Unterstützte Projekte

Das KPA IMfESS kann mit eigenen finanziellen Mitteln Projekte unterstützen. Im April 2023 sind die ersten Projekte (KPA 001 - KPA 006) dafür ausgewählt worden. Seitdem wird in etwa jährlich zu neuen Ideen und Anträgen aufgerufen. 

KPA 001 (beendet)

Prof. Dr. Andreas Vogelsang - Informatik - Software and System Engineering

Bewertung der Softwarequalität von Forschungssoftware

IDEE

Software gewinnt in der Forschung immer mehr an Bedeutung. (...) Wir wollen untersuchen, welche Best Practices in der Softwareentwicklung angewandt werden und welche Bedeutung die Codequalität in Forschungssoftware hat. Die Ergebnisse werden einen Einblick in die aktuelle Codequalität geben und Möglichkeiten zur Verbesserung der Qualität und Korrektheit der verwendeten Programme aufzeigen. Konkret wollen wir die folgenden Forschungsfragen beantworten:

• RQ1: Wie erheben, dokumentieren und analysieren Forscher Anforderungen an Forschungssoftware?
• RQ2: Welche Prozesse befolgen Forscher und welche Teile beziehen sich auf Anforderungen?
• RQ3: Welchen anforderungsbezogenen Herausforderungen stehen Forscher gegenüber?

ERGEBNIS

Es wurden Interviews durchgeführt, analysiert und die Ergebnisse zusammen mit den zukünftigen Herausforderungen und Visionen für Forschungssoftware in einer Veröffentlichung ausführlich dokumentiert.

Bajraktari, M. Binder, A. Vogelsang: "Requirements Engineering for Research Software: A Vision“, In: 32nd IEEE International Requirements Engineering (RE) 2024 conference, https://arxiv.org/abs/2405.07781

In dieser Veröffentlichung wird klar, dass es Handlungsbedarf gibt, um Fehler in der Software und mögliche falsche Schlussfolgerungen in der Forschung vermeiden zu können. Die Vision besteht darin, Bildungs- und Forschungslücken zu überbrücken, Software-Engineering in der Forschung zu fördern und Forscher zu befähigen, hervorragende Software zu entwickeln.

Weitere Informationen

KPA 002 (gestartet und verlängert)

Prof.in Dr.in Christina Bogner – Geographie - Ökosystemforschung

Entwicklung einer Modellierungsumgebung für agentenbasierte Modelle

mit Marijn van der Meij, Tim Reichenau, Andreas Bolten, Tony Reimann, Georg Bareth, and Karl Schneider

IDEE

Agentenbasierte Modelle (ABM) sind als Instrument zur Modellierung von Interaktionen zwischen menschlichen Akteuren in den Wirtschafts- (Farmer und Foley, 2009) oder Sozialwissenschaften (Bankes, 2002) oder Mensch-Umwelt-Interaktionen (An, 2012) bekannt. Sie sind eine der Methoden, um sich komplexen Systemen zu nähern. Manche nennen sie sogar „eine Brücke zwischen den Disziplinen“ (Axelrod, 2006). ABMs sind mit der Spieltheorie verwandt, können aber auch komplexere Verhaltensweisen erfassen. Angesichts ihrer Fähigkeit, sich komplexen Systemen zu nähern, sind wir der Meinung, dass ABMs Teil des Modellrepertoires der KPA sein sollten, um bei der Beantwortung relevanter Fragen im Zusammenhang mit Mensch-Umwelt-Interaktionen innerhalb der Erdsystemwissenschaften zu helfen. Letztendlich könnten ABMs sogar ein Bindeglied zwischen den KPAs „Soziales und wirtschaftliches Verhalten“ und „Intelligente Methoden für Erdsystemwissenschaften“ sein. ABMs erfordern eine gründliche Implementierung, um mit einer angemessenen Geschwindigkeit zu laufen. Die (relativ) neue Sprache zur Datenanalyse, Julia (https://julialang.org/), verspricht einen solchen Rahmen für eine erfolgreiche Implementierung (https://github.com/juliadynamics/Agents.jl/). Wir schlagen daher vor, die Fähigkeit von Julia auszuprobieren, einen Rahmen für die Implementierung von ABMs zu schaffen. Als Fallstudie werden wir die Forschungsfragen verwenden, die sich aus dem Projekt A05 „Future roads“ im CRC 228 ergeben und die sich auf Landnutzungsänderungen und die Entwicklung eines Straßennetzes beziehen.

