digitaler Zwilling

Digitale Zwillinge sind digitale Modelle physischer Systeme, Prozesse oder Objekte, die den aktuellen Zustand des Objekts genau widerspiegeln sollen. Sie ermöglichen es, große Datenmengen in einzelnen Modellen zusammenzufassen, um hochkomplexe Simulationen und Vorhersagen über den aktuellen und zukünftigen Zustand des Objekts als Reaktion auf eine Vielzahl von Faktoren durchzuführen.

Der Begriff des digitalen Zwillings entstand als Reaktion auf die Explosion des Sauerstofftanks der Apollo 13, bei der ein „lebendes Modell” der Apollo-Mission erstellt wurde, um den Fehler zu bewerten. Dieses Modell bestand aus einer physischen Nachbildung des Fahrzeugs sowie digitalen Komponenten, die eine Analyse des Fehlers und eine teilweise Simulation möglicher Lösungen ermöglichten. Wie dieses Beispiel zeigt, sind vollständige Nachbildungen, ob digital oder anderweitig, für das Testen von Produkten, Prozessen und Szenarien von unschätzbarem Wert. Dies kann in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden, von der Landwirtschaft über die Wassernutzung und das Katastrophenmonitoring bis hin zur Fertigung, Stadtplanung und Gesundheitsversorgung.

Eine spezifische Anwendung dieser neuen Technologie sind digitale Zwillinge der Erde. Diese Modelle sind teilweise digitale Darstellungen der Erde und ihrer Systeme. Sie ermöglichen die Überwachung, Vorhersage und Bewertung in einer Reihe von Bereichen, darunter Klimaphänomene, hydrologische Prozesse und ökologische Systeme. Digitale Zwillinge werden oft als fachspezifische Werkzeuge konstruiert, die einzelne Phänomene auf globaler Ebene modellieren und so die Einfachheit und die Datenanforderungen unterstützen. Beispiele für solche spezifischen digitalen Zwillinge sind der Weather-Induced Extremes Digital Twin, der zur Unterstützung von Reaktionen auf meteorologische, hydrologische und Luftqualitäts-Extreme entwickelt wurde, und der Climate Change Adaptation Digital Twin, der die Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten modellieren soll. Beide Modelle sind Teil der EU-Initiative „Destination Earth“ (DestinE), deren Ziel es ist, einen allgemeinen digitalen Zwilling des gesamten Erdsystems zu schaffen.

Im Rahmen der Erdsystemwissenschaft werden digitale Zwillinge die Entwicklung von Szenarien für künftige Zustände und Veränderungen des Erdsystems, die Einschätzung der möglichen Resultate und Risiken vorgeschlagener Maßnahmen und die Erarbeitung von Optionen für nachhaltige Pfade ermöglichen.

Das Konzept der digitalen Zwillinge bietet die Möglichkeit der intuitiven Bündelung von und des einfachen Zugriffs auf Umweltdaten, -modelle und -simulationen. Ein gut konstruierter digitaler Zwilling der Erde wird es einem breiteren Nutzerkreis ermöglichen, mit digitalen Ressourcen zu interagieren, um gegenwärtige und künftige Szenarien zu erforschen, insbesondere in Bezug auf die Interaktion des Menschen mit dem Erdsystem.

Führt man zum Beispiel bestimmte Umweltparameter wie Temperatur, Niederschlag und aktuelle Landbedeckungsdaten in einem digitalen Klimazwilling zusammen, dann könnte er vorhersagen, welche Regionen der Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt besonders von Dürren oder Starkniederschlägen betroffen sind – ein wichtiges Thema auf der Weltklimakonferenz COP27 in Sharm El Sheikh. Der Programmvorschlag Earth Watch – Digital Twin Earth hat zum Ziel, verschiedene digitalen Zwillinge auf Grundlage von Erdbeobachtungdaten zu entwickeln und in einer offenen Plattform zugänglich zu machen. Durch diese neuartige Verknüpfung von Daten und die Nutzung von Methoden wie der künstlichen Intelligenz, kann Digital Twin Earth Szenarien der Zukunft unserer Erde modellieren und einen wichtigen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels leisten.

Die Entwicklung eines digitalen Zwillings der Erde erfordert internationales Engagement und entsprechende Ressourcen, denn die massive Generierung numerischer Daten sowie deren Verarbeitung und Speicherung ist eine Aufgabe, die nur mit internationalen Bemühungen zu bewältigen ist. Das Ergebnis wird es den Nutzern ermöglichen, eine Familie von anwendungsorientierten digitalen Zwillingen zu schaffen, die gemeinsam Zugriff auf eine Vielzahl von Erdsystemdaten, Vorhersagesystemen und Prognosen hätten.

