UrbanAirLab Messnetz
Über 15 Sensorsysteme, verteilt über das Stadtgebiet Heilbronn, werden als engmaschiges Messnetz zur Überwachung der Luftqualität aufgebaut. Die Standorte sind bewusst so gewählt, dass sie ganz unterschiedliche Situationen abbilden – von verkehrsnahen Bereichen bis zu ruhigen Grünflächen. So wächst eine belastbare Datengrundlage, die Forschung und Lehre im Rahmen des UrbanAirLab-Projekts gleichermaßen nützt.
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HHN Inside: UrbanAirLab
Motivation und Ziele des UrbanAirLab Forschungsprojektes
Die folgenden Abschnitte erläutern die wissenschaftlichen, technischen und didaktischen Grundlagen des UrbanAirLab‑Forschungsprojekts am TechCampus der Hochschule Heilbronn. Sie zeigen, warum das Campusmessnetz in dieser Form entwickelt wurde, wie Daten erhoben und verarbeitet werden und welche Rolle offene Technologien dabei spielen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Datenqualität und der gezielten Einbindung des Projekts in die Hochschullehre.
- Motivation und Ziele
- Messnetz für alle
- Datenqualität
- Datenkalibrierung
Motivation und Ziele des UrbanAirLab-Messnetzes
Die Lebensqualität in Städten hängt maßgeblich von der Qualität der Umgebungsluft ab. Eine kontinuierliche Überwachung ist daher entscheidend für Gesundheits- und Umweltschutz. Allerdings reichen die wenigen amtlichen Messstellen – in Heilbronn betreibt die Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) nur zwei Stationen – nicht aus, um die räumlich stark variierende Belastung abzubilden.
Das UrbanAirLab‑Campusmessnetz schließt diese Lücke durch ein engmaschiges Netz kostengünstiger Sensorsysteme. Die zentralen Ziele sind:
- Messung & Datenerhebung
- Erfassung qualitätsgesicherter Daten zu Schadstoffen (CO, NO, NO₂, O₃, PM2.5, PM10) und meteorologischen Parametern
- Speicherung, Prüfung, Filterung und statistische Auswertung der Daten
- Kalibration & Methodenentwicklung
- Entwicklung und Vergleich von Verfahren zur Kalibrierung und Qualitätssicherung
- Ableitung robuster Korrekturmodelle
- Langzeitbeobachtung der Luftqualität
- Dokumentation tages-, wochen- und jahreszeitlicher Trends
- Untersuchung von Abhängigkeiten (z. B. Verkehrsaufkommen, Wetterlagen)
- Vergleich mit amtlichen Messstellen
- Bewertung der Luftqualität
- Identifikation räumlicher Belastungsunterschiede
- Analyse relevanter Einflussfaktoren
Cloudbasiertes OpenSource-System mit Low-Cost Sensoren
Sensorsystem zur Messung von CO, NO, NO₂, O3, PM2.5, PM10, rel. Feuchte und Temperatur
Im UrbanAirLab kommen elektrochemische Low‑Cost‑Sensoren zum Einsatz. Professionelle Referenzgeräte der Behörden kosten mehrere Zehntausend Euro und sind für ein fein aufgelöstes Netz nicht finanzierbar. Zwar existieren bereits kommerzielle Low‑Cost‑Systeme, jedoch sind deren Hardware, Software und Algorithmen proprietär – ein Problem für Forschung, Behörden und Bürgerwissenschaften, denn:
Vertrauen entsteht durch Transparenz.
