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Neuronale Netzwerke

Erdbeobachtungssatelliten liefern täglich enorme Mengen an Bilddaten. Doch wie erkennt man automatisch, ob ein Pixel Vegetation, eine Straße oder eine Siedlung zeigt? In diesem Video erklären wir anhand eines einfachen Beispiels, wie künstliche neuronale Netzwerke (Artificial Neural Networks, ANN) funktionieren. Wir bauen Schritt für Schritt ein kleines „künstliches Gehirn“, das anhand der RGB-Farbwerte eines Pixels entscheidet, ob es sich eher um Vegetation oder eine versiegelte Fläche handelt. Dabei lernen wir die wichtigsten Bausteine eines neuronalen Netzes kennen: Input Layer, Hidden Layer, Weights, Bias, Aktivierungsfunktionen sowie Training und Backpropagation.

Neuronale Netzwerke
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10 11 12 13 8 Fach Informatik Klasse Lernmodul Material

Wie lernt KI?
Neuronale Netze verstehen mit Satellitenbildern

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Künstliche Intelligenz nimmt in unserem Alltag – und auch im Leben von Schüler:innen – einen immer größeren Raum ein. Bildbasierte KI-Systeme werden heute unter anderem in der Navigation, der Umweltüberwachung, im Katastrophenschutz, in der Landwirtschaft, in der Stadtplanung sowie in sozialen Medien eingesetzt. Daher ist es wichtig, dass Schüler:innen diese Informatiksysteme nicht nur anwenden, sondern auch verstehen, analysieren und kritisch bewerten können.

Ziele

Die Schüler:innen sollen …

  • erklären, wie Bilddaten für KI-Systeme aufbereitet und kategorisiert werden,
  • den Zusammenhang zwischen Trainingsdaten, Modell und Ergebnisqualität verstehen,
  • den Aufbau und die Funktionsweise eines einfachen neuronalen Netzes beschreiben,
  • Veränderungen im neuronalen Netzwerk mit dem Trainingsprozess in Beziehung setzen,
  • die Funktionsweise bildbasierter Klassifikationssysteme erläutern,
  • typische Fehler, Verzerrungen und Grenzen von KI-Systemen erkennen,
  • gesellschaftliche Einsatzmöglichkeiten sowie mögliche Risiken reflektiert beurteilen.
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10 11 12 13 7 9 Copernicus Fach Lernvideos Material Physik

Echt falsche Farben

Licht unterschiedlicher Wellenlängen wird kombiniert und als Farben dargestellt, um verborgene Eigenschaften der Erdoberfläche sichtbar zu machen – so entstehen Falschfarbenbilder.
Vegetation, Wasser, Boden und menschliche Strukturen reflektieren das Licht unterschiedlich in diesen Spektralbändern, sodass sie in Falschfarbendarstellungen leicht voneinander zu unterscheiden sind.
In diesem Video lernst du, wie Falschfarben in der Fernerkundung entstehen, welche Kombinationen verwendet werden und welche Informationen man daraus ableiten kann. Bleib dabei, um mehr zu entdecken!

Specular and Diffuse Reflection in Radar Images
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10 11 12 13 9 Fach Geographie Klasse Klima Material Physik

Wie verändert sich die Meeresoberflächentemperatur aufgrund des Klimawandels

Die Meeresoberflächentemperatur (SST) steuert Wetter, Klima und extreme Ereignisse wie El Niño. Doch was genau misst man eigentlich – die oberen 20 Meter Wasser oder nur einen hauchdünnen Film an der Oberfläche? In dieser Einheit erkundest du echte Satellitendaten aus dem Copernicus-Programm und machst sichtbar, wie sich die Ozeane durch den Klimawandel verändern.

Jahrgangstufen: 9,10,11,12,13

Bearbeitungszeit: 90 min

Fächer : Geographie, Chemie, Physik, Naturwissenschaften

Leitfrage: Wie verändert sich die Meeresoberflächentemperatur aufgrund des Klimawandels?

Themen: Meerestemperaturen, Klimaentwicklung, Klimawandel

Links zu allen interaktiven Grafiken:

Globale Karte der Mittelwerte der Meeresoberflächentemperaturen aus den Jahren 1982 bis 2020

Globale Karte der klimatologischen Monatsmittelwerte der Meeresoberflächentemperatur aus den Jahren 1982 bis 2020

Globale Karte der Anomalien der Monatsmittelwerte der Meeresoberflächentemperatur

 Globale Karte der Anomalien der Jahresmittelwerte der Meeresoberflächentemperatur

 Zeitreihen der Jahresmittelwerte der Meeresoberflächentemperaturanomalien

https://www.iup.uni-bremen.de/carbon_ghg/Clim4Edu/interaktiv/sst_grafik_1.html
https://www.iup.uni-bremen.de/carbon_ghg/Clim4Edu/interaktiv/sst_grafik_2.html
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10 11 12 13 9 Fach Geographie Klasse Klima Material Physik

Was zeigen uns Satelliten-
Beobachtungen von
Methan?