Da im gesamten „digitalen Ökosystem“ der Erde immer mehr digitale Zwillinge entstehen werden, ist es von entscheidender Bedeutung, dass man einen Rahmen schafft, der ihre Interoperabilität gewährleistet. Durch einen solchen Rahmen von digitalen Zwillingen können Prognose- und Vorhersagekapazitäten schneller vergrößert und zusammengeführt werden, um notwendige Entscheidungen durch die Erforschung von „Was wäre, wenn“-Szenarien wissenschaftlich fundiert zu unterstützen.

Bedeutung und Anwendungen

Digitale Zwillinge haben ein immenses Potenzial, sowohl das Verständnis der Erdsysteme als auch die Vorhersagekraft aktueller Prognosemodelle zu revolutionieren. Durch Fortschritte in der Fernerkundung und die zunehmende Menge an gesammelten Daten ist es möglich geworden, wertvolle Erkenntnisse und Informationen zu gewinnen, darunter genauere und zeitnahere Vorhersagen zu Ereignissen im Erdsystem.

Windgeschwindigkeitskarte über 10 min von DestinE (1/2024) Quelle: eoPortal / Destination Earth

Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Klimamodellierung, wie oben dargestellt, insbesondere im Hinblick auf den anthropogenen Klimawandel. Ein digitaler Zwilling des Erdklimas und der Erdatmosphäre würde Vorhersagen über den Zustand der Erde unter verschiedenen Emissionsszenarien ermöglichen, wodurch möglicherweise klarere Ziele für die Begrenzung des Klimawandels festgelegt und das Verständnis für die tatsächliche Bedrohung durch den Klimawandel gefördert werden könnten. Darüber hinaus könnten digitale Zwillinge, die für Systeme wie die Hydrosphäre der Erde erstellt wurden, dazu beitragen, die sich entwickelnden Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Anstieg des Meeresspiegels und der Wassernutzung zu bewältigen, indem sie Dürren oder Überschwemmungen vorhersagen, die Verfügbarkeit von Süßwasser überwachen und eine nachhaltige Verteilung in wasserarmen Gebieten sicherstellen.

Digitale Zwillinge verschiedener Biome und Ökosysteme können in ähnlicher Weise bei der Modellierung von Entwaldung und Biodiversitätsverlust helfen und wertvolle Visualisierungen für die Aufklärung der Öffentlichkeit und die Vermittlung von Umweltbewusstsein liefern. Ein weiterer wertvoller Aspekt präziser digitaler Zwillinge ist ihre Rolle im Katastrophenmanagement. Bei Naturkatastrophen wie Hurrikanen und anderen extremen Wetterereignissen können digitale Zwillinge von Klima- oder Hydrologiesystemen dazu beitragen, die Auswirkungen und den Verlauf solcher Katastrophen genauer vorherzusagen und so Hilfs- und Evakuierungsmaßnahmen zu unterstützen.

Die Erstellung erfolgreicher digitaler Zwillinge ist daher ein wichtiger Schritt, um ein umfassendes Verständnis der Erde und ihrer Prozesse zu entwickeln. Durch die Fülle der heute verfügbaren Erdbeobachtungen haben digitale Zwillinge das Potenzial, die Modellierung und Vorhersage zu revolutionieren und zuverlässigere Prognosen über den zukünftigen Zustand der Erde zu ermöglichen.

Beispiele

Destination Earth (DestinE)

Destination Earth (DestinE) ist eine neue EU-Initiative im Rahmen des EU-Programms Digital Europe. Die Initiative Destination Earth zielt darauf ab, sehr präzise digitale Modelle der Erde („Digitaler Zwilling der Erde“) zu entwickeln, um natürliche und menschliche Aktivitäten zu überwachen und zu simulieren. Ziel ist der Aufbau eines digitalen Zwillings der Erde bis Ende des Jahrzehnts, der High Performance Computing (HPC), Big Data (Erdbeobachtung, aber auch viele andere Umweltdaten), KI und Erdsystemmodelle verbindet und hochskaliert. Damit sollen europäische Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft bei den Überlegungen zu Klima- und umweltbezogenen Fragestellungen (What-If-Szenarien) unterstützt werden.

Das ECMWF, die European Space Agency (ESA) und die European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) sind die drei Organisationen, die von der EU beauftragt wurden, dieses beispiellose Projekt für die Klima-, Wetter- und Computerwissenschaften durchzuführen.

