Columbus Eye [Augmented Reality]

Das Lernportal „Columbus Eye“ wurde von der Arbeitsgruppe Geomatik der Ruhr-Universität Bochum entwickelt, um Live-Videos der ISS für den Schulunterricht aufzubereiten. Die dazugehörige App erweitert einige Unterrichtsressourcen um eine Augmented-Reality-Komponente.

Columbus Eye bietet ein Lernportal rundum Live-Videos von der ISS. Das Projekt „Columbus Eye – Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht“ wird von der Arbeitsgruppe Geomatik am Geographischen Institut der Ruhr Universität Bochum durchgeführt. Das Ziel des Projektes ist es, die Bilder und Videos des NASA-Experimentes „High Definition Earth Viewing“ zu empfangen, zu archivieren und für die Bedürfnisse des Schulunterrichtes aufzubereiten.

Seit dem 22. August 2019 besteht keine Kommunikationsverbindung mehr zu den vier HD-Kameras an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Damit endet das High Definition Earth Viewing Experiment der NASA sowie die langjährige Zusammenarbeit mit den amerikanischen Partnern. Obwohl diese Videoquelle nun keine weiteren Daten liefert, bleiben hunderte Highlight-Videos weiterhin im Archiv verfügbar. Zudem werden auch zukünftig innovative Unterrichtsmaterialien mit beeindruckenden Aufnahmen anderer Sensoren der ISS bereitgestellt.

Unterrichtsressourcen (Augmented Reality)

Im Zuge des Klimawandels werden Extremwetterereignisse und lokal konzentrierte Niederschläge, die zu Überschwemmungen führen, immer wahrscheinlicher. Im Flutjahr 2021 wurden 223 Überschwemmungen in der Emergency Event Database erfasst, damit 36% mehr als der Durchschnitt im Zeitraum 2001-2020. Im Juli 2021 führten Überschwemmungen in Mitteleuropa allein in Deutschland zu wirtschaftlichen Kosten von 40 Milliarden US-Dollar und waren die zweitteuerste Katastrophenart (CRED 2022).

“Wasser im Überfluss” stellt 4 verschiedene Fallstudien zu aktuellen Hochwasserereignissen in Europa gegenüber. Mit Satellitenbildern, Smartphone-Fotos und Drohnenaufnahmen können die verschiedenen Ereignisse verglichen und/oder einzelne herausgegriffen werden, während Vor- und Nachteile der verschiedenen Arten von Aufnahmen ersichtlich werden.

Im Arbeitsblatt und der begleitenden App können die verschiedenen Standorte in zwei verschiedenen Bandkombinationen betrachtet und miteinander verglichen werden. Zusätzlich zeigen Videos die Folgen der Überschwemmungen aus der Boden- und Drohnenperspektive für jeden Standort. Die Europäische Flussgebietskarte auf dem Arbeitsblatt dient als AR-Marker für die App.

Um lunare Themen in Verbindung mit Fernerkundung stärker im Schulunterricht zu verankern, sollen sich die Schüler*innen in dieser Unterrichtseinheit mit verschiedenen Theorien zur Entstehung des Erdmondes beschäftigen und dabei mit Hilfe der geologischen Zusammensetzung des Mondes und der Erde sowie weiteren Hintergrundinformationen  Rückschlüsse ziehen, welche Theorien wahrscheinlicher und unwahrscheinlicher sind. Diese Unterrichtseinheit ist eng verknüpft mit der Augmented Reality App „ColumbusEye“ und „Lunaserv“-Karteninhalten. In der App wird der Mond und das System Erde-Mond für die Schüler*innen interaktiv erfahrbar.

Diese Einheit ist Teil der Unterrichtsreihe zu LEIA. Das Material beinhaltet den Lehrer*innen- und Schüler*innenteil, die Einführung in die Fernerkundung, das QGIS Tutorial, die Karteninformationen und den Erde Marker für die Augmented Reality App.

In dieser Einheit beschäftigen sich die Schüler*innen mit den gegebenen Standortfaktoren auf dem Mond, vergleichen diese mit denen auf der Erde und ziehen daraus Rückschlüsse, ob und in welcher Art und Weise eine menschliche Besiedelung auf dem Mond möglich wäre und in welchen Regionen auf dem Mond dafür das höchste Potential besteht. Diese Unterrichtseinheit ist eng verknüpft mit der Augmented Reality App „ColumbusEye“ und „Lunaserv“-Karteninhalten. In der App wird der Mond und das System Erde-Mond für die Schüler*innen interaktiv erfahrbar.

Diese Einheit ist Teil der Unterrichtsreihe zu LEIA. Das Material beinhaltet den Lehrer*innen- und Schüler*innenteil, die Einführung in die Fernerkundung, das QGIS Tutorial, die Karteninformationen und den Erde Marker für die Augmented Reality App.

