DFKI entwickelt KI-Systeme für die flugzeuggestützte Erfassung von Plastikmüll in den Meeren

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Flugzeuge, die weltweit Gewässer routinemäßig überfliegen, um
Verschmutzungen zu überwachen, könnten künftig nicht nur Öl- und
Chemieunfälle auf Hoher See, in Küstengewässern und am Strand aufspüren,
sondern auch Kunststoffabfälle, die auf der Wasseroberfläche schwimmen. Im
Projekt PlasticObs+ arbeitet ein Konsortium unter der Leitung des
Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) daran,
erstmals eine luftgestützte Überwachung größerer, zusammenhängender
Meeresgebiete zu entwickeln, die kontinuierlich und nicht wie bisher
punktuell Plastik in Gewässern erfasst. Nun liegen erste Ergebnisse vor.

Plastikmüll in Gewässern stellt nach wie vor ein globales, drängendes
Umweltproblem dar, da er das Ökosystem Meer und damit eine lebenswichtige
Ressource für Menschen und Tiere gefährdet. Rund zehn Millionen Tonnen
Plastikmüll landen jährlich in den Weltmeeren. Das entspricht etwa einer
Lkw-Ladung pro Minute. Tütenreste, Einwegverpackungen oder
Getränkeflaschen sind mittlerweile weltweit zu finden, von der Arktis über
die Tiefsee bis zur Nord- und Ostsee.

Müll, der auf der Wasseroberfläche treibt, wurde in der Vergangenheit zwar
schon luftgestützt erfasst, aber bisherige Erkenntnisse beruhen im
Wesentlichen auf zeitlich und räumlich begrenzten Messungen. Hier setzt
das Verbundprojekt PlasticObs+ an. Das langfristige Ziel besteht darin,
Überwachungsflugzeuge, die routinemäßig bereits weltweit im Einsatz sind,
mit KI-gestützter Sensorik auszustatten und so ein Messsystem zu
entwickeln, das die Belastung von Plastikmüll in der Umwelt aus der Luft
erfassen kann. Auf diese Weise könnte erstmals eine kontinuierliche und
umfassende Bestandsaufnahme umgesetzt werden, die Aufschluss über die Art,
Menge und Größe des Abfalls sowie mögliche Verursacherquellen gibt. Das
Ergebnis wäre eine wissenschaftliche Basis, um Maßnahmen, Gesetze und
Investitionen für die Sammlung, das Recycling und schließlich die
Vermeidung von Kunststoffmüll in Gang zu setzen.

Zu den Aufgaben des DFKI, vertreten durch den Forschungsbereich Marine
Perception in Oldenburg, gehört die Entwicklung von insgesamt vier KI-
Systemen. Die ersten beiden sollen Plastikmüll noch während des Überflugs
erkennen und Hotspots näher betrachten. Ein drittes System, das den Müll
nach Art, Größe und Menge klassifiziert, kommt später am Boden zum
Einsatz. Ein Feedback-System, das menschliche Expertise bei der
Betrachtung der Bilder inkludiert, soll schließlich helfen, die ersten
Systeme kontinuierlich zu verbessern und deren Vorhersagen zu optimieren.

Testflüge in Norddeutschland

Die Daten für ihre KI-Systeme erhalten die Forschenden des DFKI aus
Testflügen in Norddeutschland, die die Jade Hochschule
Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth mit ihrem Forschungsflugzeug durchführt.
Dabei nimmt ein Sensor unter der Nase des Flugzeugs Übersichtsbilder der
Region auf. Darauf muss die KI in Sekundenschnelle Müll-Hotspots erkennen,
so dass ein zweiter Sensor, der sich weiter hinten unter dem Rumpf
befindet, Detailaufnahmen von diesen macht. Die Herausforderung, sagen die
DFKI-Forschenden Mattis Wolf und Dr. Christoph Tholen, bestehe einerseits
darin, dass „wir ein großes Gebiet überfliegen und der Übersichtssensor
ein niedrig aufgelöstes Bild der Szene aufnimmt, dass andererseits die
Auswertung innerhalb von Sekunden aber mit einer hohen Treffsicherheit
erfolgen muss“.

Ein erster Test fand im vergangenen Jahr auf der Insel Spiekeroog statt.
Das Projekt-Konsortium legte jeweils am Strand und in den Salzwiesen ein
Versuchsfeld aus Plastik aus. Diese überflog zunächst eine Drohne in Höhen
zwischen 15 und 100 Metern und anschließend das Forschungsflugzeug in
Höhen ab 150 bis teilweise 1200 Metern. Das Versuchsfeld bestand aus einer
exakten Anordnung verschiedener Plastiksorten wie schwarzen PP-
Kaffeedeckeln, PS-weißen und cremefarbenen Lunchboxen sowie LDPE-blauen
und transparenten Mülltüten. Das Team fixierte die Behältnisse in
unterschiedlich großen Ansammlungen unter Netzen, so dass keine Verwehung
stattfinden konnte. Die Kernfrage, die die Forschenden mit der Kampagne
beantworten wollten, lautete: Aus welchen Höhen können die Sensoren an der
Drohne bzw. dem Flugzeug Plastikmüll sicher erkennen?  Die bisherigen
Ergebnisse werten Projektleiter Wolf und sein Kollege Tholen positiv, denn
„sie zeigten, dass Plastik in den von uns angepeilten Höhen mit
zufriedenstellender Genauigkeit erkannt werden kann“.