KPA 003 (beendet)

Prof.in Dr.in Christina Bogner – Geographie - Ökosystemforschung

Einrichtung und Test eines digitalen Laborjournals

mit Stephan Opitz

IDEE

Elektronische Laborjournale (ELN) sind ein wichtiges Instrument zur Gewährleistung der Datensicherheit und der Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen in einem Labor. Es ist Teil eines umfassenden Forschungsdatenmanagements (https://fdm.uni-koeln.de/serviceangebot/servicekatalog-1). An der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät haben wir die Möglichkeit, die Software eLABJOURNAL zu testen. In diesem Antrag schlagen wir vor, eLABJOURNAL im Labor des Geographischen Instituts innerhalb der Arbeitsgruppe Ökosystemforschung zu testen und zu berichten, ob diese Software innerhalb der KPA breiter eingesetzt werden kann, um z.B. Protokolle zwischen verschiedenen Arbeitsgruppen auszutauschen und unsere technische Infrastruktur (Großgeräte) effizienter zu koordinieren.

ERGEBNIS

Die Testphase mit dem eLABJOURNAL von eLabNext im Labor des Geographischen Instituts innerhalb der Arbeitsgruppe Ökosystemforschung hat gezeigt, dass das System eine solide Grundlage für die Dokumentation von Laborprozessen bietet. eLABJOURNAL wurde primär für biologische Anwendungen konzipiert und weist daher einige Einschränkungen bei der direkten Erfassung und Analyse von raumbezogenen Daten sowie der vollständigen Abbildung komplexer Umweltanalysen auf. Die Testphase verdeutlicht den Bedarf an spezifischen Anpassungen, um die Funktionalität des Systems optimal an die Anforderungen der geowissenschaftlichen Forschung zu erweitern – insbesondere im Bereich der Datenerfassung und -verknüpfung von Proben mit zusätzlichen Parametern.

KPA 004 (gestartet und verlängert)

Prof.in Dr.in Christina Bogner – Geographie - Ökosystemforschung

Bereitstellung einer Umgebung für die Entwicklung von Shiny Apps in der Lehre

mit Andreas Bolten

IDEE

Shiny apps, die in R (https://shiny.rstudio.com/) geschrieben werden, sind interaktive Web-Applikationen. Sie können verwendet werden, um Anfängern z. B. Statistik (https://stattlc.com/2021/08/17/ooh-shiny-r-shiny-apps-as-a-teaching-tool/) nahezubringen oder für nützliche Anwendungen wie die Berichterstattung über systematische Literaturrecherchen nach PRISMA (https://estech.shinyapps.io/prisma_flowdiagram/.) Wir schlagen vor, (i) Shiny-Apps für den Unterricht innerhalb der KPA zu entwickeln und (ii) Lehrmaterial zu erstellen, mit dem Studierende lernen können, solche Apps selbst zu programmieren. Um Shiny-Apps einzusetzen, wird ein Shiny-Server benötigt. Um diesen einzurichten, bitten wir die KPA und insbesondere Dr. Katja Sperveslage um Unterstützung.

ZWISCHENBERICHT

Bisher wurde eine App zur Datenvisualisierung in der Programmiersprache R entworfen. Damit werden die Studierenden beim Verstehen verschiedener Diagrammtypen unterstützt und erhalten eine erste Einfühung in R als Datenvisualisierungstool. Diese App wurde auf den Shiny Server auf imfesshub.uni-koeln.de portiert und ist zugreifbar.

