DLR und LRZ unterzeichnen Kooperationsvertrag "Terra_Byte"

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das LRZ kooperieren in Zukunft unter Namen „Terra_Byte“ bei der Auswertung der enormen Datenmengen, die Erdbeobachtungssatelliten im Zusammenspiel mit weiteren Datenquellen täglich über den Zustand unseres Planeten erfassen. Am 27. Mai 2019 wurde der Kooperationsvertrag zwischen DLR, BAdW und LRZ sowie dem Bayerischen Staatsminister für Wissenschaft und Kunst, Bernd Sibler, unterzeichnet.

Bei der Unterzeichnung der Kooperationsvereinbarung (v.l.n.r):

Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Vorsitzender des Direktoriums des Leibniz-Rechenzentrums
Prof. Dr. Thomas O. Höllmann, Präsident der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
Bernd Sibler, Bayerischer Staatsminister für Wissenschaft und Kunst
Prof. Dr. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand Raumfahrtforschung und –technologie
Prof. Dr. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums des DLR

Auch ein Besuch beim Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG stand auf dem Programm:

Vor dem Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG (v.l.n.r.):

Prof. Dr. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums des DLR
Prof. Dr. Thomas O. Höllmann, Präsident der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
Bernd Sibler, Bayerischer Staatsminister für Wissenschaft und Kunst
Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Vorsitzender des Direktoriums des Leibniz-Rechenzentrums
Prof. Dr. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand Raumfahrtforschung und –technologie

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Urbanisierung, Landwirtschaft und schmelzende Gletscher
Höchste Rechenleistung zur Erforschung des Globalen Wandels in der Kooperation „Terra_Byte“

(English version below)

Eines der größten europäischen Höchstleistungsrechenzentren – das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften – und die größte Raumfahrtforschungseinrichtung Europas – das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – kooperieren in Zukunft bei der Auswertung der enormen Datenmengen, die  Erdbeobachtungssatelliten im Zusammenspiel mit weiteren globalen Datenquellen wie den sozialen Netzwerken täglich über den Zustand unseres Planeten erfassen.

„Die Zusammenarbeit ist ein Meilenstein für die Münchner Wissenschaftslandschaft und den Forschungsstandort Bayern“, betonte Bayerns Wissenschaftsminister Bernd Sibler anlässlich der Unterzeichnung eines Kooperationsvertrages der beteiligten Partnereinrichtungen am 27. Mai 2019 in Garching bei München. „Diese Kooperation verdeutlicht, wie groß die Potenziale unserer Forschungseinrichtungen in Garching und Oberpfaffenhofen sind! Beide Institute leisten herausragende, international beachtete Arbeit. Ihr gemeinsames Projekt eröffnet nun völlig neue Möglichkeiten, um den globalen Wandel und seine Auswirkungen auf unsere Region umfassend zu erforschen. Für Politik und Gesellschaft ist das eine bedeutende Grundlage, um geeignete Rahmenbedingungen für eine lebenswerte Zukunft auf unserer Erde zu schaffen. Luft- und Raumfahrt, Supercomputing und Künstliche Intelligenz greifen dabei ineinander. Hier wird die Technik von morgen entwickelt!“

Mit der Zusammenarbeit bündeln DLR und LRZ ihre große Expertise in den Bereichen satellitengestützte Erdbeobachtung und Supercomputing.

„Wenn wir Prozesse des Globalen Wandels verstehen und seine Entwicklung nachvollziehen wollen, müssen wir in der Lage sein, die Daten unserer Satelliten im All bestmöglich auszuwerten“, betonte Prof. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie. „Die Kooperation zwischen DLR und LRZ wird es uns künftig ermöglichen, riesige Datenmengen mit neuesten Methoden hoch effizient und unabhängig zum Verständnis globaler Trends und deren Folgen zu analysieren. Beispiele dafür sind die  international zunehmende Urbanisierung und Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzung zu Lasten naturbelassener Ökosysteme oder die rasanten Veränderungen in den polaren Gebieten der Erde und in der Atmosphäre, die ohne jede Frage nicht ohne Folgen auch für die Menschen sind. Für die Analyse bringen wir unsere Entwicklungen und Technologien der Raumfahrtforschung sowie eigene Sensordaten mit ein.“

