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14. Systemwissenschaftliches Kolloquium

Wintersemester 2007/08

Mittwochs 16 Uhr c.t. - 18 Uhr s.t., Barbarastr. 12, Raum 66/101

Terminübersicht

01.11.2007
Dr. Marc Strickert, Leibniz-Institut, Gatersleben
Was tun mit hochdimensionalen biomedizinischen Daten?

08.11.2007
Prof. Dipl.-Ing. Gerhard Weil, Fachhochschule Osnabrück
Beispiele neuer Verfahren in der Wasseraufbereitung.

15.11.2007
Prof. Dr. Helge Bormann, Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg
Abschätzung der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt von Einzugsgebieten mithilfe von Multi-Modell-Ensembles.

22.11.2007
Dr. Katrin Kayser, Universität Hannover
Einsatz einer Bodenfilteranlage zur Behandlung der mit Enteisungsmitteln belasteten Oberflächenabflüsse am Flughafen Hannover-Langenhagen - Konzeption und erste Betriebserfahrungen.

29.11.2007
Dr. Martin Jenssen, Waldkunde-Institut Eberswalde
Biologische Vielfalt, Stabilität und Naturnähe - falsche Paradigmen und neue Konzepte.

06.12.2007
Prof. Dr. Roland Czada, Universität Osnabrück
Das politische System als Beteiligungs- und Problemlösungszusammenhang.

13.12.2007
Dr. Bertram Ostendorf, Universität Adelaide, Australien
Management von regionalen Umweltproblemen mit geographischen Informationssystemen? Beispiele aus Südaustralien.

17.01.2008
Dipl.-Ing. Burkhard Golla, Biologische Bundesanstalt, Kleinmachnow
Vorgehensweise für eine probabilistische georeferenzierte Analyse der Exposition von PSM.

24.01.2008
Prof. Dr. Andrea Lenschow, Universität Osnabrück
Lernen in Netzwerken - kritische Bemerkungen.

31.01.2008
Prof. Dr. Michael Hauhs, Universität Bayreuth
Komplex oder Interaktiv? Verschiedene Rollen von Computermodellen in den Umweltwissenschaften.

Kurzfassungen der Vorträge

01.11.2007
Dr. Marc Strickert, Leibniz-Institut, Gatersleben

Was tun mit hochdimensionalen biomedizinischen Daten?

 Dank moderner Hochdurchsatzmessgeräte können heute im Labor komplexe Untersuchungen zu biomedizinischen Fragestellungen effizient durchgeführt werden. Insbesondere die Auswertung von Genexpressionsdaten, Chromatogrammen und Massenspektren ist bei der Charakterisierung von organischem Material und für die Beschreibung metabolischer Prozesse in der Forschung von hohem Interesse. Die Aufgabe der Bioinformatik besteht in der Bereitstellung von Werkzeugen, mit denen diese Messdaten verlässlich analysiert werden können. Eine besondere Herausforderung dabei ist der Umgang mit einem Zuviel an experimentspezifischen Informationen bei einem Zuwenig an verfügbaren, oft technisch aufwändigen, Messexperimenten. Die hohe Anzahl von einzeln zu charakterisierenden Datenattributen, beispielsweise gewebespezifische Geneexpressionen, steht also einer geringen Anzahl von - in diesem Falle mittels DNA-Arrays gewonnenen - Replikaten gegenüber. Diesem im Bereich des maschinellen Lernens als Fluch der Dimensionalität ('curse of dimensionality') bekannten Problem der schwachen statischen Basis wird in aktuellen Arbeiten durch abbildungstreue Datenmodelle mit einer geringen Zahl von Freiheitsgraden begegnet. Selbstorganisierende neuronale Netze mit klaren mathematischen Zielfunktion und variablen Datenmetriken werden zu diesem Zwecke stochastisch optimiert. Im Vortrag werden die Ansätze kurz skizziert und wichtige Ergebnisse vorgestellt. Direkter Nutzen ergibt sich, ganz allgemein, für die Charakterisierung von Datenattributen, für Gruppierung (Clustering) und für die Visualisierung hochdimensionaler Daten.

08.11.2007
Prof. Dipl.-Ing. Gerhard Weil, Fachhochschule Osnabrück

Beispiele neuer Verfahren in der Wasseraufbereitung.

15.11.2007
Prof. Dr. Helge Bormann, Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg

Abschätzung der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt von Einzugsgebieten mithilfe von Multi-Modell-Ensembles.

