Gemeinsam in der Cloud

In vielen Forschungsfeldern ist von „Datenexplosion“ die Rede, in Bezug auf die Satelliten-Fernerkundung fällt der Begriff besonders oft. Wie ist es dazu gekommen?

Peter Zellner: Die Anzahl der Satelliten, die die Erde umkreisen und ununterbrochen mit verschiedenen Technologien ihre Oberfläche abtasten hat in den vergangenen Jahren sehr stark zugenommen. Vor allem die Sentinel-Missionen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) – Sentinel 1, 2 und 3 – waren hier ein Gamechanger; seitdem ist das Datenvolumen exponentiell angestiegen und steigt weiter.

Wie verändert das die Forschungsarbeit?

Zellner: Man kann heute nicht mehr so arbeiten wie noch vor zehn oder fünfzehn Jahren, als man sich mit ein, zwei Satelliten befasst hat und die Datenmenge so gering war, dass man sie auf seinem Computer speichern und dort damit weiterarbeiten konnte. Mit dem heutigen Datenvolumen ist dies unmöglich. Deshalb geht der Trend zu Cloud-Computing: Die Daten sind in einer Cloud gespeichert, wo auch gleich die spezialisierte Software angeboten wird, um sie zu verarbeiten, und zwar in einem Bruchteil der früher benötigten Zeit. Die Ergebnisse, die man damit erstellt, können dann ebenso über die Cloud-Plattform frei verfügbar gemacht werden – so können andere damit weiterarbeiten.

Zellner: Ja, das ist der Open Science Ansatz dabei. Die einzelnen Prozessierungsschritte sind sichtbar und reproduzierbar, man kann also nachvollziehen, wie die Daten erstellt wurden, und man kann direkt im gleichen System mit ihnen weiterarbeiten. Sagen wir, jemand entwickelt aus Satellitendaten einen Indikator zur Grünheit der Vegetation, dann können andere mit der bereits erstellten Berechnung weiterarbeiten. Sie müssen also nicht immer wieder von vorne anfangen. Das spart Ressourcen.

Spielt Informatik damit im Forschungsprozess eine immer wichtigere Rolle?

Zellner: Die Fachleute, die diese Cloud-Plattformen entwickeln, befassen sich natürlich intensiv damit – bei uns im Institut für Erdbeobachtung ist es die Forschungsgruppe Advanced Computing, zu der ich gehöre. Das Ziel ist aber eigentlich, die Komplexität zu abstrahieren und jenen, die die Software nutzen, einfache Prozesse anzubieten: Also die Spezialisten und Spezialistinnen in bestimmten Fachgebieten sollen mehr Zeit für ihre Analysen und Inhalte haben, und sich nicht mit Datenformaten und Servern herumschlagen müssen, was bisher immer ein großer Teil der Arbeit war. Noch ein Schritt weiter ist dann, Datenprodukte zu generieren, aus denen auch Leute ohne besonderes Spezialwissen Handlungsempfehlungen ableiten können, etwa für die Politik oder die Landwirtschaft. So etwas haben wir mit dem Alpine Drought Observatory entwickelt.

Wie funktioniert das?

Zellner: Es ist ein Online-Instrument, das in Karten und Grafiken einen Überblick über die Trockenheit im Alpenraum gibt. Wir haben dafür die Daten aus allen Alpenländern harmonisiert und mit hohen Auflösungen optimiert. Die Vielzahl an Daten, die eingeflossen sind und laufend weiter einfließen – Satellitendaten, meteorologische und hydrologische Daten – sind in Prozessketten so weit aufbereitet, dass das Ergebnis komplett selbsterklärend ist: Man sieht auf einen Blick, wie die Dürresituation in den Alpen ist, man kann auf eine Zeitserie klicken und hat vor Augen, wieviel trockener das heurige Jahr im Vergleich zum vergangenen ist …

Wer hat daran alles mitgearbeitet?