In dieser Einheit beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit der Gravitation und den Gezeiten im Erde-Mond-System. Sie sollen dabei analysieren, wie sich die Gravitations- und Gezeitenkräfte zwischen den Himmelskörpern über die letzten 4,5 Milliarden Jahre verändert haben, wie sie sich aktuell auswirken und wie sie sich auch in Zukunft verändern werden. Diese Unterrichtseinheit ist eng verknüpft mit der Augmented Reality App „ColumbusEye“ und „Lunaserv“-Karteninhalten. In der App wird der Mond und das System Erde-Mond für die Schülerinnen und Schüler interaktiv erfahrbar.

Diese Einheit ist Teil der Unterrichtsreihe zu LEIA. Das Material beinhaltet den Lehrer*innen- und Schüler*innenteil, die Einführung in die Fernerkundung, das QGIS Tutorial, die Karteninformationen und den Erde Marker für die Augmented Reality App.

Auf zum Mond!

Flieg zum Mond und erkunde unseren Nachbarn aus der Sicht verschiedener Satelliten! 3D-Karten mit Erklärungen und wichtigen Orten auf dem Mond geben einen kleinen Einstieg zu dem, was wir über den Mond schon wissen – und, wo wir bald weiterforschen!

Erde-Mond-System

Bist du sicher, dass du weisst, wo der Mond ist? Er ist weiter weg, als du denkst! Probiere es selbst aus, indem du den Mond an deinem Handy anbringst und schaust, was passiert und wo du eigentlich stehen müsstest. (Tipp: Der Mond ist 360.000-400.000 km von der Erde enfernt)

Satellitensysteme

Europa allein hat mehr Erdbeobachtungssatelliten, als wir in diese App quetschen konnten. Darum sind hier nur die wichtigsten enthalten, zum Beispiel die Copernicus Sentinels und die Internationale Raumstation ISS – der größte Erdbeobachtungssatellit der Erde! Hier kannst du auch lernen, wieso Satellitenorbits auf Karten wie Wellenlinigen aussehen, indem du sie mit ihrem 3D-Orbits vergleichst.

Der Braunkohletagebau Hambach ist sogar aus dem All gut erkennbar und fast allen durch die Debatten zum Klimawandel und den Protesten im Hambacher Forst bekannt. Mit GEDI, einem LIDAR-Sensor an der ISS, wurden der Tagebau und angrenzende Gebiete vermessen. Dadurch stehen auch Informationen zur Biomasse, also der Vegetationsmenge, zur Verfügung.

Durch die Verknüpfung mit der Mathematik können die Dimensionen des Tagebaus veranschaulicht werden. Die durch Braunkohleverstromung freigesetzte und durch Renaturierungsmaßnahmen gebundene CO2-Menge können gegenübergestellt werden. Hierfür sollen die SuS Flächen zerlegen und mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen und geometrischen Sätzen berechnen, freigesetzte CO2-Mengen anhand des Tagebauvolumens berechnen, sowie ermittelte Maßangaben und ihre Vorgehensweise im Sachzusammenhang diskutieren und bewerten.

In der App werden Informationen zur Funktionsweise des LIDAR-Sensors GEDI, geometrische Angaben zu den zu berechnenden Flächen, sowie ein aus GEDI-Daten abgeleitetes und mit einem aktuellen Sentinel-2- Echtfarbenbild veranschaulichtes 3D-Modell zur Verfügung gestellt.

Auf der ISS befinden sich zahlreiche Bildsensoren, also Kameras, die die Erde auf verschiedene Arten aufnehmen. Diese Bilddaten müssen aber auch zur Erde gesendet, dort empfangen und gespeichert werden. Um Speicherplatz zu sparen, können die Bilddaten auf verschiedene Weisen komprimiert werden.

In diesem Arbeitsblatt, App und Programmieraufgabe geht es beispielhaft um die Kompressionsverfahren Farbreduktion, Redundanz-/Ähnlichkeitssuche, und Farbunterabtastung, die auf DESIS-Hyperspektralbilder angewendet werden. Somit werden verlustfreie und verlustbehaftete Bildkompression diskutiert und verglichen. Ein Beispiel wird als rekursiver Algorithmus in einer Python-Programmieraufgabe implementiert und mit seiner iterativen Alternative verglichen.

Bilder lassen sich im RGB-Farbraum leicht manipulieren, in dem Helligkeit, Sättigung und Kontrast geändert werden. Bei Satellitenbildern geht dies sogar über RGB hinaus. In der App lässt sich ein Bild des Ätna, geschossen vom ISS-gebundenen DESIS-Sensor, nicht nur in seinem Aussehen verändern, sondern auch in seiner Kanalkombination – denn Satelliten sehen mehr!

