weise auch wichtige Kontrollmöglichkeiten. Fällt zum Beispiel erst Wochen nach einer Expedition auf, dass ein Sensor nicht richtig funktioniert hat, können wir genau nachvollziehen, welche Daten mit diesem Sensor erhoben wurden und diese dann von Analysen ausschließen“, erläutert Norbert Anselm.

Damit erfüllen die in der Allianz organisierten deutschen Meeresforschungsinstitute nun gleich mehrere Anforderungen der sogenannten FAIR-Prinzipen für Forschungsdaten, nach denen wissenschaftliche Daten jederzeit auffindbar (Findable), zugänglich (Accessible), mit anderen Daten kombinierbar (Interoperable) und wiederverwendbar (Re-usable) sein müssen. Wie aber werden künftige Feldeinsätze der neuen App ablaufen?

„Das Herzstück der neuen App ist die Geräteverwaltung, die mit der AWI-Sensor-Datenbank verknüpft ist. Steht eine Expedition an – beispielsweise an die russische Permafrost-Forschungsstation Samoylov – wählen die beteiligten Wissenschaftler alle zum Einsatz kommenden Messgeräte und Sensoren aus dieser Datenbank aus und laden diese in den Expeditions-App-Server, der auf einem Laptop läuft. Mit ihm synchronisieren sich alle Tablets und Smartphones, die mit ins Gelände genommen werden, sodass wirklich jedem Beteiligten auch alle Geräte in der App zur Verfügung stehen“, erklärt Norbert Anselm.

Bei der Arbeit im Gelände gibt dann jeder Akteur seine Arbeitsschritte in die App ein oder markiert Wegpunkte, die er oder sie künftig wieder ansteuern möchte. Auch Teilmissionen können angelegt werden. Kommen nach verrichteter Arbeit alle Beteiligten zurück zur Station, überspielen sie ihre über den Tag hinweg gesammelten Daten auf den Laptop. Dieser wiederum überträgt sie direkt an die zentrale AWI-Gerätedatenbank (sensor.awi.de), sodass dort alle Einträge gleich richtig mitgeloggt werden.

Kurz vor Ostern hat das Data Logistic Support-Team des AWI-Rechenzentrums seine Entwicklungsarbeiten an der neuen App abgeschlossen und die Software symbolisch an die Deutsche Allianz Meeresforschung übergeben. Die App ist damit einsatzbereit. Ihr erster Praxistest ist für die zweite Maiwoche im Rahmen des Forschungsprojektes „MOSES – Hydrologische Extreme“ geplant, sofern die Pandemiesituation Ausfahrten deutscher Küstenforschungsschiffe erlaubt.
 
Wissenschaftler des Umweltforschungszentrums Leipzig (UFZ) wollen im Rahmen dieses Projektes gemeinsam mit Forschenden vom AWI, vom GEOMAR in Kiel und vom Helmholtz-Zentrum hereon (ehemals HZG) den Nährstoffeintrag von Elbe und Weser in die Nordsee messen. „Wir sind wirklich gespannt auf die Rückmeldungen der Forschenden und wollen vor allem wissen, ob die App so intuitiv zu bedienen ist, wie wir es glauben“, sagt Norbert Anselm. Ein besonderes Augenmerk werden er und sein Team auch auf die Datenübertragung in die AWI-Gerätedatenbank richten. „Bestenfalls läuft alles reibungslos. Sowie das System eine Internetverbindung zur Datenbank aufgebaut hat, sollte alles direkt überspielt werden“, sagt der Datenmanager.

Im Gegensatz zur Mobile ActionLog App wird Martin Schiller’s FloeNavi-System noch eine Weile auf seinen nächsten Einsatz warten müssen: „Der Aufbau lohnt sich zeitlich nur, wenn wir im Laufe einer Expedition mehrere Tage auf einer Eisscholle verbringen und viele verschiedene Messgeräte zum Einsatz kommen. Sowie jedoch eine solche Eisstation ansteht, werden wir das bewährte AIS-Koordinatensystem wieder installieren“, sagt Martin Schiller. Stundenlange Suchaktionen auf dem Eis lassen sich so nämlich von vornherein vermeiden.

Kontakt:
Martin Schiller (AWI) – Entwicklung des FloeNavi-Systems
Marcel Nicolaus (AWI) – Wissenschaftliche Anforderungen an das FloeNavi-System
Maximilian Betz (AWI) – Technische Entwicklung der neuen Mobile ActionLog App
Norbert Anselm (AWI) – Datenmanagement mit der neuen Mobile ActionLog App

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