Es zeigte sich, dass die Farbe und die Größe der Gegenstände sowie der
Untergrund eine wichtige Rolle spielten. So konnten auf Gras alle
Plastiksorten mit hoher Genauigkeit erkannt werden, mit Ausnahme der
schwarzen PP-Kaffeedeckel aus mehr als 700 Metern. Auf Sand nimmt die
Genauigkeit bei allen Plastiksorten bei 750 Metern ab, besonders stark
betroffen waren hier LDPE-transparent und erneut PP-schwarz.

Heutige OCEANS Konferenz

Diese und weitere Ergebnisse haben die DFKI-Forschenden in einem Paper
festgehalten, das sie in diesen Tagen auf der OCEANS Konferenz 2023 in
Limerick, Irland, präsentieren. Carolin Leluschko, die an der
wissenschaftlichen Publikation ebenfalls mitgewirkt hat, sagt: „Um
herauszufinden, wie die KI performt, sind die Bilder aus dem Flugzeug von
jeweils fünf Personen unabhängig voneinander untersucht und beschriftet
worden, ob sie Plastik enthalten oder nicht.“ Die Genauigkeit der KI
betrug 93,3 %, während die Genauigkeit der von Menschen gekennzeichneten
Bilder 92,6 % betrug.

Auch wenn das Konsortium bis zum Ende der Laufzeit des Projektes im
Frühjahr 2025 noch viel Arbeit vor sich hat, belegen die Zahlen, dass die
luftgestützte Fernerkundung in Kombination mit KI-Methoden funktioniert
und ein wichtiges Instrument zur Bewältigung des globalen
Plastikmüllproblems sein kann. PlasticObs+ steht im Einklang mit
politischen Initiativen wie der EU-Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie und
den UN-Nachhaltigkeitszielen, die darauf abzielen, Verschmutzungen der
Meere zu verringern und die Ozeane zu schützen. Es wird vom
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und
Verbraucherschutz (BMUV) mit 1,9 Millionen Euro über drei Jahre gefördert
und ist Teil der BMUV-Förderinitiative KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima,
Natur und Ressourcen.

Neben dem DFKI sind in PlastiObs+ drei weitere Partner beteiligt. Die Jade
Hochschule Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth setzt ihr speziell für
Forschungszwecke konzipiertes Flugzeug ein, das als Messplattform für die
Aufnahme von Luftbildern dient. Die Optimare Systems GmbH aus Bremerhaven,
deren Kerngeschäft in der Entwicklung und Fertigung von Sensorsystemen und
Missionsausrüstungen für die flugzeuggestützte Meeresüberwachung besteht,
bringt ein Verfahren ein, welches basierend auf Multisensordaten
hochauflösende Detailbilder erzeugt. Darüber hinaus  kümmert sich Optimare
um die Technik und deren Installation auf einem Flugzeug. Die everwave
GmbH, die weltweit Plastikmüll in Gewässern und an Küsten mittels
innovativer Müllsammelboote und stationärer Flussplattformen einsammelt,
sortiert und recycelt, informiert die Öffentlichkeit und sensibilisiert
sie für einen nachhaltigeren Umgang mit Plastik zum Schutz der Ozeane.

Einsatz in Brasilien

Einer der nächsten Schritte im Projekt PlasticObs+ besteht darin, weitere
Daten zu sammeln. Dazu hob das Forschungsflugzeug der Jade Hochschule
kürzlich erneut von Wilhelmshaven ab und überflog ein Gebiet in
Norddeutschland, in dem zuvor Festivals stattgefunden hatten. Weitere
Feldtests fanden bei Friedeburg im niedersächsischen Landkreis Wittmund
statt, wo die Forschenden, ähnlich wie zuvor auf Spiekeroog, einen
künstlichen Müllteppich auf zwei Seen ausgelegt hatten. „Diese Daten
nutzen wir zum Trainieren unserer KI-Modelle, die wir anschließend an der
deutschen Küste mit dem Forschungsflugzeug testen werden“, erläutert Wolf,
der im Projekt u.a. dafür zuständig ist, rechenintensive und langsame
tiefe neuronale Netze effizienter zu machen, so dass die KI-Systeme
während des Überflugs in Sekundenschnelle zuverlässig Müll-Hotspots finden
und erfassen. In einem letzten Schritt sollen die Systeme schließlich in
Überwachungsflugzeugen für Ölverschmutzungen eingebaut und getestet
werden, voraussichtlich in Brasilien.