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Night Lights: Fotos für die Forschung

30.01.2013, 14:50 Uhr  ·  Bilder der nächtlichen Weltkugel sehen schön aus - und liefern Wissenschaftlern interessante Daten für sozioökonomische Forschung.

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Bilder der nächtlichen Weltkugel sehen schön aus – und liefern Wissenschaftlern interessante Daten für sozioökonomische Forschung.

Nach dem Film “Apollo 13″ wollte ich gerne Astronautin werden. Das schien mir noch aufregender als Pilotin (mein erster Berufswunsch) – und die Aussicht war so schön. Natürlich ist es nicht völlig auszuschließen, daß es die Mondlandungen gar nicht wirklich gab – das Internet mit seinen Verschwörungstheorien kann so aufregend sein!  – und Bilder kann man ohnehin manipulieren. Dennoch hat die Raumforschung der Menschheit enorme Wissensfortschritte verschafft, und zwar keineswegs nur in der Astronomie oder Physik.

Eines der wichtigsten interdsiziplinären Projekte in diesem Bereich wurde in den 60ern von den Sicherheitsbehörden der USA ins Leben gerufen. Ursprünglich sollte das Defense Meteorological Satellite Program die US Air Force mit meteorologischen Daten versorgen – heute hingegen sind die Bilder der Satelliten für die öffentliche Forschung zugänglich und werden auch zunehmend in den Sozial- und Umweltwissenschaften genutzt.

Um genauere Informationen über Wolken am Nachthimmel zu erhalten, wurden die Wettersatelliten mit hochsensiblen Lichtmessern ausgestattet. In den 70er Jahren wurden die Daten freigegeben und noch etwas später Unterhalt und Verwaltung an die National Oceanic and Atmospheric Administration abgetreten. Die Idee zur vielfältigen Nutzung der Daten gab es schon früh – allerdings waren die Bilder nur auf Filmstreifen zugänglich, was die Brauchbarkeit einschränkte. Erst mit der digitalen Speicherung in den 90ern setzte eine breitere Nutzung ein, und derzeit sammeln vier Satelliten Bilder für das der NOAA angegliederte Datencenter.

Bild zu: Night Lights: Fotos für die Forschung

Die Satelliten laufen in einer sonnensynchronen Umlaufbahn um die Erde, und umrunden sie zwei Mal innerhalb von 24 Stunden: einmal tagsüber, einmal nachts. Die Objektive decken einen Landstreifen von 3000 km ab, daher auch der Subtitel “Operational Linescan System”. Die Auflösung im Rohzustand beträgt 0,5 x 0,5 km pro Pixel, daraus werden allerdings umgehend onboard geglättete Durchschnitte mit etwas gröberer Auflösung errechnet. Der Clou sind jedoch nicht die Bilder bei Tage, die mit heutiger Technik noch immer nur sehr mühsam zu interpretieren und analysieren sind. Zu Berühmtheit gekommen ist das Programm mit seinen “night lights” Daten. Die außerordentlich hohe Sensibilität für Licht, die ursprünglich für Wolken im Mondlicht gedacht war, erfaßt nämlich sogar das Licht von Dörfern in den USA, in denen nur 150 Menschen wohnen.

Diese Information wird kombiniert mit diversen geographischen und anderen Daten wie Höhenunterschiede und Mondphase, und dann als ein großes Bild mit einem Datenvolumen von mehr als 1GB zur Erde geschickt. Die weitere Auswertung dort erfordert umfangreiche Berechnungen und Anpassungen. Die Umlaufbahn des Satelliten, die Verzerrungen und Abstände zur Erde für verschiedene Regionen, die sich daraus ergeben, die üblichen Probleme von Projektionen – all das wird von Wissenschaftlern mit Hilfe von Algorithmen und Mathematik korrigiert.

Bei der Auswertung der Lichtquellen ergeben sich faszinierende Bilder – und allerlei Probleme. Zum Beispiel werden auch nichtsystematische oder außerordentliche Lichtquellen wie Waldbrände oder Blitze aufgenommen, die den Informationsgehalt verzerren. Daher werden die Daten in den Sozialwissenschaften häufig in einer bereinigten Variante “stable lights” -Variante verwendet, die aus mehreren Aufnahmen verschiedener Nächte zusammengestellt wurden.