KPA 005 (beendet)

Prof.in Dr.in  Tatiana von Landesberger – Informatik – Visualisation and Visual Analytics

Dashboard Visualization for Atmospheric Rivers

IDEE

Visualizing meteorological data requires effective and efficient interaction capabilities. Meteorological data have specific characteristics that must be considered. This is especially true for multiple aspects of data measurements on Arctic atmospheric rivers. Using visualization for publication purposes, whether in papers or online, requires high data accessibility and readability, which is achieved through a large number of filters and display options.

Our goal was to develop, implement, and evaluate a novel dashboard visualization of meteorological data, as well as improve the dashboard on atmospheric rivers designed during the “Visual Analysis Lab.”

ERGEBNIS

This project revealed that designing effective dashboards requires robust data processing, interactive visualization techniques, and a coherent, carefully structured layout. As the dashboard solutions were developed and refined, it became clear that layout quality plays a central role in ensuring the dashboard is readable and usable and effectively communicates data. Meanwhile, emerging AI-based design tools began offering new possibilities for automating or accelerating layout creation. AI has the potential to empower non-experts to effortlessly design their own dashboards. The questions are ones of quality and limitations. To examine these possibilities and limitations, as well as their applicability to meteorological data, such as atmospheric rivers, we posed an important research question: To what extent can AI contribute to producing high-quality dashboard layouts, and how does its performance compare to that of human designers who rely on established guidelines? 

In our paper "AI or Humans: Who Designs Better Dashboard Layouts? An Initial Study" (Link: "https://visxgenai.github.io/subs-2025/1389/1389-doc.pdf"), which was presented at the 1st VISxGenAI Workshop at IEEE VIS 2025 (Link: "https://visxgenai.github.io/"), we examine precisely this question.

KPA 006 (beendet)

Prof. Dr. Tony Reimann - Geographie – Geochronologie und Geomorphologie

Design and implementation of a soil-sediment database system for complex geoscientific and spatial data

IDEE

Due to progress in experimental technology and computational processing, geoscientific research produces increasingly more and more complex data from an increasing number of various sources and methods.(…) In Geosciences, placing observations in their spatial context is very important. (…) A modular and scalable database system deployed on the organisational level of an institute-wide laboratory rather than a research project, may help overcome the aforementioned challenges. The proposed project seeks to develop an integrated database system for geoscientific research that integrates the data management in the course of the research process from fieldwork documentation to laboratory results. Moreover, collaboration between research groups of the Institute for Geography (mainly AG Bareth, AG Bogner, AG Mansfeldt, AG Schneider, AG Reimann) and participants of the Key Profile Area (KPA) (e.g. AG Dunai, AG Grunert, AG Melles and others) will be explored. The goals of database system development are to:

• provide long-term storage of research data and metadata beyond the organisational and temporal limits of individual projects,
• simplify fieldwork and laboratory documentation,
• allow simple and comprehensive query of data records across different projects, spatial and temporal scales, using programming interfaces,
• be modular and scalable and
• fulfil the requirements of the DFG

ERGEBNIS: Implementierung eines Datenbanksystems, das....

KPA 007 (started)

Dr.in Claudia Acquistapace - Meteorologie - Extreme Wetterphänomene

New ground-based dataset input for developing a new machine learning self-supervised classification approach to identify cloud regimes.