Prof. Dieter Kranzlmüller, Leiter des LRZ, betont: „Mit der Kooperation dieser beiden führenden Forschungseinrichtungen schließen sich zwei Partner zusammen, die sich in ihren Kompetenzen ideal ergänzen und entsprechende Expertisen, Mittel und Forschungsthemen gemeinsam einbringen. Das Leibniz-Rechenzentrum verfügt über eine ausgewiesene Erfahrung als innovativer IT-Dienstleister und Höchstleistungsrechenzentrum und ist zuverlässiger und leistungsstarker Partner für die bayerischen Hochschulen und künftig auch für das DLR mit seinen Instituten in Oberpfaffenhofen.“

Riesige Datenmengen der Erdbeobachtung

Täglich liefern Erdbeobachtungssatelliten riesige Datenmengen in so hoher Auflösung, dass konventionelle Auswerteverfahren längst an ihre Grenzen gekommen sind. „Nur eine Kombination aus Online-Verfügbarkeit verschiedenster historischer und aktueller Datenbestände in Verbindung mit modernsten Höchstleistungsrechensystemen versetzt unsere Forscher in die Lage, globale Informationen in höchster Auflösung abzuleiten, die uns Aussagen über die Entwicklung des Planeten Erde ermöglichen. Bei der vollautomatischen Analyse spielen Verfahren der Künstlichen Intelligenz eine zunehmend entscheidende Rolle. Somit können wir Phänomene und Entwicklungen erkennen, wie es auf konventionellem Weg nur schwer möglich wäre“, sagt Prof. Stefan Dech, Direktor des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums des DLR. „Für die an der satellitengestützten Erdbeobachtung forschenden Institute des DLR in Oberpfaffenhofen besitzt diese Kooperation entscheidende Bedeutung. Wir können nun eine Vielfalt an methodischen und geowissenschaftlichen globalen Analysen durchführen, die bislang aufgrund der Datenmengen und limitierter Rechnerleistung nur exemplarisch möglich war. Besonders bedeutsam ist das gemeinsam zwischen DLR und LRZ entwickelte technologische Datenkonzept, das das LRZ mit dem Deutschen Satellitendatenarchiv des DLR in Oberpfaffenhofen verbinden wird und neben Online-Verfügbarkeit aktueller weltweiter Datenbestände auch historische Daten aus unserem Archiv sowie DLR-eigene Daten verbindet“, so Dech weiter. 

Herausforderung für die Datenanalyse

Schon jetzt haben beispielsweise die Daten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus die Schwelle von 10 Petabytes überschritten. 1 Petabyte entspricht dem Inhalt von etwa 223.000 DVDs – einer Menge, die ca. 3,5 Tonnen wiegen würde. Bis 2024 werden die Sentinel-Satelliten des Copernicus-Programms schon mehr als 40 Petabytes an Daten erzeugt haben. Diese werden ergänzt durch weitere Petabytes der nationalen Erdbeobachtungsmissionen wie die DLR-Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X oder die amerikanischen Landsat-Daten. Doch nicht nur die großen Datenmengen der Satellitenmissionen stellen die Wissenschaftler derzeit vor Herausforderungen, auch Daten zum Globalen Wandel, die in den sozialen Netzwerken veröffentlicht werden, sind wertvolle Quellen. Diese bringen allerdings neue Herausforderungen mit sich, da diese Daten sehr heterogen sind, ihr Wahrheitsgehalt nicht eindeutig ist und sie nicht in unbegrenzter Dauer zur Verfügung stehen.

Forscherinnen und Forscher des DLR setzen daher zunehmend Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens ein, um Trends des Globalen Wandels und Analysen von Naturkatastrophen und ökologischen Zusammenhängen in globalen und regionalen Zeitreihen zu finden, die sich über Dekaden hinweg erstrecken.