Bild zu: Night Lights: Fotos für die Forschung

Sind die Bilder allerdings erst einmal aufbereitet und korrekt mit geographischen Koordinaten auf Landkarten gemappt, kann man damit aufregende Dinge anstellen. In den letzten Jahren wurden die Daten vor allem verwendet, um nationale Statistiken zu kontrollieren und in der geographischen Dimension besser aufzubereiten. Forschern träumen schon länger von Daten, die es ihnen ermöglichen, Analysen für kleinere geographische Einheiten durchzuführen, also zum Beispiel Kommunen oder Landstriche. Während die großen Industrieländer mittlerweile über hinreichend fortgeschrittene Behördenapparate verfügen, um alle möglichen Daten auf diesem Niveau zu erheben, ist für viele Entwicklungsländer selbst das nationale Bruttoinlandsprodukt nur eine grobe Schätzung. Einerseits fehlt häufig die administrative Kapazität für valide Statistiken, die entsprechende Anzahl von Computern, die zuverlässige Erhebung von Daten, wie auch das Wissen um die entsprechenden Methoden. Erschwerend kommt hinzu, daß sich weite Teile der Wirtschaft auf Schwarzmärkte und Schmuggel zurückziehen, folglich kaum meßbar sind.

In all diesen Fällen können Lichtdaten zur Ergänzung genutzt werden – denn wenn der moderne Mensch aktiv ist, sondert er Licht ab. Kleine Garküchen auf der Straße sind mit Feuer verbunden, Büdchen zum Telefonaufladen in Afrika haben meistens eine Glühbirne (um zu zeigen: hier ist Strom), und je wohlhabender die Menschen und Länder werden, desto mehr Haushalte werden ans Stromnetz angeschlossen.

Es ist nicht ganz einfach, die Daten international vergleichbar zu machen: schon unterschiedliche Techniken in der Verdunkelung oder verschiedene Glühbirnentypen führen zu Differenzen. Darüber hinaus sind die Informationen von Lichtpixeln in sehr dünn besiedelten oder armen Gegenden kaum noch von zufälligem Rauschen in der Bildqualität zu unterscheiden. Es bleibt dennoch ein enormer Informationsgewinn.

Bild zu: Night Lights: Fotos für die Forschung

Nachdem die Daten bereits genutzt wurden, um Aussagen über die wirtschaftliche Aktivität bzw. das sogenannte “Bruttozellprodukt” für gerasterte Zellen auf der Landkarte zu errechnen, und mit statistisch gewonnen Daten abzugleichen, wurde außerdem eine Art Ungleichheitsindex konstruiert. Für ungleich verteilte Einkommen gibt es den Gini-Index – für ungleich verteiltes Licht nunmehr einen “Night Lights Development Index”. Damit verhält es sich allerdings ein wenig wie mit dem IQ: der Index mißt Licht und implizit eine bestimmte Dimension wirtschaftlicher Entwicklung, die eng korreliert ist mit Elektrifizierung, Armut und wirtschaftlicher Produktivität. Genauer vermögen es auch die Forscher leider nicht einzugrenzen – dafür ist die Statistik noch zu neu.

Allerdings eignen sich die Daten nicht für alles. Die Hoffnung auf völlig neue und vereinfachte Möglichkeiten, Bevölkerungsdichten zu bestimmen, hat sich leider nicht erfüllt. Mehr als 50 % der Weltbevölkerung leben in Städten auf weniger als 3 % der weltweiten Fläche, und Städte breiten sich in manchen Ländern dramatisch aus – es wäre also enorm nützlich gewesen, Bevölkerungsdichten mit Licht genauer zu messen. Bislang jedoch sind die Daten für die dünner besiedelten Gebiete nicht genau und vergleichbar genug. Zwar ist die Lichtsensibilität der Objektive im Weltall so hoch, daß eine 150-Seelen-Gemeinde in den USA sichtbar ist – aber eine vergleichbar große Gemeinde in Afrika eben leider nicht, weil diese viel weniger Licht absondert.

Was ja ebenfalls eine Information über den Zustand unserer Welt ist.

 
 

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Lesermeinungen zu diesem Artikel (13)
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0 veil of ignorance 30.01.2013, 16:26 Uhr

Schöner Beitrag! Aber die...