 Modell-Ensembles werden seit einiger Zeit vor allem in der Meteorologie als Instrument zur Verbesserung der Vorhersage-Qualität verwendet. Die meisten Studien haben gezeigt, dass Ensemble-Vorhersagen eine bessere Qualität als die Vorhersagen einzelner Modelle haben. In der Hydrologie ist diese Technik aufgrund des hohen Aufwands bisher erst selten angewendet worden, die Erkenntnisse der Meteorologen wurden aber bestätigt. Bei der Arbeit mit Modell-Ensembles werden durch den Einsatz verschiedener Modelle (oder Parametersätze) die Unsicherheiten in den Simulationsergebnissen reduziert. Ursache dafür ist unter anderem, dass sich im Falle von Multi-Modell-Ensembles die von unterschiedlichen Modellstrukturen verursachten Unsicherheiten im Ensemble ausgleichen. Im Vortrag werden Ergebnisse aus der LUCHEM-Initiative vorgestellt und diskutiert. Im Rahmen von LUCHEM (Assessing the effect of land use change on hydrology by ensemble modelling) wurden zehn verschiedene Einzugsgebietsmodelle auf einen Datensatz des Dill-Einzugsgebietes angewendet, kalibriert, validiert und für Szenarioanalysen eingesetzt. Neben dem Vergleich der Modelle hinsichtlich der Güte der Simulationsergebnisse und der Sensitivität bzgl. Landnutzungsänderungen wurde das Potential von Multi-Modell-Ensembles analysiert. Unter anderem zeigte sich, dass die Simulationsergebnisse einfacher Multi-Modell-Ensembles vor allem in der Validierung bessere waren als alle Einzelmodelle, und dass die meisten Modelle ähnliche Reaktionen hinsichtlich Landnutzungsänderungen aufwiesen.

22.11.2007
Dr. Katrin Kayser, Universität Hannover

Einsatz einer Bodenfilteranlage zur Behandlung der mit Enteisungsmitteln belasteten Oberflächenabflüsse am Flughafen Hannover-Langenhagen - Konzeption und erste Betriebserfahrungen.

 Bewachsene Bodenfilter zur Abwasserreinigung sind mittlerweile fester Bestandteil dezentraler Konzepte speziell in ländlichen Bereichen. In der Vergangenheit oftmals als einfache Behelfslösung angesehen, erfüllen diese robusten Verfahren für die Reinigung häuslicher Abwässer in Deutschland seit einigen Jahren den Stand der Technik. Die guten Reinigungsergebnisse dieser Anlagen bezüglich der organischen Verunreinigungen sowie die hohe Betriebsstabilität auch bei stark schwankendem Abwasseranfall waren der Anlass am Flughafen Hannover-Langenhagen eine Bodenfilteranlage für die Behandlung der durch Enteisungsmittel belasteten Oberflächenabflüsse zu realisieren. Als gefrierpunktsenkende Substanz wird für die Oberflächenenteisung Kalium-Formiat eingesetzt. Die kombinierte Bodenfilteranlage besteht aus Absetz- und Speicherbecken zur Vorreinigung und Wassermengenbewirtschaftung sowie 4 vertikal durchströmten Filterbeeten. Da eine solche Anlage für diesen speziellen Verwendungszeck in der Praxis noch nicht erprobt ist, erfolgte seit 2003 eine wissenschaftliche Begleitung sowohl der gesamten Anlagenkonzeption als auch des ersten Betriebsjahres. Im Vortrag werden die Konzeption der Anlage sowie die Vorgaben für die Bemessung vorgestellt. Aus der Erfahrungen und Ergebnissen des ersten Betriebjahres (Versuchsphase im Sommer 2006 und erster Winterbetrieb) werden Aussagen über Belastbarkeit und Belastungsgrenzen der Filterbeete abgeleitet und eine Betriebs- und Überwachungsstrategie erarbeitet.

29.11.2007
Dr. Martin Jenssen, Waldkunde-Institut Eberswalde

Biologische Vielfalt, Stabilität und Naturnähe - falsche Paradigmen und neue Konzepte.