Zellner: Es war ein länderübergreifendes und interdisziplinäres Team aus den Gebieten Meteorologie, Agronomie, Hydrologie, Umweltingenieurwissenschaften und Fernerkundung, sowie technischen Fachleuten.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben Algorithmen entwickelt, um Dürre-Indikatoren aus Satellitendaten oder Wetterdaten abzuleiten, und haben sie validiert, und dann war es der Job der technischen Fachleute, das für den ganzen Alpenraum und täglich aktualisiert umzusetzen.

Wissen Sie, wer die Daten des Observatoriums nutzt?

Zellner: Nicht im Detail, denn der Zugang zum Portal ist völlig frei, man muss sich auch nicht anmelden. Wir kennen nur die Zahl der Aufrufe, das sind derzeit jede Woche etwa 200. Während der großen Dürre im Sommer hatten wir öfters Anfragen von Journalisten. Und es gibt viel Interesse von anderen wissenschaftlichen Plattformen, „Green Transition Information Factory“ verwendet zum Beispiel unsere Daten, das ist ein Pilotprojekt der ESA. Übrigens, nicht nur die Daten sind frei zugänglich, auch die entwickelte Software, die hinter der ADO Plattform steckt, ist open source. Sie kann also von jedermann weiter genutzt werden, etwa um sie in anderen Gebieten der Welt anzuwenden.

Für die ESA haben Sie mit Kollegen auch den Massive Open Online Course (MOOC) „Cubes and Clouds“ entwickelt – worum geht es da?

Zellner: Das steht in Zusammenhang mit der vorhin angesprochenen großen Veränderung in der Arbeitsweise, die das enorme Volumen an Satellitendaten notwendig macht. Um diese Datenfülle wirksam auszuschöpfen, etwa für das große Forschungsthema Klimawandel, braucht man Kompetenzen in Cloud-Technologien, über die noch zu wenige Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen verfügen. Weil die Entwicklung so schnell ging, gibt es auch noch kaum Lehrmaterial. Deshalb hat die ESA uns beauftragt, diesen Kurs zu entwickeln: Interessierte Forschende sollen die Chance haben, zu lernen, wie man auf Cloud-Plattformen effektiv arbeitet, welche Konzepte dahinterstehen, wie man Daten teilen kann, also auch wie man konkret im Kontext von Cloud-Computing Open Science betreibt. Die Aufgabe zum Kursabschluss besteht dann darin, die Schneebedeckung für eine quadratkilometergroße Fläche in den Alpen für ein bestimmtes Jahr zu berechnen, für diese Karte eine offene Lizenz zu vergeben, sie mit Metadaten genau zu beschreiben und in einer Webmap verfügbar zu machen. Wer den Kurs absolviert, hat einen Teil dazu beigetragen, gemeinschaftlich die Schneebedeckung der Alpen zu kartieren, und kann gleichzeitig einen Beleg der erworbenen Kompetenzen vorweisen.

Und er hat gelernt, offen, kooperativ und transparent Wissenschaft zu betreiben.

Zellner: Cloudsoftware nah an den Daten, Analysen, die sich mit wenigen Klicks reproduzieren lassen und offene zugängliche Ergebnisse: Das ermöglicht effektive Kooperation zwischen Forschern – die unerlässlich ist, um den brennenden Fragestellungen unserer Zeit zu begegnen. Die Masse und Vielfalt an Daten, die uns aktuell zur Verfügung stehen, gab es so in der Geschichte der Wissenschaft noch nie. Folglich können einzelne Wissenschaftler aus dieser Komplexität alleine keine Ergebnisse mehr ableiten. Der große Durchbruch in der Forschung ist nur durch grenzübergreifende Zusammenarbeit möglich, über Länder- und Fachgebietsgrenzen hinweg. Bei Eurac Research und in unserem Institut für Erdbeobachtung versuchen wir die Bausteine dafür zu legen und vorzuleben, wie man sie gemeinsam zusammensetzt.