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Explainable machine learning in soil mapping. Peeking into the black box

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[Quelle: http://d-nb.info]

Während des Anthropozäns und insbesondere in den letzten Jahrzehnten hat sich die Umwelt der Erde stark verändert. Die planetarischen Grenzen stehen zunehmend unter Druck. Da der Boden als wichtiger Teil der Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe das Klima beeinflusst, ist er eine wichtige Ressource bei der Bewältigung dieser Umweltprobleme. Folglich spielt das Wissen über den Boden, Bodenprozesse und Bodenfunktionen eine wesentliche Rolle bei der Erforschung und Lösung dieser schwerwiegenden ökologischen und sozioökonomischen Herausforderungen. Die Kartierung und Modellierung des Bodens liefert räumliche Kenntnis über den Zustand des Bodens und seine Veränderungen im Laufe der Zeit. Dies ermöglicht es, Methoden der Bodenbewirtschaftung und Lösungsansätze für Umweltprobleme zu beurteilen und zu bewerten. Methoden des maschinellen Lernens haben sich für die räumliche Kartierung und Modellierung des Bodens als geeignet erwiesen. Oft handelt es sich dabei aber um Black Boxes und die Modellentscheidungen und -ergebnisse werden nicht erklärt. Allerdings würden erklärbare Bodenmodelle auf der Grundlage des maschinellen Lernens die Erkennung von Umweltveränderungen erleichtern, zur Entscheidungsfindung für den Umweltschutz beitragen und die Akzeptanz von Wissenschaft, Politik in Gesellschaft fördern. Daher sind die jüngsten Bemühungen im Bereich des maschinellen Lernens darauf ausgerichtet, den konventionellen Rahmen des maschinellen Lernens auf erklärbares maschinelles Lernen zu erweitern, um 1) Entscheidungen zu begründen, 2) die Modelle besser zu steuern und 3) zu verbessern und 4) neues Wissen zu generieren. Die Kernelemente für erklärbares maschinelles Lernen sind Transparenz, Interpretierbarkeit und Erklärbarkeit. Darüber hinaus sind domain knowledge und wissenschaftliche Konsistenz entscheidend. Bei der Bodenmodellierung spielten die Konzepte des erklärbaren maschinellen Lernens jedoch bisher eine geringe Rolle. Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen und zu beschreiben, wie Transparenz, Interpretierbarkeit und Erklärbarkeit im Rahmen der Bodenmodellierung erreicht werden können. Die Fallbeispiele zeigten, wie Konsistenz mit Modellvergleichen bewertet werden kann und domain knowledge in die Modelle einfließt. Ebenso zeigten die Studien, wie Transparenz mit reproduzierbarer Proben- und Variablenauswahl erreicht werden kann und wie die Interpretation der Modelle mit domain knowledge verknüpft werden kann, um die Modellergebnisse besser zu erklären und in Bezug zu bodenkundlichem Wissen zu setzen sind.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Daniel Lang
Durchlässigkeit von Böden
Diplom.de
Übliche Verfahren und deren Überprüfung im Labor
2008, 292 S., m. 60 Abb. 27 cm, Softcover
Diplomica

 

 

Das Ziel, welches die Arbeit verfolgt, liegt darin, alle in der Baupraxis üblichen und gängigen Methoden zur Ermittlung des Durchlässigkeitsbeiwerts aufzuführen und zu erläutern. Der Durchlässigkeitsbeiwert stellt in vielen Anwendungsgebieten des Baugewerbes eine wichtige und teils entscheidende Rolle dar. Deshalb ist eine zuverlässige und aussagekräftige Bestimmung vor den jeweiligen Baumaßnahmen unerlässlich. In verschiedenen Literaturquellen werden unterschiedliche Verfahren mit verschiedensten Lösungsansätzen vorgestellt. Die Arbeit soll nun all diese beschriebenen Verfahren aufzeigen, beschreiben und in einem Werk zusammenfassen. Die Laboruntersuchungen werden anhand verschiedener Bodenproben durchgeführt, die zum Teil ungestört aus Schürfen, jedoch auch gestört aus Bohrungen entnommen wurden. Neben den reinen Laborversuchen mit den verschiedensten Bodenarten wird anhand einer ausgebauten Brunnenbohrung der Durchlässigkeitsbeiwert über einen Pumpversuch bestimmt. Vorher wurden Proben des erschlossenen Grundwasserleiters im Labor untersucht und anhand der verschiedenen Möglichkeiten die Durchlässigkeit ermittelt. Die Ergebnisse werden ausführlich erläutert und miteinander verglichen.