Schöner Beitrag! Aber die Links für "Auswertung" und "Variante "stable lights" funktionieren leider nicht. Diese Lichtsmogbilder würde ich schon ganz gerne sehen.

0 Marco_Settembrini_di_Novetre 30.01.2013, 16:52 Uhr

@veil of ignorance: Habe...

@veil of ignorance: Habe mal geguckt, ob ich da was drehen kann. Bei "Auswertung" ist leider nichts hinterlegt, aber die "stable lights-Variante" ist wohl das hier: asprs.org/.../1997_jun_727-734.pdf
EDIT: Ah, jetzt tuts auch oben im Text, manchmal muss man hier mehrmals hin und her, bis die letzten Änderungen wirksam sind.

0 sophia.infinitesimalia 30.01.2013, 18:06 Uhr

veil of ignorance, jetzt...

veil of ignorance, jetzt müsste es gehen... . . Geschätzter Kollege, vielen Dank für die Hilfe!

0 Tyler Durden Volland 31.01.2013, 01:30 Uhr

"Es bleibt dennoch ein enormer...

"Es bleibt dennoch ein enormer Informationsgewinn. " Ich weiss nicht so recht..... Zeigt uns die Erfahrung der letzten Jahre nicht immer deutlicher, dass Staaten ALLE Daten die sie irgendwie bekommen können, keineswegs zu Gunsten der Bürger auswerten, sondern zu deren Kontrolle? Sophia, ist ihnen diese Entwicklung verborgen geblieben und haben sie nie einen Bericht über die kommenden Möglichkeiten dieser Technik gelesen? Dass alle Staaten, ausnahmslos, ganz im Gegenteil alles über ihre Bürger speichern, was von der Technik ermöglicht wird, und zwar ohne die geringsten Skrupel ob ihre Tätigkeit legal ist oder nicht? Ist es nicht so, dass IMMER erst irgendjemand vor Gericht klagen muss, damit illegale Datenauswertung und Speicherung in Grenzen gehalten werden?

0 Marco_Settembrini_di_Novetre 31.01.2013, 10:25 Uhr

@tylerdurdenvolland: So stolz...

@tylerdurdenvolland: So stolz ich ja auch sonst mein Stanniolkäppi trage, in dem Fall vermag ich nicht so recht zu erkennen, wie nächtliche Lichtmessung mein Grundrecht auf informationelle Selbstbestimmung tangieren könnte. Selbst wenn - jetzt mal hypothetisch gesprochen - etwa eine leuchtkraftabhängige Lichtverschmutzungsabgabe erhoben würde, dürfte sich das kaum in einer Form realisieren lassen, die auf individuell zurechenbaren Lumeneinheiten basiert.

0 sophia.infinitesimalia 31.01.2013, 14:33 Uhr

tylerdurdenvolland, stimmt....

tylerdurdenvolland, stimmt. Gestern erst mit Wissenschaftlern darüber diskutiert, ob Fimen verpflichtet sein sollten, die Verknüpfung ihrer Daten zu gestatten - ich bin dagegen. Bei den Lights Daten hingegen dürften die Probleme sich in Grenzen halten. . Marco, eben. Die Daten sind ja gerade nicht individuell, sondern erfassen vor allem öffentliche Beleuchtung.

0 tylerdurdenvolland 01.02.2013, 09:09 Uhr

Ungewohnt, dass ich das...

Ungewohnt, dass ich das anscheinend erklären muss....: Ich spreche natürlich von den technischen Möglichkeiten die entwickelt werden, und von der skrupellosen, vorsätzlichen Missachtung der gesetzlichen Regelungen bezüglich irgendwelcher durch "den Staat" erworbener Daten. Natürlich ist diese spezielle Erfasung öffentlicher Beleuchtung kein Problem. Genauso so gut kann man ja auch argumentieren, dass Zyklon B ganz ausgezeichnet gegen Ratten hilft...

War darüber nicht auch...

War darüber nicht auch letztlich was in den Scienceblogs.de ? Nee, nee, HIER war das: http://bit.ly/UIHuuh ("schöne" Fotos)

0 Marco_Settembrini_di_Novetre 01.02.2013, 10:44 Uhr

@tylerdurdenvolland: Puh....