Methan (CH4) ist nach Kohlenstoffdioxid (CO2) das wichtigste anthropogene Treibhausgas. Daher ist es wichtig, die atmosphärischen Konzentrationen dieser Gase streng zu überwachen. Wie aber kann man mittels Satelliten die atmosphärische Methan-Konzentration messen? Und Was zeigen uns diese Messungen?

Jahrgangstufen: 9,10,11,12,13

Bearbeitungszeit: 90 min

Fächer : Geographie, Chemie, Physik, Naturwissenschaften

Leitfrage: Was zeigen uns Satelliten-Beobachtungen von Methan?

Themen: Methan Konzentration, Klimaentwicklung, Klimawandel

https://www.iup.uni-bremen.de/carbon_ghg/Clim4Edu/interaktiv/anim/XCH4_OBS4MIPS_v4.4_5x5_100.gif
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10 11 12 13 9 Copernicus Fach Lernvideos Material Physik

Specular and Diffuse
Reflection in
Radar Images

Light is reflected in a specific direction from smooth surfaces, while rough surfaces scatter it in many directions. Radar satellites use this principle for Earth observation. They send microwaves to the Earth and analyze the returning signals to identify different types of surfaces. Smooth surfaces appear differently on radar images compared to rough ones. By analyzing these differences, scientists can gather important information about the Earth’s surface. Stay tuned to learn more!

Specular and Diffuse Reflection in Radar Images
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10 11 12 13 9 Copernicus Fach Geographie Lernvideos Material Physik

Space Thermometer

Measuring temperatures is something we do every day. But how do you measure the temperature of the entire Earth? This video introduces you to the Sentinel-3 satellite, our “thermometer in space.” You’ll learn how it measures the Earth’s heat from 800 km above, and what we can learn from it. We’ll look at fascinating thermal images, like one from a heatwave in Egypt. You’ll see how cities, deserts, and forests have different temperatures. In the end, we’ll explain why these measurements are so important for understanding climate change and extreme weather events.
Space Thermometer
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10 11 12 13 9 Copernicus Fach Geographie Lernvideos Material Physik

Weltraumthermometer

Temperaturen messen, das machen wir jeden Tag. Aber wie misst man die Temperatur der ganzen Erde? Dieses Video zeigt euch den Satelliten Sentinel-3, unser “Thermometer im Weltraum”. Ihr erfahrt, wie er aus 800 km Höhe die Wärme der Erde misst und was wir daraus lernen können. Wir schauen uns spannende Wärmebilder an, zum Beispiel von einer Hitzewelle in Ägypten. Ihr seht, wie unterschiedlich warm Städte, Wüsten und Wälder sind. Am Ende erklären wir, warum diese Messungen so wichtig sind, um Klimawandel und extreme Wetterereignisse zu verstehen.

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10 11 12 13 9 Fach Lernvideos Material Mathematik Physik

Physik überlistet Physik:
Hochauflösende Radarbilder

Das Erzeugen scharfer Bilder aus dem All mit langwelligen elektromagnetischen Wellen stellt eine bedeutende technische Herausforderung dar. SAR, oder Synthetic Aperture Radar, ist eine Technologie, die es ermöglicht, die scheinbaren Grenzen der Physik zu überwinden. In diesem Video erfahrt ihr, wie SAR funktioniert und wie es physikalische Prinzipien nutzt, um physikalische Einschränkungen zu umgehen 

Physik überlistet Physik: Hochauflösende Radarbilder
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10 11 12 13 9 Fach Lernvideos Material Mathematik Physik

Durchblicker –
Radarsatelliten im Einsatz

Satellitenbilder zeigen die Schönheit der Erde, ermöglichen neue Erkenntnisse in der Forschung und liefern wichtige Daten für zahlreiche Anwendungsbereiche. Doch was kann man auf ihnen wohl am häufigsten beobachten? Die Antwort: Wolken, Wolken und nochmals Wolken. Eine zeitlich lückenlose Beobachtung der Vorgänge auf der Erdoberfläche vom Weltall aus wird so natürlich erschwert. Doch es gibt Satelliten und Sensoren, für die Wolken kein Problem darstellen und die eine ganze Reihe von Eigenschaften haben, die sie zu wichtigen Werkzeugen für die Beobachtung unseres Planeten machen – die Radarsatelliten.

Durchblicker – Radarsatelliten im Einsatz