Das UrbanAirLab setzt daher konsequent auf ein vollständig offenes System:
- offene Hardware
- Open‑Source‑Software
- nachvollziehbare Algorithmen
- Möglichkeit zur Beteiligung durch Dritte
- flexible Erweiterbarkeit und
- Kombination mit weiteren Datenquellen
Maßnahmen zur Qualitätssicherung
Low‑Cost‑Sensoren sind kostengünstig, aber technisch herausfordernd. Typische Nachteile:
- Querempfindlichkeiten und geringe Selektivität
- zeitliche Drift
- regelmäßiger Kalibrationsbedarf
- geringere Genauigkeit als Referenzgeräte
Die Sicherung der Datenqualität ist daher ein zentraler Forschungsschwerpunkt im UrbanAirLab. Verbesserungen werden erreicht durch:
- Hardware‑ und Messstrategien
- regelmäßige Kollokationsmessungen mit einem Referenzgerät (z. B. LUBW‑Station)
- Datenverarbeitung & Algorithmen
- Nachbearbeitung der Messwerte, Ausreißererkennung
- statistische Verfahren
- Regressionsmodelle für lineare und nichtlineare Zusammenhänge
- moderne Ansätze wie maschinelles Lernen (ML) zur Kalibrierung und Stabilisierung der Sensordaten
Kalibrierung der Sensorsysteme an der LUBW-Referenzstation
Für die Verbesserung der Datenqualität werden die Sensorsysteme aus dem UrbanAirLab‑Campusmessnetz an der Referenzstation der Landesanstalt für Umwelt Baden‑Württemberg (LUBW) betrieben. Die dort parallel erfassten Messdaten dienen als Grundlage für das Training von Modellen mittels Methoden des maschinellen Lernens. Ziel ist es, Abweichungen zwischen kostengünstigen Sensorsystemen und hochwertigen Referenzmessgeräten zu erkennen und durch intelligente Korrekturverfahren deutlich zu reduzieren.
Darstellung des zeitlichen Verlaufs der NO2- Konzentrationen eines Sensors mit Herstellerkalibration im Vergleich zum Referenzmessgerät. Die sichtbaren Abweichungen beider Messreihen zeigen klar den Bedarf an verbesserten Korrekturmethoden.
Darstellung der NO₂‑Konzentrationen eines Sensors nach maschineller Lern‑Korrektur im Vergleich zur Referenzstation. Die nahezu deckungsgleichen Kurven verdeutlichen den deutlichen Qualitätsgewinn durch Machine‑Learning‑basierte Datenkorrektur.
Messnetz am TechCampus
Das Messnetz für Luft- und Aufenthaltsqualität macht Umwelt- und Klimadaten auf dem TechCampus sichtbar. Erfahren Sie mehr über die Standorte der Messpunkte im Lageplan und über das Reallabor der Fakultät als zentrale Plattform für Forschung, Entwicklung und Lehre.
- Lageplan des Campus-Messnetzes
- Reallabor der Fakultät Technik
Messpunkte am TechCampus
Wo genau wird gemessen – und in welchem Umfeld? Lageplan und Foto machen es anschaulich: Sie zeigen, wie die Messpunkte über den TechCampus verteilt sind und wie ein Sensorsystem konkret in seine Umgebung eingebettet ist. Von belebten Zonen bis zu grünen Rückzugsorten wird so sichtbar, wie vielfältig die erfassten Bereiche wirklich sind.
Geplante Messpunkte am TechCampus
Messpunkt im Klimawald am TechCampus
UrbanAirLab als Reallabor des Studiengangs Umwelt- und Prozessingenieurwesen
Das UrbanAirLab dient als lebendiges Reallabor am TechCampus der Hochschule Heilbronn und ist eng in die Lehre des Studiengangs Umwelt- und Prozessingenieurwesen eingebunden.
Vom ersten Semester bis zur Bachelorarbeit begegnen Studierende den Methoden, Technologien und Fragestellungen des Projekts z. B. in:
- Umweltprozesse,
- Umwelt- und Prozessanalytik,
- Instrumentelle Analytik,
- Mess- und Regelungstechnik,
- Digitalisierungslabor,
- Künstliche Intelligenz,
- Informatik und Statistik oder
- Projektwoche Nachhaltigkeit.
So erleben Studierende den gesamten Weg von der Sensorik über die Datenverarbeitung bis zum KI‑basierten Luftqualitätsmodell – praxisnah, aktuell und forschungsbasiert.
Messnetz der Stadt Heilbronn
Das Messnetz für Luft- und Aufenthaltsqualität macht Umwelt- und Klimadaten im gesamten Stadtgebiet sichtbar.