@tylerdurdenvolland: Puh. Meinen Sie nicht, dass Ihnen mit dem Zyklon B-Vergleich ein wenig die Verhältnismäßigkeiten entgleisen? Bei mir kommt das so an, als gäbe es keine andere Option mehr als bewaffneter Widerstand, wenn sagenwirmal das Umweltbundesamt eine umfassende Mikrobenzählung in deutschen Ackerböden zwischen Watzmann und Waterkant anordnet. Oder was ist mit dem DWD in Offenbach, der ja auch eine Behörde ist, die jede Menge Wetterdaten sammelt? Sind wir da zu arglos? . Ich selber finde es ja immer wieder anstrengend, den Vertretern von "ich hab doch nichts zu verbergen" ständig aufs Neue zu erklären, was meine Sorgen bezüglich INDECT, Vorratsdatenspeicherung, Quellen-TKÜ, ELENA und dergleichen mehr sind. Aber nennen Sie mich gerne naiv, verblendet und gehirngewaschen, wenn ich in dieser nächtlichen Beleuchtungsmessung nicht so recht das Problem zu erkennen vermag. Oder vielleicht machen Sie sich die Mühe, darzulegen, welche Gesetzesverstöße zum Nachteil der Bürger Sie auf diesem Sektor erwarten?

0 sophia.infinitesimalia 01.02.2013, 14:14 Uhr

tylerdurdenvolland, ich finde...

tylerdurdenvolland, ich finde ganz im Gegenteil, daß das ein schönes Beispield dafür ist, wie aus ursprünglich militärischer Forschung auch ziviler Nutzen gezogen wird. Ich habe mich damit nicht weiter befaßt, aber die Daten werden auch in der ökologischen Forschung genutzt. . Jeeves, sehr schön! Ich darf die Bilder leider nur verlinken, Urheberrecht, und so.... . Marco, das sehen wir offenbar ähnlich. Zumal die Gesellschaft es ja in der Hand hat, was mit Erkenntnissen angestellt wird. Wobei ich auch meinen Teil dazu beitrage, Freunden zu erklären, warum man nicht jedes Angebot nutzen sollte und Privatsphäre ein Recht an sich ist. Das es zu verteidigen gilt.

0 Thorsten Haupts 02.02.2013, 21:19 Uhr

@Sophia: Wieder einmal ein...

@Sophia: Wieder einmal ein schönes Beispiel dafür, wie Technik der Wissenschaft hilft. Wenn ich mich selbst jetzt noch davon überzeugen könnte, dass die Politik - echtes Interesse an wissenschaftlichen Erkenntnissen hätte - wissenschaftliche Erkenntnisse zur Politikgestaltung nutzen würde und - zwischen Wissenschaft und Pseudowissenschaft unterscheiden könnte fände ich solche Berichte noch schöner. Aber das wird wohl leider nie eintreten. Die Politik kennt ihre Wählerschaft. Gruss, Thorsten Haupts

0 Marco_Settembrini_di_Novetre 02.02.2013, 22:54 Uhr

@tylerdurdenvolland: Da war...

@tylerdurdenvolland: Da war ich womöglich zu voreilig mit der Entwarnung: http://www.guardian.co.uk/world/2013/jan/30/lights-out-france-shops-offices

0 sophia.infinitesimalia 03.02.2013, 00:23 Uhr

Thorsten Haupts, nun ja, "die...

Thorsten Haupts, nun ja, "die Politik" tut das, was den Wählern wichtig ist. Dafür werden Politiker doch gewählt, oder? Wenn man es ändern will, muß man sich wohl oder übel politisch engagieren und es besser machen, denke ich. . Marco, das ist aber doch hervorragend? Wenn man das noch auf die Millionen Computer ausdehnen könnte, die über Nacht nicht ausgeschaltet werden - noch besser.

wurde schon frühzeitig von einem Magister der Mathematik bescheinigt, sie möge ob ihrer Unfähigkeit im Umgang mit Zahlen und Formeln nicht allzu betrübt sein, es gebe reichlich schöne Berufe ohne dieselbe, insbesondere ein Broterwerb als Kammerjungfer oder Hausfrau wurde ihr nahegelegt.