Diese Methoden erfordern es jedoch, dass die dazu notwenigen Daten auf hoch performanten Datenanalyse-Plattformen (HPDA = High Performance Data Analytics) online zur Verfügung stehen. Das technische Ziel der Kooperation ist deshalb der Aufbau einer solchen Plattform, die über das Deutsche Satellitendatenarchiv (D-SDA) des DLR in Oberpfaffenhofen und Daten-Verteilpunkte verschiedener Anbieter frei verfügbarer Satellitendaten Zugriff auf alle für die Forschung notwendigen Erdbeobachtungsdaten hat.

Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR koordiniert die Aktivitäten der Kooperation für die beteiligten DLR-Institute: Neben dem DFD sind das Institut für Methodik der Fernerkundung, das Institut für Physik der Atmosphäre sowie das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen beteiligt. Bei der Umsetzung der Technologie sind außerdem das Institut für Datenwissenschaften in Jena sowie die Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik in Köln beteiligt.

Kooperation für den Globalen Wandel

In der Kooperation befasst sich das DLR mit Forschungsfragestellungen rund um das Thema Umweltveränderungen und Globaler Wandel, methodische und algorithmische Verfahrensentwicklungen im Bereich physikalische Modellierung und Künstliche Intelligenz (KI), dem Management von Langzeitarchiven und der Prozzessierung großer Datenbestände.

Das LRZ fokussiert in der Kooperation auf die Forschung und Umsetzung von operationellen, skalierbaren, sicheren und zuverlässigen IT-Diensten und Technologien, Optimierung von Prozessen und Verfahren, dem Supercomputing und Cloud Computing sowie der Nutzung von Verfahren der Künstlichen Intelligenz (KI) und Big Data. Dabei kommen auch die vorhandenen IT-Systeme des LRZ (u.a. der Höchstleistungsrechner SuperMUC-NG) und die Erfahrungen im energieeffizienten Höchstleistungsrechnen zum Einsatz.

Geplant ist die Realisierung der Online-Verfügbarkeit von etwa 40 Petabytes für Tausende von Rechenkernen.  Durch gemeinsame Investitionen des DLR und des LRZ ist geplant, die erste Stufe des Ausbaus bis Ende 2020 zu realisieren. Die neue HPDA-Plattform wird in die bestehende Infrastruktur des LRZ in Garching integriert.  Auf die größtenteils freien und offenen Daten der Plattform werden aber auch die Wissenschaftler der Bayerischen Universitäten und Hochschulen Zugriff haben.

Urbanization, Agriculture and Melting Glaciers
Collaboration “Terra_Byte”:
Highest Computing Capabilities for Global Change Research

One of Europe's most powerful supercomputing centres -  the Leibniz Supercomputing Centre (LRZ) of the Bavarian Academy of Sciences and Humanities - and Europe's largest space research institution -  the German Aerospace Center (DLR) -  will cooperate in the evaluation of the enormous amounts of data daily collected by Earth observation satellites on the state of our planet in conjunction with other global data sources such as social networks.

"This is a milestone for the Munich metropolitan region and for Bavaria as a research hub," said Bavaria's Science Minister Bernd Sibler at the signing of a cooperation agreement between the partner institutions on 27 May 2019 in Garching near Munich. "This cooperation shows the full potential of our research institutions in Garching and Oberpfaffenhofen! The work of both institutions is outstanding and internationally acknowledged. Their joint project now opens completely new possibilities to investigate Global Change and its effects on our region comprehensively. This is an important basis for politics and society to create suitable framework conditions for a future on our earth worth living. Aviation and astronautics, supercomputing and artificial intelligence engage with each other. The technology of tomorrow is being developed here!”

"If we want to understand the processes of global change and its development, we must be able to evaluate the data from our satellites in space in the best possible way," emphasised Prof. Hansjörg Dittus, DLR Executive Director for Space Research and Technology. "The cooperation between DLR and LRZ will enable us in the future to analyse huge amounts of data using the latest methods in a highly efficient and independent way. We will contribute our developments and technologies in space research as well as our own sensor data. For example, we can carry out novel analyses to better understand the consequences of global trends and environmental changes such as global urbanisation, the expansion of agricultural use to the detriment of unspoilt ecosystems or the rapid changes in the polar regions of the earth and the atmosphere, which without any question are not without consequences for humans."