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Michael Ulrich, Daniela Bechtloff
Ermittlung charakteristischer Bodenkenngrößen für gemischtkörnige und organische Böden als Grundlage für Bauvorschriften. Schlussbericht. Textband. Anlagenband
Bauforschung, Band T 2961
2001, 170 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war es, mittels statistischer Methoden aus einer vorliegenden Datensammlung Kriterien zu finden, die es gestatten, mit Hilfe der Ergebnisse einfach durchzuführender bodenmechanischer Versuche die charakteristischen Werte der Scherparameter von gemischtkörnigen und organischen Böden überschläglich zu ermitteln. Damit soll der Ermessensspielraum für die Festlegung der Bemessungswerte eingeengt und eine Grundlage für eine sichere und wirtschaftliche erdstatische Bemessung von Bauwerken geschaffen werden. Aus ca. 600 ungestörten Bodenproben von gemischtkörnigen Böden (Geschiebelehm und -mergel) sowie organischen Böden (Torf, Faulschlamm und Wiesenkalk) wurden Versuchsdaten zur Bestimmung folgender Größen in einer Datenbank zusammengefasst: Kornverteilung, Dichten, Wassergehalt, Porenzahl, Konsistenzgrenzen, Glühverlust, einaxiale Druckfestigkeit, undrainierte Kohäsion, Scherparameter. Das Ziel wurde nur zum Teil erreicht. Für die Scherparameter im konsolidierten Zustand und die einaxiale Druckfestigkeit war dies möglich, für undrainierte Kohäsion liegen dagegen nicht genügend Daten vor. Ebenso erwies sich die Anzahl der in Jahrzehnten in der Degebo gesammelten Daten von Proben aus organischen Böden für die statistische Untersuchung als nicht ausreichend. Die Untersuchung beschränkte sich auf Böden aus dem Berliner Raum, die jedoch für die gesamte norddeutsche Tiefebene charakteristisch sind.

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G. Kappei
Ermittlung bodenmechanischer Eigenschaften von Salzhaufwerken als moegliche Versatzmaterialien in einem untertaegigen Endlager
1987, 186 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die geotechnische Beurteilung von Schüttgütern für die Auswahl und Eignung als mögliche Versatzmaterialien in einem untertägigen Endlager kann mit Hilfe von bodenmechanischen Bewertungskriterien erfolgen. Im Rahmen des Forschungs- und entwicklungsvorhabens "Verfüllen und Verschließen von Bohrlöchern, Kammern und Strecken in einem Endlager" wurden am Institut für Tieflagerung aus der Palette in Frage kommender Versatzstoffe das Material "Salzhaufwerk" auf seine bodenmechanischen Eigenschaften hin näher untersucht. Neben der Durchführung bodenmechanischer Standarduntersuchungen (Bestimmung von Korngrößenverteilung, Schüttdichte, Grenzen der Lagerungsdichte, Proctordichte, Durchlässigkeit und Scherfestigkeit) an zwei ausgewählten Salzhaufwerken (Haldensalz- und Steinsalzhaufwerk), lag der Schwerpunkt der Arbeit in der Ermittlung des Kompressionsverhaltens von Salzhaufwerk. Um Aussagen über das Verdichtungsverhalten dieses Materials bei zunehmender Belastung zu erhalten, wurden an einer Reihe von Haufwerksproben, die sich vornehmlich in ihrer Korngrößenzusammensetzung voneinander unterscheiden, Kompressionsversuche mit verhinderter Seitendehnung durchgeführt. (-z-)

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U. Smoltczyk, H. Schad, P. Zoller
Sonderkonstruktionen der Boeschungssicherung
Bau- und Wohnforschung
1984, 88 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Moeglichst preisguenstige, mit einfachen Mitteln herzustellende, steile Boeschungssicherungen fuer Baugruben und fuer Bepflanzungen ohne Verwendung von Stuetzelementen sollten auf ihre Einsatzfaehigkeit ueberprueft werden. Es wurde eine 5 m tiefe Grube mit einer Neigung von 80 Grad fuer den Verbau in einem Loesslehm bzw. verwitterten Gipskeuper abschnittsweise ausgehoben und dem Aushub folgend von oben nach unten durch einen auf 1,5 bzw. 2 m lange Bodennaegel abgestuetzten Bohlenverbau gesichert. Die Tragfaehigkeit dieses Verbaus wurde durch das Aufbringen eines 1,5 m breiten Laststreifens - im Bereich der Bodennaegel, bzw. hinter den Bodennaegeln an der Gelaendeoberflaeche - geprueft. Die Bodennaegel sind in der Lage, ein ploetzlich Abbrechen oder Abrutschen der Boeschung zu verhindern. Die Form der freigelegten Gleitflaechen und die gemessenen Verschiebungen bestaetigen die kinematische Elementenmethode von Gussmann. In der Versuchsgrube wurde ein Teilbereich mit treppenartigen Elementen von oben nach unten verbaut und jede Elementlage fuer sich durch Bodennaegel gesichert. Damit wurde gezeigt, dass durch einen entsprechenden Arbeitsablauf und eine sinnvolle Elementform die Herstellung einer oekologisch nutzbaren Baukonstruktion mit wenig Aufwand moeglich ist. Ausserdem wurde an dem unter 60 Grad geboeschten Teil der Versuchsgrube die Wirkung der Erosion auf begruente Flaechen beobachtet. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Tafili, Merita; Knittel, Lukas; Gauger, Vera
Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Kompressionsverhalten von Sand-Schluff-Gemischen
Geotechnik, 2022

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Orth, Wolfgang
Die Bodenvereisung ist vor allem für komplizierte Baumaßnahmen ein zuverlässiger und flexibler Baubehelf. Die thermische und mechanische Bemessung des Eisbetons verlangt aber die Berücksichtigung spezieller Fachgebiete
Der Prüfingenieur, 2021

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Keil, Andreas; Haspel, Lorenz
Stadtbahnbrücke. Integrale Netzwerkbogenbrücke mit Hängern aus Carbon
Bautechnik, 2021

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Weyer, Thomas; Splietker, Jonas; Kötter, Theo; Stielike, Matthias
Bodenschutz im Netzausbau
Bodenschutz, 2021

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Obernosterer, Ingrid; Roglic, Tobias
Neophytenrückstände in Böden. Auswirkungen auf Verwertungsmaßnahmen
Bodenschutz, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022