DestinE besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Eine öffentliche Plattform, die Zugang zu Modellierungs-, Echtzeit-Variablenüberwachungs- und Folgenabschätzungsfunktionen bietet;
• Ein „Data Lake“, der die gesammelten Erdbeobachtungsdaten von ESA, EUMETSAT und ECMWF sowie Daten von Copernicus und einer Reihe anderer Quellen zusammenführt und
• Der digitale Zwilling selbst. Im Rahmen des Programms werden verschiedene Modelle für unterschiedliche Erdsysteme und Regionen erstellt, die zu einer „vollständigen“ digitalen Nachbildung beitragen.

Zwei weitere digitale Zwillinge werden derzeit vom ECMWF entwickelt: der Weather Induced Extremes Digital Twin (Extremes DT) und der Climate Change Adaptation Digital Twin (Climate DT). Extremes DT soll Simulationen mit einer räumlichen Auflösung im Kilometerbereich liefern, wobei seit August 2023 täglich 5-Tage-Prognosen mit einer räumlichen Auflösung von 4,4 km auf dem ECMWF-Supercomputer Atos durchgeführt werden. Climate DT soll jährliche Klimasimulationen auf einer Skala von mehreren Jahrzehnten liefern. Diese Prognosen werden mit lokaler Granularität erstellt und beinhalten sektorspezifische Informationen zu relevanten Bereichen, wie z. B. die Überwachung erneuerbarer Energiequellen, die hydrologischen Prozesse der Erde und die Landnutzung für Anwendungen wie Stadtplanung und Landwirtschaft.

Visualisierung von Daten aus digitalen Zwillingen: DestinE-Karte der Gesamtniederschlagsmenge für 1/2024 Quelle: eoPortal / Destination Earth

Earth System Digital Twins (ESDT)

Das NASA-Projekt „Digitaler Zwilling des Erdsystems“ (ESDT) ist eine Initiative der Advanced Information Systems Technology (AIST) mit folgenden Zielen:

• Die digitale Nachbildung eines Erdsystems: erstellt durch kontinuierliche, nahezu Echtzeit-Beobachtungen relevanter Variablen, die durch das ausgewählte zu modellierende System definiert sind. Diese Beobachtungen durchlaufen einen Prozess der Datenassimilation und -fusion, wodurch eine genaue Darstellung des aktuellen Systemzustands bereitgestellt wird.
• Dynamische Prognosemodelle: Verwendung historischer Daten und aktueller Beobachtungen zur Vorhersage zukünftiger Zustände des gewünschten Systems.
• Fähigkeiten zur Folgenabschätzung: Einbeziehung von Aspekten sowohl der digitalen Nachbildung als auch der Prognosemodelle durch fortschrittliche Berechnungs- und Visualisierungsfunktionen, um schnell eine große Anzahl simulierter Ergebnisse über eine Reihe von räumlichen und zeitlichen Skalen hinweg durchzuführen und so die Untersuchung mehrerer hypothetischer Zukunftsszenarien zu ermöglichen.

Das Endziel des AIST-ESDT-Projekts ist die Schaffung digitaler Zwillinge, die relevante Erdsystemmodelle und -simulationen, andere relevante Modelle, kontinuierliche Beobachtungen, Langzeitaufzeichnungen sowie Analyse- und KI-Tools integrieren. Ein solches Modell ermöglicht sowohl die Echtzeitüberwachung als auch die Modellierung zukünftiger hypothetischer Szenarien.

Nvidia Earth-2

Earth-2 ist ein klimafokussierter digitaler Zwilling, der vom Technologieunternehmen Nvidia entwickelt wurde. Er prognostiziert globale Klimawandelszenarien, simuliert Klimaprozesse in beispiellosem Umfang und soll Erkenntnisse zur Minderung von Klimarisiken liefern. Das Projekt ist eine digitale Zwillings-Cloud-Plattform, die künstliche Intelligenz, Simulations- und Modellierungsmethoden sowie Computergrafik-Tools kombiniert und die Visualisierung und Vorhersage von Wetter- und Klimaprozessen ermöglicht.