Eine wachsende Anzahl empirischer Untersuchungen widerspricht verbreiteten Denkmustern zum Zusammenhang von Biodiversität, Naturnähe, Stabilität und Produktivität. Widersprüchliche Ergebnisse sind häufig durch willkürliche Verwendung von Diversitätsmaßen, den Bezug auf die Diversität verschiedener Taxa oder Organisationsebenen und vor allem durch die Betrachtung unterschiedlicher räumlicher Skalen bedingt. Biodiversität wird hier als strukturelle Information über unterscheidbare biologische Zustände eines Ökosystems definiert. Der axiomatische Zugang zum Informationsbegriff führt auf eine 1-parametrige Familie generalisierter Informationsentropien (Rényi-Entropien), die übliche Diversitätsmaße wie den Shannon-Index, den Simpson-Index oder die Artenzahl als Spezialfälle enthält und als Diversitätsprofil dargestellt werden kann. Arten sind unterscheidbare biologische Zustände auf einer aggregierten Ebene biologischer Organisation. Beispielhaft werden Profile der Pflanzenartendiversität auf der Grundlage einer der umfassendsten Datenbanken der nordmitteleuropäischen Waldvegetation berechnet. Die Artendiversität steigt mit zunehmender Stichprobengröße nach einem hyperbolischen Sättigungsgesetz an. Die Sättigungsdiversitäten definieren skaleninvariante Potentiale der Artenvielfalt für unterschiedliche Ökosystemtypen, die im Hinblick auf Umweltbedingungen, Standortsfaktoren, Vegetationsstrukturen und Ökosystemprozesse in sich homogen und von anderen Ökosystemtypen unterschieden sind. Es wird postuliert, dass auch die Diversität von Genen, Allelen oder Proteinen einem hyperbolischen Sättigungsgesetz genügt. Abschließend werden aus den Ergebnissen am Beispiel der Waldökosysteme neue Thesen abgeleitet zur Frage: wie viel Naturnähe und welche Biodiversität brauchen die Ökosysteme unserer Kulturlandschaft unter den Bedingungen sich verändernder Umweltbedingungen?

06.12.2007
Prof. Dr. Roland Czada, Universität Osnabrück

Das politische System als Beteiligungs- und Problemlösungszusammenhang.

Die politische Lösung gesellschaftlicher Probleme wird von der Struktur und Betriebsweise des politischen Systems beeinflußt. Der Vortrag beleuchtet die wesentlichen Prozesse und Parameter dieses Vorgangs. Im Ländervergleich sollen vor allem unterschiedliche Beteiligungs- und Problemlösungsvaraianten politischer Systeme vorgestellt und aus ihren historischen Entstehungszusammenhängen erklärt werden.

13.12.2007Dr. Bertram Ostendorf, Universität Adelaide, Australien

Management von regionalen Umweltproblemen mit geographischen Informationssystemen? Beispiele aus Südaustralien.

 Increasing scarcity of natural resources (water, soil, vegetation) coincides with an increasing demand from many interest groups (i.e. urban demand, industry, agriculture, recreation, conservation). With an increasing availability of computing power, many researchers and government agencies are currently developing environmental decision support systems that allow a fast evaluation of possible scenarios using an existing database. As the use of natural resources is spatially heterogeneous, environmental decision support systems are also spatial decision support systems. This poses a dilemma: Decision making in the natural resources management depends on the appropriateness of the available data. The strength of the decision outcome depends on the weakest link of all data layers, but too often critical spatial information layers are difficult to come by at the appropriate spatial resolution and/or extent, hence reducing the overall strength of the combined evidence. Furthermore, decisions are limited by our lack of understanding of the temporal dynamics of spatial pattern. Using examples from natural resources management (predominantly from South Australia), I will make the argument that we need to be aware of spatial and temporal undersampling.  One possibility to address the problem is to identify pattern or processes that would most strongly influence the decisions. Those key variables deserve our special attention and we need to increase understanding of their spatial dynamics. This will improve data collection for monitoring (we will have a better idea when and where to sample) and it will allow the identification of spatial surrogates from data that can be updated regularly at a high spatial resolution and a broad spatial extent.

17.01.2008
Dipl.-Ing. Burkhard Golla, Biologische Bundesanstalt, Kleinmachnow

Vorgehensweise für eine probabilistische georeferenzierte Analyse der Exposition von PSM.

In einer georeferenzierten probabilistische Expositionsabschätzung wird die bundesweite Expositionssituation von Gewässerorganismen unter Berücksichtigung räumlicher und nicht-räumlicher Variabilität sowie der Unsicherheiten expositionsrelevanter Eingangsparameter dargestellt. Kleinstes Element ist der Gewässerabschnitt für den expositionsrelevante Parameter in Form einzelner Perzentile aus Verteilungen und/oder konservativ geschätzte Einzelwerte kombiniert werden können. Zur Vermeidung der Kombination protektiver "worst case"- Annahmen und im Hinblick auf möglichst realistische Risikobeschreibungen sollte die probabilistische Modellierung auf Basis von bekannten und angenommen statistischen Verteilungen der relevanten Parameter erfolgen.
Durch den Charakter der Georeferenzierung können räumliche Analysen dazu dienen, Gebiete zu identifizieren, in denen auf Grundlage der verwendeten Datenbasen eine Häufung potentieller Überschreitungen von umweltrelevanten Konzentrationen zu erwarten ist. Auf dieser Grundlage können verfeinerte Landschaftsanalysen die Expositionssituation detaillierter analysieren und solche Orte bezeichnen, an denen theoretisch mit dem Auftreten von Effekten zu rechnen wäre (z. B. environmental relevant concentration (ERC) > 90. Perzentil).
Das vorgestellte Verfahren dient der bundeseinheitlichen Expositionsabschätzung aquatischer Organismen durch den Eintragspfad "Abdrift" sowie zur Analyse räumlicher Häufungen potentieller Konzentrationsüberschreitungen auf Landschaftsebene. Als Werkzeuge werden hybride Geographische Informationssysteme, relationale Datenbanksysteme und Statistiksoftware mit den jeweils implementierten Methoden und Funktionen eingesetzt.

