Zurück in die Schule mit Planet, 6. Woche| Veränderung sehen
Das hier ist unser sechster Teil unserer Serie “Zurück in die Schule” mit Planet, ein wöchentlicher Beitrag für Grundschüler, die mehr über die Erde und den Weltraum lernen möchten. Hier erfahrt Ihr mehr über diese Serie.
Die Erde verändert sich ständig. Es gibt tägliche Zyklen, jährliche Zyklen und sogar Zyklen, die unsere Erde für immer verändern. Kameras im Weltraum erlauben uns, diese Veränderungen auf der Erde direkt zu sehen, und dieses Wissen zu verwenden, um Entscheidungen zu treffen, zu planen, wo man mehr Veränderungen vornehmen muss und helfen uns sogar dabei, unsere Erde zu schützen.
Ebbe und Flut
Vielleicht hast du am Strand schon mal gemerkt, dass das Wasser unterschiedlich hoch steht. Manchmal ist es weit weg von den Gebäuden, während es zu anderen Zeiten viel näher herankommt. Wenn du eine Sandburg baust, baust du sie dort wo die Wellen nicht herankommen. Wenn du aber bleibst und die Wellen beobachtest, merkst du dass sie im Verlauf des Tages höher steigen und deine Sandburg wegschwemmen! Das ist der alltägliche Tanz der Gezeiten, da der Mond das Wasser während eines Tages durch seine Anziehung auf verschiedene Wasserhöhen bringt.
Diese beiden Bilder wurden am selben Ort und am selben Tag aufgenommen und wir können die Veränderungen der Wasserhöhe am Great Barrier Reef (ein großes Korallenriff in Australien) sehen.
Aufnahmen einer sich verändernden Landschaft
Es ist schwierig, in die Arktis zu gehen um sich selbst einen Überblick zu verschaffen. Orte wie die Milne Eisdecke befinden sich im Packeis auf hoher See, weit weg von der Küste und den nördlichsten Orten, die man zu Fuß erreichen kann.
Es ist wichtig zu verstehen, wie sich das Eis verändert, denn manche Menschen studieren das Zusammenspiel von Klima, Höhe des Meeresspiegels und den Tieren, die an diesen eisigen Orten leben. Ein Dove-Satellit von Planet hat dieses Bild von einem Riss im Eis aufgenommen und anhand des Vergleichs mit früheren Bildern kann man sehen und messen, wie sich das Eis verändert.
Herausfinden, wann Veränderungen stattfinden
Duch tägliche Satellitenbilder können wir Vorher- und Nachher-Bilder an jedem Ort auf der Erde vergleichen. Aber es sind viel zu viele Bilder, um sie jeden Tag anzuschauen! Es gibt neue Methoden für Computer, die so programmiert die ganzen Bilder für uns vergleichen und die uns dann sagen, wenn sich etwas verändert hat.
Beruf: Maschinelles Lernen
Staff Engineer, Machine Learning
Spezialisten für maschinelles Lernen wie unser Planeteer Brad Neuberg entwickeln Programme, die nach Veränderungen Ausschau halten. Wie der Name schon sagt, lernt die Maschine (der Computer) durch das Beobachten von Dingen die wir schon kennen und verstehen. Die Software lernt damit Muster und Entwicklungen, wie man Bilder einordnen kann, auf Grund dieser ‘Trainingsdaten’. Diese werden dann dazu genutzt, herauszufinden was auf komplett neuen Bildern zu sehen ist.
Welche Veränderungen kann man mit maschinellem Lernen finden?
Man kann denkbar alles finden! Einschließlich Veränderungen in der Umwelt oder im städischen Raum, wie z.B. Straßen und Gebäude.
Wie entwickelt man gute Software zur Erkennung von Veränderungen?
Ein Großteil der Arbeit mit Maschinellem Lernen besteht darin, Daten zu sammeln, wir nennen es auch ‘Datenerstellung’. Das ist so ähnlich wie einem Rezept zu folgen: hier wollen wir sicherstellen, dass wir die richtige Mischung von Zutaten und Gewürzen haben. Bei maschinellem Lernen wollen wir sicherstellen, dass unser Trainingsdatensatz sehr gut die Dinge widergibt, deren Veränderungen uns interessieren. Gleichzeitig muss der Trainingsdatensatz auch verschiedene ‘Geräuschquellen’ enthalten, wie z.B. Veränderungen durch die Jahreszeiten oder verschiedene Aufnahmewinkel. Während man sein Programm trainiert, geht man immer wieder zum Trainingsdatensatz zurück und aktualisiert ihn, je nachdem in welchen Bereichen er gut oder schlecht funktioniert. Man fügt sozusagen Gewürze hinzu, um das Programm besser zu machen.
Welche Grenzen hat modernes Maschinelles Lernen?
Viele Programme, die auf Maschinellem Lernen basieren, brauchen einen sehr großen Trainingsdatensatz mit vielen tausenden Trainingsbeispielen, deshalb kann man damit nur dort Veränderungen entdecken, wo man auch genügend Trainingsdaten sammeln kann.