Cloud mesoscale organization is crucial in determining cloud response to climate change, especially in the tropical region. Self-supervised machine learning (MLSV) method applied to satellite data successfully classifies cloud regimes in the trades during the EUREC4A campaign (Chatterjee et al., 2023). However, it still does not exploit the information from different observing geometries, like ship-based profiling observations. Model studies show that the evaporation of precipitation can play a crucial role in cold pool development, altering cloud spatial patterns and organization. We suggest preparing precipitation's evaporation rate (ER) measured from ship-based observations (Acquistapace et al., 2021) as input for MLSV. We will calculate ER by applying the method described by Tridon et al., 2017. First, we will use the mean cloud ER to understand better cloud regimes obtained using only satellite data. Finally, we will test the feasibility of including such data as input for the MLSV algorithm, hopefully revealing a new potential extension of the MLSV method that could benefit various applications and diverse scientific goals in intelligent methods for earth sciences.

KPA 008 (gestartet und verlängert)

Dr. Yannick Bussweiler - GeoMuseum

Digitalisierung der Lehrsammlung des GeoMuseums

IDEE

Das GeoMuseum des Instituts für Geologie und Mineralogie der Universität zu Köln beheimatet eine große Sammlung an Gesteinen, Mineralen und Fossilien. Einige dieser Stücke sind im Museumsraum ausgestellt und für die Öffentlichkeit zugänglich. Die meisten Stücke befinden sich jedoch in den Lagerräumen des Museums. Darunter befindet sich auch eine umfangreiche Lehrsammlung aus sedimentären, magmatischen und metamorphen Gesteinen, welche in der Vergangenheit intensiv für die Lehre genutzt wurde. Unser Ziel ist es, die Aufmerksamkeit unserer Dozierenden am Institut (und evtl. darüber hinaus) auf die Lehrsammlung zu erhöhen, in dem wir diese digitalisieren. 

Zur Digitalisierung wird derzeit ein Photogrammetrie-Labor in den Räumlichkeiten des GeoMuseums eingerichtet (u.a. mit Geldern des Albertus-Magnus Lehrpreises 2023). Voraussichtlich kann im neuen Jahr mit der Aufnahme der Lehrsammlung (etwa 350 Stücke) begonnen werden. Hierzu sollen die Stücke zuerst gewogen, dann fotografiert (aus mehreren Perspektiven zur Erstellung eines 3D-Modells) und petrographisch beschrieben werden. Die Daten und Informationen werden in einer digitalen Datenbank eingetragen und schließlich mit allen Dozierenden des Instituts geteilt.

ZWISCHENBERICHT

Die Digitalisierung der Lehrsammlung des GeoMuseums hat im März 2024 begonnen. Die ursprüngliche Schätzung von insgesamt 350 Gesteinen wurde um 53 nach oben korrigiert. Bisher wurden 200 Gesteine aufgenommen, d.h. klassifiziert, gewogen, fotografiert und 3D-Modelle erstellt. Letzteres ist im Photogrammetrie-Labor in den Räumlichkeiten des GeoMuseums möglich. Mit Hilfe der USB steht eine easyDB-Installation als Plattform zur Verfügung, in der die erhobenen Daten in einem passenden Datenmodell bereits eingepflegt werden. 

Weitere Informationen und Bilder

KPA 009 (gestartet)

Prof. Dr. Tibor Dunai - Geologie

Tropical Change - Environmental change in the humid tropics during major climate transitions

KPA 010 (20.-24. Mai 2024)

Prof. Dr. Tibor Dunai - Geologie

Workshop COSMO 2024 "Pushing the boundaries of cosmogenic nuclides"

We support the COSMO 2024 workshop in Cologne (20-24 May 2024). This workshop is part of a biannual series of workshops, which developed from the ‘Nordic workshop on cosmogenic nuclides’ (last held in Norway 2018, 4NWCN, Bergen University), into a Pan-European workshop. After a corona-related break, the last workshop COSMO 2022 was hosted jointly by the University of Edinburgh and the University of Glasgow, UK. The convenors for COSMO 2024 in Cologne are Steven Binnie (UoC), Tibor Dunai (UoC) and Hella Witmann-Oelze (GFZ-Potsdam).
The scope of the workshop is to present and discuss novel developments in cosmogenic nuclide methodologies and applications to earth surface system sciences. This field of geochronometry has grown over the last several decades to become well recognised and established within the broader Earth Science community, and the broadening remit and increased profile of this workshop series reflects this.