24.01.2008
Prof. Dr. Andrea Lenschow, Universität Osnabrück

Lernen in Netzwerken - kritische Bemerkungen.

Der Begriff „Governance“ ist in aller Munde als eine Form der politischen Steuerung, die ohne klassisches Regierungshandeln (z.B. hierarchische Rechtsetzung) auskommt bzw. diese im Sinne einer Flexibilisierung und größeren Beteiligung betroffener Akteure ergänzt. In diesem Zusammenhang wird nach Formen und Instrumenten der Steuerung gesucht, die einen Lernprozess unter den Beteiligten in Gang setzen. „Lernen“ soll implizieren, dass politische Akteure nicht nur ihren Wissensstand erweitern, sondern auch die Standpunkte anderer Akteure verstehen lernen, was im Idealfall eine gemeinsame Problemlösung ermöglicht. Netzwerke werden – besonders in der politischen Debatte aber auch in der Wissenschaft – als ein Format diskutiert, in dem Akteure lernen. Im Rahmen dieses Vortrags sollen zunächst die Versuche der Netzwerkbildung im Rahmen der „new governance“ Bewegung in der europäischen Umweltpolitik nachgezeichnet werden. Insbesondere das Bemühen um die so genannte (Umwelt-)Politikintegration, in der es darum geht, Politikfelder horizontal zu koordinieren und an einer gemeinsamen, (für Einige) neuen Zielrichtung zu orientieren, ist durch die Etablierung zahlreicher Netzwerke auf allen politischen Ebenen gekennzeichnet, da es hier ganz besonders darum geht, dass sich Sektor-Spezialisten mit neuen Themen und Zielen auseinander setzen und sich diese zu eigen machen (d.h. lernen). In einem zweiten – kritischen – Teil des Vortrags wird argumentiert, dass sich diese „Netzwerk-Politik“ durch eine gewisse Naivität auszeichnet, die zum einen die komplexe Motivationslage der Akteure in der Teilnahme an Netzwerkveranstaltungen unterschätzt (nicht jeder will lernen) und zum anderen fälschlicherweise Netzwerke mit einem partnerschaftlichen und egalitären Kontext gleichsetzt (auch Netzwerke sind Machtkonstellationen). In der sektor-übergreifenden Umweltpolitik finden sich in der Realität selten Rahmenbedingungen, die offene (bzw. umweltbewusste) Lernprozesse zulassen. Die bisher mäßigen Erfolge in der Umwelt-Politikintegration sind also bei näherer Betrachtung weniger überraschend als es die öffentliche Netzwerk-Debatte erwarten lässt.

31.01.2008
Prof. Dr. Michael Hauhs, Universität Bayreuth

Komplex oder Interaktiv? Verschiedene Rollen von Computermodellen in den Umweltwissenschaften.

Modelle eröffnen zwei mögliche Perspektiven auf die Umwelt und auf Ökosysteme. Der erste Ansatz stammt aus der Physik and basiert auf der Theorie dynamischer Systeme. Sein zentraler Begriff ist der Zustand; ein wichtiges Testkriterium sind Vorhersagen. Dieser Modelltyp ist so weit verbreitet, dass er zuweilen als Ausdruck von Wissenschaftlichkeit selbst gehalten wird. Der zweite (neue) Ansatz wurde in den letzten Jahren in der theoretischen Informatik entwickelt. Sein zentraler Begriff ist Interaktion. Mit dem formalisierten Begriff der Interaktion kann das physikalische Konzept von Funktion auf Entscheidungen erweitert werden, wie sie etwa in Organismen oder Ökosystemen getroffen werden. Die unterschiedlichen Ansätze werden mit einem hydrologischen Beispiel illustriert. Bisher wurden die Schwierigkeiten und Grenzen von ökologischen Modellen oft auf die Komplexität lebender Systeme zurückgeführt. Der neue Ansatz bietet dazu eine Alternative. Danach kann es ebenso gut die Interaktivität lebender Systeme sein, die für die spezifischen Limits von ökologischen Modellen verantwortlich ist.