Modelle des Maschinellen Lernens nutzen diese Trainingsdaten, um zu verstehen, worauf sie sich konzentrieren und was sie ignorieren sollen. Normalerweise sind alle Daten im Trainingsdatensatz beschriftet, das bedeutet, dass ein Mensch eingetragen hat, wo sich etwas verändert hat und wo nicht. Das kann sehr zeitaufwändig sein. Beschriftete Trainingsdaten zu verwenden nennt man auch Überwachtes Maschinelles Lernen.
Manchmal ist es auch möglich eine Maschine mit unbeschrifteten Trainingsdaten zu trainieren. Das nennt sich Halb-überwachtes Maschinelles Lernen. Diese Methode wird aber noch untersucht und ihre Leistung ist meist nicht so gut wie bei der überwachten Methode.
Wir können auch nur damit arbeiten, was die Satelliten tatsächlich sehen können, das hängt von der Auflösung, der Bildqualität und davon ab, wie oft ein Satellit ein Bild von einem Ort aufnimmt. Wenn wir zum Beispiel Wale beobachten wollen, die an der Meeresoberfläche auftauchen und dadurch Rückschlüsse darauf ziehen wollen, wie viele Wale es gibt, funktioniert das nur, wenn unsere Satelliten die kleineren Wale gut erkennen können. Wir sind auch dadurch eingeschränkt, ob das Wetter schlecht ist (z. B. wenn es zu viele Wolken gibt), oder dadurch, ob wir den Ozean oft genug fotografieren, um eine zuverlässig Veränderungen in der Anzahl der Wale zu erkennen.
Welche Veränderungen sollte die Software ignorieren?
Ein Maschinelles Lern-Modell wird richtige Ergebnisse produzieren, die man Signal nennt, aber auch unwichtige Ergebnisse, die man Rauschen nennt. Die Software soll lernen, Signale von Rauschen zu unterscheiden. Dieses Rauschen kann durch die Atmosphäre entstehen, oder den Sensor an sich. Man kann Rauschen auch als Unterschiede durch die Jahreszeiten auf der Landoberfläche sehen, wenn sich die Welt z.B. von Herbst zu Winter verändert oder wenn es nur so aussieht als hätte sich ein Gegenstand auf der Erde bewegt, aber eigentlich war es eine Veränderung beim Satelliten.
Welche Ausbildung und Fähigkeiten braucht man, um mascinelle Lern-Modelle zu entwickeln?
Maschinelles Lernen ist eine wunderbare Mischung aus Softwareentwicklung, angewandter Mathematik und einer wissenschaftlichen, experimentellen Herangehensweise. Meistens benutzt man die Programmiersprache Python um solche Programme zu schreiben. Insgesamt ist maschinelles Lernen also eine Mischung aus Mathematik, linearer Algebra und Statistik.
Was findest du am spannendsten an der Entdeckung von Veränderungen?
Planet hat eine große Satelliten Flotte erschaffen, welche die gesamte Erde fast täglich fotografieren kann. Leider ist diese Flut an Daten viel zu viel für einen Menschen um sie zu verarbeiten. Wie können wir also maschinelles Lernen nutzen, um diese große Menge an Daten zu verarbeiten und uns gleichzeitig dabei zu helfen, unsere Erde zu beobachten und sich um sie zu kümmern? Zum Beispiel: können wir automatisch Straßen erkennen, die in den Regenwald geschlagen werden und so das verbotene Abholzen von Bäumen vermeiden? Sowas kann die automatisierte Erkennung von Veränderungen uns aufzeigen.
Was sind die Grenzen dieser Veränderungsanalyse?
Man ist immer begrenzt durch die tatsächlichen Qualität und Auflösung der Satellitenbilder und auch dadurch, wie oft sie Bilder aufnehmen. Manchmal können die maschniellen Lern-Modelle falsche Signale produzieren und wir müssen dann sicherstellen, dass das nicht so oft passiert.
Aktivität: Beobachte Veränderung in deiner Umgebung
Diese Woche wollen wir einen Blick auf die Welt um uns herum werfen, darüber nachdenken wie wir Veränderung wahrnehmen und die Veränderungen mit anderen teilen. Such dir einen Gegenstand in deiner Umgebung aus und halte fest, wie dieser sich innerhalb einer Woche verändert. Nutze dabei eine Methode die dir am besten gefällt. VIelleicht möchtest du jeden Tag ein Bild von einer Blume in deinem Garten machen oder dir die Wolken im Himmel ganz genau anschauen und aufschreiben, wie sie sich verändern.
Teile deine Gedanken und Bilder in Sozialen Netzwerken und inspiriere andere, diese Veränderungen auch zu sehen!
Schicke deine Beobachtungen von den Veränderungen an backtoschool@planet.com und mit Glück kannst du nächste Woche ein Teil von unserem Blogpost sein!
Wo auf der Erde ist das?
Kannst du anhand dieser Hinweise herausfinden was du auf dem Bild sehen kannst?
- Ich wachse, und zwar jeden Tag durch neuen Schnee.
- Ich bin ein sehr alter, eisiger Fluss, der das Land Argentinien geformt hat.
- Ich bringe Wasser zu Bergseen, aber einer ist verschwunden!
Wer bin ich? (Antwort)
Weitere Ideen:
Einen Film den ihr Euch ansehen könnt (FSK 0): Hidden Figures — Unerkannte Heldinnen
Den originalen Blogpost auf Englisch von Valerie findet ihr hier.
