Deep Learning: Ein Beispiel aus dem öffentlichen Dienst

Deep Learning, eine Teildisziplin der Künstlichen Intelligenz, hat in nur wenigen Jahren für bahnbrechende Fortschritte im Bereich der automatischen Bilderkennung gesorgt. Computer sind nicht nur in der Lage, einfache Beobachtungen anzustellen (Ist eine Katze auf dem Bild zu sehen: ja/nein?): Mit dem richtigen Training erkennen sie auf Bildern blitzschnell Muster und Zusammenhänge, die der Mensch nur mit sehr viel Mühe findet – oder eben übersieht.

Um das zu veranschaulichen, habe ich Ihnen ein Deep Learning Beispiel aus dem öffentlichen Dienst mitgebracht. Wasserwirtschaftsverbände stehen regelmäßig vor der Herausforderung, Luftbildaufnahmen zum Zwecke von Gebührenberechnung und Hochwasserschutz kosten- und zeitintensiv kategorisieren zu müssen. Im Blog erfahren Sie, wie automatische Bilderkennung diesen Prozess um ein Vielfaches beschleunigen kann.

Inhalt

• Hochwasserschutz: Eine Herausforderung für Wasserwirtschaftsverbände

• Luftbildaufnahmen als kosten- und zeitintensives Großprojekt

• Exkurs – GeoAI

• Bilderkennung von X-INTEGRATE nutzt Deep Learning

• U-Net-Algorithmus für die Segmentierung von Anwendungen

• Fazit: Zeitersparnis und detailliertere Ergebnisse

In der Regel werden solche Luftbildaufnahmen alle fünf Jahre aktualisiert – ein kosten- und zeitintensiver, sich wiederholender und manueller Prozess. Trotz üppiger Ausstattung an Personal und beauftragten Ingenieurbüros werden nur ca. 10 % des Datenbestands pro Jahr aktualisiert. Die Länder verfügen in der Regel über keine zentrale Datenbank, in der Versiegelungsinformationen für wasserwirtschaftliche Anwendungen vorgehalten werden könnten. Auch eine einheitliche Methodik zur Erhebung der Versiegelungsdaten gibt es nicht. So muss man sich zumeist auf Schätzungen berufen und zieht dabei Analysen von Daten aus digitalisierten Luftbildern oder abgeschätzten Durchschnittswerten für Verkehrs- und Siedlungsflächen heran.

Luftbilder kommen in vielen Bereichen zum Einsatz – beispielsweise, für Stadtplanung, bodenkundliche Erhebungen, Beweissicherungen in Schadenfällen oder wenn die Forst- und Landwirtschaftsbetriebe ihre Ertragsoptionen sichten wollen. Doch bis aus solchen Luftbildern aussagekräftige Karten werden, die als Analysegrundlage dienen, ist ein stark manueller Prozess erforderlich. Der Grund: Objekte oder Flächen müssen bisher weitestgehend manuell markiert werden. Hier kommt einiges zusammen. Wollen Städte beispielsweise die Gesamtfläche von Grünflächen, Wasserkörper oder versiegelte Flächen für ihre Region herausfinden, müssen Fachkräfte in der Verwaltung oft stundenlang Polygone auf eine Hintergrundkarte zeichnen.

Dank Künstlicher Intelligenz lässt sich die Objekt- und Flächenerkennung auf digitalen Karten heute automatisieren. Unterscheiden lassen sich dabei vier Anwendungsbereiche:

X-INTEGRATE hat eine Lösung entwickelt, die unter Zuhilfenahme KI-basierter Methoden (Deep Learning) versiegelte Flächen aus Luftbildaufnahmen automatisiert bestimmt. Die Entwicklung eines solchen Modells, das die verschiedenen Arten der Versiegelung genau vorhersagt, ist von besonderer Bedeutung – eben weil die bisherigen Verfahren viel Know-how erfordern und der Arbeitsaufwand immens ist, Luftbildaufnahmen zu betrachten und zu versuchen, die Versiegelungsart zu bestimmen, um jene schließlich mit Polygonen einzuzeichnen.

Statt diesem kostenintensiven und zeitaufwändigen Prozess wird in der Lösung von X-INTEGRATE ein Modell anhand der von Fachkräften eingezeichneten Polygonen trainiert, das automatisch die Art der auf den Luftbildaufnahmen dargestellten Flächen vorhersagt. Diese Aufgabe wird in Computer Vision „semantische Segmentierung“ genannt. Sie stellt ein Bild auf Pixel-Ebene dar, indem jedes Pixel eines Bildes einer bestimmten Klasse zugeordnet wird. Deep Learning kommt hier zum Einsatz, um eine Zusammenstellung von Pixeln zu erkennen, welche die verschiedenen Klassen bilden.

Die neue Lösung ermöglicht es, neue georeferenzierte Luftbildaufnahmen und erste Erkenntnisse über den Versiegelungsgrad sehr schnell vorherzusagen. Das Ergebnis sind GeoTiff-Dateien, die der Fachbereich in sein spezifisches GIS-System einspielen kann, um die Folgeprozesse und Abrechnungsmechanismen zu bedienen. Dies bietet einerseits großes Potential und eine zeitsparende Alternative zur klassischen manuellen Bestimmung der Versieglungsflächen. Andererseits kann dadurch der vorhandene Datenbestands sehr viel engmaschiger aktualisiert werden. Eine Verbesserung kommunaler Aufgaben auf allen Ebenen also.

Das Data & AI Team der X-INTEGRATE unterstützt Sie gerne auch bei ihrem Vorhaben. Wie wäre es mit einem Einstieg über einen Data Science Use Case Workshop?

In einer internen Nachbereitung wird eine Dokumentation des Workshops erstellt. Außerdem erarbeiten wir, basierend auf unseren Erfahrungswerten, konkrete Empfehlungen und nächste Schritte.