Im Arbeitsblatt wird u.a. mit Pseudocode und Programmierung in Java die funktionale und objektorientierte Programmierung geübt, die Manipulation eines RGB-Bildes implementiert und im Kontext der Data Literary analysiert.

Diese App ist eine interaktive Einführung in die spannende Welt der Satelliten: Mikrowellen im Weltraum? Ein Tandem umkreist die Erde? Pflanzen werden hyperspektral beobachtet? Die Internationale Raumstation ISS ist auch noch der größte Erdbeobachtungssatellit im Weltraum?
Die App behandelt eine ganze Reihe sehr unterschiedlicher Satelliten und ihre Einsatzmöglichkeiten. Sie reichen von der Wetterbeobachtung bis hin zum Katastrophenschutz. Jeder hat hier die Möglichkeit, selbst die Erde zu umkreisen und auf seinem Flug die Satelliten zu beobachten, die die Erde ins Visier nehmen. Während sich unter Namen Terra-SAR-X, RapidEye oder den Sentinels nicht jeder sofort etwas vorstellen kann, wird einem anhand von Hurrikanen und Ölteppichen schnell klar, wozu Satellitenaugen gut sein können!
In der App umkreisen die Satelliten die Erde in 3D, aber ihre Bahnen lassen sich auch auf der Weltkarte verfolgen. Beim Antippen der Satelliten oder der Untersuchungsgebiete werden zusätzliche Informationen gezeigt.
Die App ist nicht in ein Arbeitsblatt integriert und benötigt lediglich einen Ausdruck des Markers im Download. Sie kann als Ergänzung zu den anderen Arbeitsblättern verwendet werden, um sich näher über die Satelliten zu informieren, als Einstieg in die Erdbeobachtung im Allgemeinen, oder auch als 3D-/2D-Visualisierung von Orbitalmechaniken von Satelliten.

Mit dem Radar-Satelliten Sentinel-1 werden aktive Vulkane beobachtet.

Rund um den Erdball gibt es zahlreiche aktive Vulkane, an deren Hängen – oder sogar in deren Kratern – Menschen siedeln. Um Frühwarnprogramme zu verbessern, müssen diese Vulkane ständig beobachtet werden. Neben verschiedensten
Bodenmessungen kommen dabei auch Satelliten zum Einsatz, zum Beispiel Sentinel-1.
Mit seinem Radar-Sensor kann Sentinel-1 nicht nur durch die Wolken blicken, sondern auch kleinste Veränderungen des Bodens aufspüren. So können Bewegungen der aktiven Vulkane, die auf baldige Ausbrüche hindeuten, beobachtet werden. Die Campi Flegrei, oder Phlegräischen Felder, bei Neapel sind noch immer aktiv. Neueste Forschung zeigt, dass sie sich eine Magmakammer mit dem Vesuv teilen – und, dass sich in ihrer Mitte der Boden hebt. Das Arbeitsblatt vermittelt mit der anschaulichen Augmented-Reality-App, wie Sentinel-1-Radar-Daten benutzt werden, um diese Hebung zu verfolgen, und diskutieren die Abwägungen der Bewohner dieser möglicherweise hochexplosiven Region am Beispiel der Geothermie.

Algenblüten sind eine Bedrohung für die Gesundheit aller, die sich im betroffenen Gebiet aufhalten. In Süßwasserreservoirs gefährden Sie die Trinkwasserversorgung, aber auch den Tourismus und die Fischerei. Ausgelöst werden sie zum einen von landwirtschaftlichen Praktiken, andererseits werden sie von den Folgen des Klimawandels noch verstärkt.

Spezielle Satellitenbilder, sogenannte Hyperspektraldaten, können dabei helfen, verschiedene Algenarten zu identifizieren und zu quantifizieren. In diesem Lernmaterial wird am Beispiel der Rekord-Algenblüte im Eriesee in 2011 dargestellt, wie Algenblüten mit den Hyperspektraldaten des ISS-Sensors HICO untersucht werden. Die Schüler*innen lernen sowohl, die Hyperspektraldaten zu interpretieren, als auch auf deren Basis Maßnahmen für den kurz- und den längerfristigen Schutz der Bevölkerung und Umwelt zu ermitteln.

Die Übungen “Berge auf Mond und Erde” wurden im Rahmen der Projekte ESERO Germany und “Columbus Eye – Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht” an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Sie sind optimal an die deutschen Mathematik-Lehrpläne angepasst und können sowohl im Unterricht als auch als Hausaufgaben eingesetzt werden. Die Schüler*innen üben die für eine Aufgabenstellung wichtigen Informationen aus einem Text zu gewinnen und berechnen dann wie groß der Mount Everest und der Mons Huygens sind, bevor sie die beiden Berge miteinander vergleichen und in ein Verhältnis zueinander setzen.