Standortbestimmung & Umsetzung
- Installation von 10 Messstandorten im Stadtgebiet zur Hotspot-Identifikation statt pauschaler Maßnahmen
- Fachliche Begleitung durch die Stadt und Bereitstellung der Infrastruktur
Nutzen & Smart City
- Proaktive Einhaltung der strengen EU-Luftqualitätsrichtlinie ab 2030
- Integration der Messdaten in das Green-City-Dashboard
- Transparenz der Umwelt- und Klimadaten
- Bürgerbeteiligung
Kooperationen im Rahmen des UrbanAirLab Forschungsprojektes
Die folgenden Kooperationen verdeutlichen, wie das UrbanAirLab-Campusmessnetz in Forschung, Bildung und regionale Partnerschaften eingebunden ist. Jede Zusammenarbeit verfolgt einen eigenen Schwerpunkt. Gemeinsam tragen sie dazu bei, urbane Luftqualität praxisnah zu erforschen und sichtbar zu machen.
- Dieter Schwarz Stiftung
- DLR Stuttgart
- Landesanstalt für Umwelt
- Schulpartnerschaft
Dieter Schwarz Stiftung als Projektträger des UrbanAirLab Forschungsprojektes
Projektträger
Finanzierung des 2-jährigen Forschungsprojekts „UrbanAirLab“ an der Hochschule Heilbronn.
Ziel
Aufbau einer skalierbaren Open-Source-Plattform für Umweltdaten als Beitrag zur Bewerbung als European Green Capital
Budget
ca. 270.000 €
Kooperation mit dem Deutschen Luft und Raumfahrtzentrum Stuttgart
- Wissenschaftliche Zusammenarbeit im Bereich Atmosphärenprozesse und Sensortechnik
- Bereitstellung von Messstationen und technischer Unterstützung bei Installation und Wartung
- Zugang zu Datenanalyse-, Visualisierungstools und Cloud-Infrastruktur
- Forschung: Gemeinsame Weiterentwicklung von ML-Modellen zur Sensorkalibrierung und gemeinsame Fachpublikationen
Universität Stuttgart und DLR Stuttgart
Im Rahmen eines Masterprojekts an der Universität Stuttgart und in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart werden Messdaten aus dem UrbanAirLab‑Campusmessnetz genutzt, um die inneren Abläufe eines neuronalen Netzes nachvollziehbar zu machen. Ziel ist es, die Funktionsweise dieser „Black Box“ transparent darzustellen und Methoden der erklärbaren KI (Explainable AI) praktisch anzuwenden.
Nutzung der LUBW-Referenzstationen
Die amtlichen Stationen der Landesanstalt für Umwelt Baden‑Württemberg (LUBW) in Heilbronn (Hans-Rießer-Straße und Weinsberger Straße) werden als Co-Location-Referenzpunkte genutzt.
- Kalibration & Validierung: Bereitstellung amtlicher Messdaten als Basis für die KI-gestützte Sensorkalibrierung und Driftkorrektur.
- Qualitätsprüfung: Überprüfung der korrigierten Sensordaten anhand der regulatorischen EU-Qualitätsziele (z. B. Unsicherheiten, RMSE)
Kooperation mit Justinus-Kerner Gymnasium
Im kommenden Frühjahr wird ein weiteres Sensorsystem aus dem UrbanAirLab‑Campusmessnetz am gegenüberliegenden Justinus‑Kerner‑Gymnasium installiert. Durch die direkte räumliche Nähe zum TechCampus der Hochschule Heilbronn entsteht eine enge Verbindung zwischen Hochschule und Schule.
Auch die Schüler*innen profitieren von der Zusammenarbeit: Themen wie Sensorik, Digitalisierung, Luftqualität und Umweltmessungen sind Teil der Lehrpläne der Klassen 8 bis 12. Gemeinsam mit dem Schulleiter des Justinus‑Kerner‑Gymnasiums, Bernhard Ehlert, wurden daher bereits der Standort der Messbox auf dem Schulgelände sowie eine kontinuierliche und praxisnahe Kooperation abgestimmt.