Visualisierung des digitalen Zwillings von Earth-2 Quelle: eoPortal / Destination Earth

Earth-2 verfügt über vier Kernfunktionen: hochauflösende Simulationen, KI-gestützte Analysen, Integration von Big Data und Skalierbarkeit. Das Modell bietet ultrahochauflösende Klimamodelle die Prozesse auf globaler Ebene erfassen. Eine höhere Auflösung bei der Modellierung und Überwachung sorgt nicht nur für eine höhere Genauigkeit, da auch kleinere Prozesse erfasst werden, sondern verbessert auch die Vorhersagefähigkeiten des Modells insgesamt, indem Unsicherheiten bei wichtigen Variablen wie Windgeschwindigkeit oder Niederschlagsmustern reduziert werden. Earth-2 wird auch Daten aus einer Vielzahl von Quellen als Input nutzen, darunter Daten von Erdbeobachtungssatelliten, historische Aufzeichnungen und meteorologische Informationen vor Ort aus Quellen wie Wetterstationen oder Bojen, um ein Echtzeit-Modell des Erdklimas zu erstellen. Die Kombination dieser unterschiedlichen Datenquellen in einem einheitlichen Rahmen erfordert eine erhebliche Rechenleistung, weshalb das Modell das Deep-Learning-System Deep GPU Xceleration (DGX) von Nvidia nutzen wird. Diese Supercomputer sind für die parallele Verarbeitung optimiert und können daher die Rechenanforderungen globaler Klimasimulationen bewältigen.

Earth-2 soll Entscheidungsträgern als wertvolles politisches Instrument dienen, um den Klimawandel und seine bisherigen und künftigen Auswirkungen besser zu verstehen, zu modellieren und vorherzusagen. Es soll Frühwarnsysteme und Managementstrategien für Naturkatastrophen bereitstellen, globale und regionale Klimatrends wie Hitzewellen oder Dürren vorhersagen und Veränderungen im Ökosystem wie Entwaldung oder Trends bei den Polkappen verfolgen.

Digitaler Zwilling Deutschland (DigiZ-DE)

Mit dem 'Digitalen Zwilling Deutschland' entwickelt das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) ein neues Produkt, um nachhaltige Entscheidungen bei allen Raum- und Geo-bezogenen Aufgaben der Bundesverwaltung zu unterstützen. Die Basis des Digitalen Zwilling Deutschland wird ein intelligentes, räumliches, digitales Abbild Deutschlands sein, mit dem sich Zukunftsszenarien durchspielen lassen. Dieser Zwilling soll dabei eine bisher unerreichte Genauigkeit aufweisen und alle grundlegenden Geo-Objekte enthalten, vom Hochhaus über die Verkehrsampel bis zum Baumbewuchs.

Dieses hochaufgelöste, digitale Abbild Deutschlands soll Behörden dabei unterstützen, aktuelle Herausforderungen wie Klimawandel, steigender Flächenverbrauch oder soziodemographischer Wandel adäquat und ganzheitlich anzugehen.

Digitaler Zwilling Deutschland - Schema Quelle: BGR

Der Digitale Zwilling Deutschland setzt sich aus Geodaten und weiteren Geofachdaten zusammen. Er basiert auf einem hochpräzisen 3D-Modell, das mit modernster, luftgestützter Laserscan-Technologie aufgenommen wird. Die Laserscan-Befliegung soll einen Datensatz mit einer Auflösung von mindestens 40 Punkten pro Quadratmeter liefern. Die 3D-Daten werden in einem nächsten Schritt in einer cloudbasierten Datenhaltungs- und Analyseplattform mit anderen Basis- und Fachdaten verknüpft.

Die Ergänzung durch Satellitendaten und Echtzeitdaten, die mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) ausgewertet werden, steigern die Qualität weiter. Mit KI-Methoden können beispielsweise Objekte aus den Rohdaten der Befliegung maschinell abgeleitet und klassifiziert werden.

Als zentraler Geodatenbroker des Bundes wird das BKG vorrangig der Bundesverwaltung neueste technische Möglichkeiten im Bereich des Geoinformationswesens erschließen und anbieten. Das Vorhaben soll darüber hinaus die Interoperabilität, den Austausch und die intensive Zusammenarbeit zwischen den Stellen des Bundes und deren Partnern auf Länder- und Kommunalebene fördern. Das BKG folgt mit diesem Vorhaben einer Initiative der Europäischen Kommission, die ihrerseits einen Digitalen Zwilling für die gesamte Erde entwickelt. .

Weitere Informationen:

• Digital Twins (eoPortal)
• Destination Earth (ESA)
• Journey to Destination Earth begins (ESA)
• Destination Earth (EU Commission)
• Auf dem Weg zu einem Digitalen Zwilling von Deutschland (BKG)
• Der Digitale Zwilling Deutschland (BKG)
• Digitale Zwillinge für Europa: Deutschland und Frankreich starten gemeinsame Initiative (BKG)