Plastikmüll in Gewässern erfassen und langfristig beseitigen

Erste Messungen im Forschungsprojekt „PlasticObs+“

Nach Schätzungen von Umweltorganisationen schwimmen rund 80 Millionen Tonnen Plastikmüll in den Meeren und es kommen pro Jahr etwa elf Millionen hinzu. Das ist eine LKW-Ladung Müll pro Minute. Im Rahmen des Forschungsprojekts „PlasticObs+“ soll Müll erkannt und beseitigt und die Ausbreitung langfristig vermieden werden. Dies soll anhand von Fernerkundung – der Sammlung von Informationen über die Erdoberfläche durch den Einsatz von Sensoren, beispielsweise aus Flugzeugen – geschehen. Hierfür arbeiten die Forschenden der Jade Hochschule mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI, Projektleitung), der Optimare Systems GmbH und der Firma everwave GmbH zusammen.

© Jade HS

Neue Kameratechnik für Forschungsflugzeug JadeOne

Für die Messungen nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Forschungsflugzeug JadeOne der Jade Hochschule. „Mit dem Forschungsflugzeug können wir große Bereiche abdecken und schnell und flexibel verschiedene Konfigurationen der Messtechnik ausprobieren“, erklärt Projektmitarbeiter Tobias Schmid aus dem Fachbereich Ingenieurwissenschaften. Je höher man fliegt, desto schwieriger sei es natürlich, kleine Objekte am Boden zu erkennen. Die Kameratechnik soll weiterentwickelt und langfristig in Flugzeuge des Küstenschutzes oder der Ölüberwachung integriert werden, sodass kein Flug extra fürs Erfassen des Plastikmülls gemacht werden muss. Dafür muss das System zunächst flugzeugtauglich weiterentwickelt werden. „Durch die einfache Möglichkeit, Messtechnik in die JadeOne zu integrieren, bietet unser Flugzeug den idealen Versuchsträger für dieses Projekt“, sagt Teilprojektleiter Prof. Dr.-Ing. Jens Wellhausen. Die erfassten Bilddaten werden dann analysiert und helfen dem Algorithmus des KI-Modells, die Menge und Art des aufgenommenen Mülls zu klassifizieren. Damit versuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu erfassen, wo Müll in welcher Menge die Umwelt verschmutzt.

© Gizem Bolut/everwave GmbH

Kleine Plastikteile aus großen Höhen erfassen

Die erste Messkampagne fand Ende November 2022 auf der Nordsee-Insel Spiekeroog statt. Das Forschungsteam steckte eine große Fläche ab und bedeckte sie mit Plastik in Größen zwischen wenigen Zentimetern bis hin zu einem Quadratmeter. „Das war schon die erste Herausforderung, denn der starke Wind wehte unsere Versuchsobjekte weg“, berichtet Tobias Schmid. „Diese haben wir natürlich schnell wieder eingefangen.“ Mit Netzen befestigt stand dann endlich der Aufbau mit verschiedenen Plastikarten in unterschiedlichen Farben. „Dann sind wir mit unserem Forschungsflugzeug, das mit unseren Kamerasensoren ausgestattet ist, in unterschiedlichen Höhen über das Versuchsfeld geflogen“, sagt der wissenschaftliche Mitarbeiter. „Für die geplanten Überflüge eines im Vergleich zu unseren sonstigen Missionen sehr kleinen Messfeldes haben wir ein neues Überflugverfahren erprobt. Wegen des Windes an den Messtagen mussten wir ein paar Überflüge wiederholen und konnten aufgrund der Wolken nicht alle Höhen fliegen, die wir geplant hatten. Am Ende hatten wir aber gute Daten, um damit den nächsten Schritt zu gehen.“

Drohnenflüge ergänzen Bilddaten aus Flugzeug

Auch mit einer Drohne wurde die Versuchsfläche überflogen – wesentlich tiefer, sodass die Flugzeugaufnahmen in 150 bis 1200 Metern Höhe mit Drohnenaufnahmen zwischen 12,5 Metern und 100 Metern Höhe ergänzt werden konnten. Mithilfe der großflächigen Bilder aus dem Flugzeug und den Detailbildern der Drohnen aus niedrigen Flughöhen konnte ein breites Datenportfolio erhoben werden. Diese Daten werden nun ausgewertet, um herauszufinden, bis zu welcher Höhe Plastik erkannt werden kann und welche Rolle dabei die Menge und die Form des Plastiks spielen. Die anschließende Auswertung bildet die Grundlage für die Entwicklung von KI-Methoden für ein Messsystem, das bei Routine-Flügen eingesetzt werden kann.

Insgesamt diente die erste Messkampagne nicht nur zum Aufnehmen von Daten, sondern auch um die interdisziplinäre Zusammenarbeit des Teams zu stärken. „Unsere erste gemeinsame Messaktion war sehr erfolgreich und wir planen bereits den nächsten Einsatz“, sagt Tobias Schmid.