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Der 6. Workshop über kosmogene Nuklide, COSMO2024, fand vom 20. bis 24. Mai 2024 am Institut für Geologie und Mineralogie statt. Eingeleitet wurde die COSMO2024 am Montag mit drei Workshops für Nachwuchswissenschaftler:innen. Über die folgenden drei Tage wurden vier Keynotes und 41 Vorträge im Geo/Bio-Hörsaal gehalten. Zum Abschluss fand am Freitag eine Exkursion in das Mittlere Rheintal statt. Über 90 Wissenschaftler:innen aus 22 Nationen haben an der COSMO2024 teilgenommen und diesen Workshop in Köln zu einer erfolgreichen Veranstaltung gemacht. 

KPA 011 (Workshop am12./13. November 2024)

Prof.in Dr.in Christina Bogner und Prof. Dr. Javier Revilla Diez - Geographie

Workshop zum Thema "Integrating Qualitative and Quantitative Methods in Sustainability Research: Mutual Insights and Learning"                          

As our planet is challenged by manifold crises, concepts like complex systems and systems thinking are fundamental for many disciplines in the KPA and beyond. However, different disciplines have their own understanding and way to treat those concepts. In practice, systems thinking includes a broad array of qualitative and quantitative methods and tools designed to better understand system behaviours and intervene in the context of complexity and uncertainty. We suggest a workshop where these concepts can be discussed focusing on climate change adaptation. We aim at inviting experts from both, quantitative and qualitative areas to work intensively on controversial statements (part of the concept of the workshop which will be developed and sent to participants beforehand). This workshop will bring together different disciplines and intensify KPA’s links outside the Faculty and University, thus  increasing its national and international visibility.

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Am 12./13. November 2024 hatte das Geographische Institut der Universität zu Köln das große Privileg, den Workshop „Integrating Qualitative and Quantitative Methods in Sustainability Research: Mutual Insights and Learning“ unter der Leitung von Prof.in Dr.in Christina Bogner und Prof. Dr. Javier Revilla Diez zu veranstalten.

Dank der Förderung durch den Kernprofilbereich "Intelligente Methoden für Erdsystemwissenschaften" brachte diese Veranstaltung Forscher*innen aus verschiedenen Bereichen zusammen, um einige wirklich innovative interdisziplinäre Ansätze in der Nachhaltigkeitsforschung zu erörtern. Der Workshop begann mit einer inspirierenden Ansprache von Prorektor Prof. Dr. Kirk Junker, gefolgt von beeindruckenden Keynote-Sessions zu qualitativen und quantitativen Methoden. In einem ansprechenden und interaktiven Format vertieften die Teilnehmer*innen die Stärken, Grenzen und Möglichkeiten der Kombination von Methoden zur Lösung komplexer Nachhaltigkeitsprobleme. Bei der Diskussion wurde auch ein spannendes neues Wissenschaftszentrum an der Universität zu Köln vorgestellt, das die interdisziplinäre Nachhaltigkeitsforschung fördern wird.

Ein herzliches Dankeschön an alle Teilnehmer*innen für ihren Enthusiasmus und ihre wertvollen Beiträge.

KPA 012 (5./6. Februar 2024)

Prof. Dr. Christian Sohler - Abteilung Informatik - Algorithmen und Komplexität

Workshop zum Thema "Algorithmic Aspects of Neural Networks"

The goal of this workshop was to bring together experts in Theoretical Computer Science and Machine Learning and to discuss recent developments on Algorithmic Aspects of Neural Networks and related topics. The workshop took place on February 5th/6th in the main university building.

Schedule and speaker see here.
 