"The cooperation of these two leading research institutions brings together two partners who complement each other ideally in their competencies and contribute their expertise, resources and research areas. The Leibniz Supercomputing Centre has proven experience as an innovative IT service provider and high-performance and data analytics centre, and is a reliable and efficient partner for the Bavarian universities and, in future, for DLR and its institutes in Oberpfaffenhofen," says Prof. Dieter Kranzmüller, Head of the LRZ.

Huge amounts of Earth observation data

Every day, Earth observation satellites deliver huge amounts of data in such high resolution that conventional evaluation methods have long since reached their limits. "Only a combination of a wide variety of historical and current data available online in conjunction with state-of-the-art high-performance computing systems will enable our researchers to derive global information at the highest resolution allowing us to make statements about the development of planet Earth. Artificial intelligence methods are playing an increasingly important role in fully automated analysis. This enables us to identify phenomena and developments that would be difficult to detect using conventional methods," says Prof. Stefan Dech, Director of the German Remote Sensing Data Centre at DLR. "For the four DLR institutes in Oberpfaffenhofen researching satellite-based Earth observation, this cooperation is of crucial importance. We can now carry out a variety of methodological and geoscientific global analyses which was previously impossible due to the volume of data and limited computing power. Of particular importance is the technological data concept jointly developed between DLR and LRZ which will link the LRZ with DLR's German Satellite Data Archive in Oberpfaffenhofen and, in addition to current global data stocks available online, will also link historical data from our archive and DLR's own data," continued Dech. 

Challenges for data analysis including social media

Data from the European Earth observation programme Copernicus have already exceeded the threshold of 10 petabytes. One petabyte corresponds to the content of about 223,000 DVDs - a quantity that would weigh about 3.5 tons. By 2024, the Sentinel satellites of the Copernicus programme will have generated more than 40 petabytes of data. These will be supplemented by further petabytes from national Earth observation missions such as the DLR radar satellites TerraSAR-X and TanDEM-X or the American Landsat data. However, it is not only the large amounts of data from the satellite missions that are currently posing challenges to scientists; data on global change published on social networks are also valuable sources. These data, however, are very heterogeneous, their veracity is inconclusive and they are not available indefinitely.

DLR researchers are therefore increasingly using artificial intelligence (AI) and machine learning methods to identify trends in global change and analyses of natural disasters and ecological contexts in global and regional time series spanning decades.

These methods, however, require that the necessary data be made available online on high-performance data analysis platforms (HPDA = High Performance Data Analytics). The technical objective of the cooperation is therefore to set up such a platform which will have access to all Earth observation data required for research via the German Satellite Data Archive (D-SDA) of DLR in Oberpfaffenhofen and data distribution points of the freely available satellite data from various providers.

DLR's German Remote Sensing Data Center (DFD) coordinates the cooperation activities for the participating DLR institutes: In addition to DFD, the institutes involved are the Institute for Remote Sensing Methodology, the Institute for Atmospheric Physics and the Institute for High Frequency Technology and Radar Systems in Oberpfaffenhofen. The Institute of Data Sciences in Jena and the Simulation and Software Technology facility in Cologne are also involved in the implementation of the technology.

Cooperation for Global Change

In this cooperation, DLR deals with research questions related to environmental change and global change, methodological and algorithmic process developments in the field of physical modelling and artificial intelligence (AI), the management of long-term archives and the processing of large data sets.

The LRZ focuses on the research and implementation of operational, scalable, secure and reliable IT services and technologies, the optimization of processes and procedures, supercomputing and cloud computing as well as the use of artificial intelligence (AI) and Big Data procedures. The existing IT systems of the LRZ (including its newest supercomputer, SuperMUC-NG) will be used as well and and the experiences in energy-efficient supercomputing are used.

It is planned to implement online availability of around 40 petabytes for thousands of computing cores.  Through joint investments by DLR and LRZ, it is planned to implement the first stage of the expansion by the end of 2020. The new HPDA platform will be integrated into the existing infrastructure of the LRZ in Garching.  The platform's largely free and open data will also be accessible to scientists at Bavarian universities and colleges.