In der ColumbusEye-App können die Berge des Arbeitsblattes jetzt in 3D betrachtet werden. Als AR-Marker dient die Aufgabenseite des Arbeitsblattes.

In der App im Kapitel: „Berge im Sonnensystem“

In dieser Übungsreihe lernen die Schüler*innen in Einzel- und in Gruppenarbeit Parallelen und Unterschiede zwischen Vulkanen auf der Erde und dem Mars zu erkennen und zu berechnen. Sie vertiefen dabei ihr Gefühl für Maßstäbe und Maßeinheiten. Sie lernen außerdem, wie sie unterschiedliche Objekte maßstabsgetreu und in korrektem Größenverhältnis zueinander zeichnen können.

In der ColumbusEye-App können die Berge des Arbeitsblattes jetzt in 3D betrachtet werden. Als AR-Marker dient die Aufgabenseite des Arbeitsblattes.

In der App im Kapitel: „Berge im Sonnensystem“

In dieser Einheit befassen sich die Schüler*innen mit der Energiegewinnung und -verbrauch in den benachbarten Regionen Belgien und Nordrhein-Westfalen. Dabei werden tatsächliche Auswirkungen des in NRW intensiven Braunkohletagebaus und potentielle Auswirkungen des in Belgien bevorzugten Atomstroms anhand von animiertem Kartenmaterial verglichen. Ein Video der Region bei Nacht, aufgenommen von der ISS, verdeutlicht den Energieverbrauch ebenso wie die unterschiedlich entwickelte Siedlungsstruktur.

Der Rückgang des Aralsees und die Entstehung der Wüste Aralkum ist eines eindrücklichsten Beispiele für Desertifizierungsprozesse unserer Zeit. Das Arbeitsblatt “Aralkum – Vom See zur Wüste” ermöglicht es, die Entwicklung der Region der letzten 10 Jahre anschaulich anhand von ISS-Videos, Satellitendaten sowie Hintergrundinformationen zu den gesellschaftlichen und ökonomischen Prozessen nachzuvollziehen. Mit Hilfe der App “Aralkum” können die Schüler*innen eigenständig in die Rolle der Forscher*innen schlüpfen und selbstständig Prognosen erstellen.

Während Luftverschmutzung in Mitteleuropa gut dokumentiert ist und viele Gegenmaßnahmen eingeführt wurden, wird die Lichtverschmutzung nur von wenigen beachtet und immer
stärker. Dieses Lernmaterial bringt den Schüler*innen das Thema anhand eines Videos von der ISS und Satellitenbilddaten näher, die zwei Nachbarregionen mit sehr unterschiedlichen Beleuchtungsansätzen und den Gründen hierfür vergleichen. Dabei werden auch die naturräumlichen Gegebenheiten und die Siedlungsstrukturen beleuchtet.

Die Arbeitsblätter thematisieren die Entstehung von tropischen Zyklonen am Beispiel des Taifun Maysak, der die Philippinen am 5.4.2015 heimgesucht hat. Anhand von schematischen Darstellungen, ISS-Videos und Wetterkarten wird die Entstehung und der Aufbau eines tropischen Zyklons erläutert. Das Arbeitsblatt bedient sich dazu der sogenannten erweiterten Realität, Augmented Reality. In Kombination mit dem Arbeitsblatt ermöglicht es die dafür entwickelte App „Im Auge des Sturms“ den Zyklon live auf dem Smartphone der Schüler*innen darzustellen.

Wie beeinflusst der Mond die Erde – und wie die Erde den Mond?
Was wäre, wenn sich der Mond viel näher um die Erde drehen würde – oder viel weiter weg?
Und wieso trifft der Mondschatten die Erde so selten?

Im neuen Arbeitsblatt “Von der Erde zum Mond und zurück – Gravitation im Erde-Mond-System” mit dazugehöriger App beschäftigen sich Schüler*innen experimentell mit der Veränderung des Erde-Mond-Abstandes. Mit dem Smartphone nehmen die Schüler*innen die Position des Mondes ein und können aus dem Weltraum heraus experimentieren. So finden sie heraus, was passiert, wenn sie der Erde immer näher kommen – sowohl auf der Erde, als auch auf dem Mond. Mit der Mondschatten-Simulation und dem Video einer Mondfinsternis aus dem All ermitteln sie nicht nur, warum Mond- und Sonnenfinsternisse so selten sind, sondern erhalten auch ein Verständnis für die Größenverhältnisse im Weltraum.