KPA 013 (gestartet)

Dr. Steven Binnie - Geologie & Mineralogie

Coupling geo- and bio-chronometers to reconstruct river histories: evolution of the Douro River, Portugal

IDEE

River networks evolve in response to changes in their surrounding environments and so fluvial histories tell us about past landscape defining events. Topographic evidence in the landscape showing that rivers have adjusted to new boundary conditions takes the form of geomorphic features, such as fluvial terraces (Pazzaglia, 2013). We can date these terraces with cosmogenic nuclides to constrain the timing and rates of fluvial evolution, and over the last decade, or so, more sophisticated approaches for such dating have been developed (e.g. Erdlanger et al., 2012). On the other hand, what has been significantly underappreciated by the geomorphology community is how the biological record of the aquatic species that inhabit these rivers can inform us of fluvial histories (Craw et al., 2008). The phylogenetic records of riverine species, such as amphipods (shrimp), can be analyzed using molecular clock dating to show when fluvial networks reorganized. Combining cosmogenic nuclide with molecular clock dating thus has great potential for understanding, amongst other things, the relationships between fluvial evolution and the major climatic changes during the Quaternary.
Recognizing this potential during the multidisciplinary CRC1211 project, combining geoscience and biology, Dr Binnie and Dr Kathrin Lampert (of the Inst. of Zoology at UoC) have achieved initial success, integrating these techniques to understand biological and landscape evolution in the Atacama Desert. This IMfESS proposal now seeks to expand on this success by testing the geo- bio-chronology approach outside of deserts, specifically in the Douro River, draining the largest catchment of the Iberian Peninsula. Here it is known that upstream portions of the river were once endorheic, but began to drain into the Atlantic following a major drainage capture event. The age of this event is poorly constrained and based on extrapolation it is suggested to have occurred between ~ 3.7 - 1.8 Ma (Cunha et al., 2019). The main hypothesis of this project is that the timing of Douro River reorganization derived from molecular clock dating of amphipods will be coeval with the start of incision obtained by cosmogenic nuclide dating of the river’s highest terrace. It is further hypothesed that this timing will relate to a period of major global climatic change. If successful, this study would serve as a pilot for a larger DFG research grant proposal, aimed at studying in more detail the coupling of these complimentary dating techniques at other locations worldwide.

PLAN
The uppermost terrace of the downstream reach of the Douro River in central Portugal will be sampled for cosmogenic nuclide analysis. Human modification of the terrace surface precludes exposure dating and instead isochron burial dating will be used. This requires several samples to be dug from depths in excess of ~3 m and their 10Be and 26Al concentrations measured by accelerator mass spectrometry at CologneAMS. Amphipod samples would be collected from the main stem and several side tributaries of the Duoro River in Portugal and Spain and undergo molecular analysis of mitochondrial genes (COI) by Dr Lampert. Previous fieldwork in this area has built good relations with Portuguese colleagues, who would help facilitate sample collection, in particular obtaining permission and arranging the digging to get cosmogenic nuclide samples from depth.

STATUS

The project fieldwork in Portugal happened in late May.

KPA 014 (30.09. - 3.10.2025)

Prof. Dr. Christine Heim - Geobiologie

Unterstützung des Workshops "M-FED 25 (Microbialites – Formation, Evolution, Diagenesis)" in Hannover

Microbialites are organo-sedimentary deposits influenced by benthic microbial communities, formed through the trapping and binding of detrital sediment or mineral precipitation, with a strong environmental control on its development. Therefore, microbialites have played an important role in the early history of life on Earth but also until today microbial build-ups serve as important primary producers, food source, surface stabilisers and remediation agents.This conference aims to bring together diverse researchers from the interdisciplinary fields of biogeosciences tackling microbialite research from various scientific angles. The conference will include presentations, posters, workshops and a field trip to the nearby UNESCO Geopark Heeseberg where the term “stromatolite” was coined.

Schedule, speaker and further information see here.