GEO

MSc GIS Masterarbeit · UZH

Sichere Schulwege in Zürich

Meine Masterarbeit im MSc Geographische Informationswissenschaften (UZH) untersucht die automatisierte Sicherheitsbewertung von Schulwegen allein auf Basis von Bilddaten. Mithilfe von Street-Level- und Luftbildern wird gezeigt, wie sich die Sicherheit von Wegen algorithmisch analysieren lässt. Die Arbeit wurde erfolgreich abgeschlossen.

Street-Level-Bilder

1.2 Mio.

Luftbilddaten

90 Mrd. Pixel

Masterarbeit MSc GIS, Universität Zürich (UZH)

Betreuung: Prof. Dr. Ross Purves und Dr. Tumasch Reichenbacher

Autor: Claude Widmer

Übersicht Zürich mit Wegenetz

Übersichtskarte von Zürich mit dem verwendeten Wegenetz.

Einleitung

Bilddaten als Grundlage für sichere Schulwege

In meiner Masterarbeit habe ich untersucht, wie man sichere Schulwege in Zürich automatisch ermitteln kann. Die gesamte Arbeit basiert auf zwei Datenquellen: Street-Level-Bildern und Luftbildern.

Insgesamt wurden über 1.2 Millionen Street-Level-Bilder und Luftbilder mit rund 90 Milliarden Pixeln ausgewertet. Daraus ergaben sich Hinweise zu Zebrastreifen, Trottoirs und Verkehrsschildern. Auf Grundlage dieser Informationen konnte das von mir programmierte Modell sichere Schulwege erkennen. Die Ergebnisse basieren ausschliesslich auf automatisch erkannten Informationen aus den Bilddaten.

Vorgehen

Mein Vorgehen in fünf Schritten

Mein Vorgehen gliedert sich in fünf Hauptschritte – von der Bildsammlung über Objekterkennung und Sicherheitsbewertung bis zur Routenberechnung und Visualisierung.

  1. 01

    Bilder sammeln

    Zuerst habe ich frei verfügbare Bilder aus der Stadt Zürich zusammengetragen – sowohl aus der Strassenperspektive über Mapillary als auch aus der Vogelperspektive mit SWISSIMAGE von swisstopo.

  2. 02

    Objekte erkennen

    Mit Hilfe von KI-Software – konkret Ultralytics – habe ich ein eigenes Modell trainiert. Das Training dauerte rund 48 Stunden auf einem leistungsfähigen Computer. Ziel war es, wichtige Elemente im Strassenraum automatisch zu erkennen, zum Beispiel Zebrastreifen, Trottoirs oder Verkehrsschilder. Damit entstand die Datengrundlage für die spätere Bewertung der Sicherheit von Schulwegen.

  3. 03

    Sicherheitswerte berechnen

    Anschliessend wurde die Schulwegsicherheit auf zwei Arten bewertet: einerseits mit einem von mir programmierten Machine-Learning-Verfahren, das aus Beispieldaten und dem bestehenden Online-Schulwegplan der Stadt Zürich lernte, zwischen sicheren und unsicheren Abschnitten zu unterscheiden; andererseits mit einer regelbasierten Logik, bei der beispielsweise Punktabzüge vergeben werden, wenn ein Zebrastreifen fehlt. So erhielt jeder Abschnitt einen Sicherheitswert, der sowohl für die Routenberechnung als auch für die Beurteilung einzelner Strassen oder Quartiere genutzt werden kann.

  4. 04

    Routen berechnen

    Diese Sicherheitswerte habe ich in einen selbst programmierten Routing-Algorithmus integriert. Dadurch lassen sich Wege finden, die nicht nur kurz, sondern auch möglichst sicher sind. So können Eltern oder Behörden verschiedene Varianten vergleichen – etwa den schnellsten Weg gegenüber dem sichersten Schulweg. Dafür habe ich ein QGIS Plugin programmiert, das ich selbst nutzen kann. Nach Abschluss meiner Masterarbeit plane ich zusätzlich Umsetzungen als ArcGIS Pro Plugin, als Webkarte sowie über eine API.

  5. 05

    Visualisierung

    Zum Schluss habe ich die Ergebnisse auf einer Karte dargestellt und für weitere Anwendungen exportiert. Auf dieser Karte besitzt jeder Strassenabschnitt eine eigene Sicherheitsbewertung von 0 bis 100.

Das Ergebnis ist ein digitales Wegnetz. Eltern, Schulen oder die Stadtverwaltung können damit besser einschätzen, welche Routen für Kinder besonders geeignet sind.

Resultate

Karte, PDF und Routing als zusammenhängendes System

Die drei Ergebnisbereiche zeigen die Webkarte, die kartografische Auswertung als PDF und den Routing-Algorithmus in QGIS.

Interaktive Karte mit Sicherheits-Scores auf Basis von ML und einem regelbasierten Ansatz. Die Darstellung ist ein erster Prototyp und dient der Veranschaulichung der Ergebnisse.

Die Datenbasis umfasst das gesamte Strassennetz der Stadt Zürich und erlaubt eine erste Einschätzung von sichereren und weniger sicheren Strassenabschnitten.

Routing Algorithmus

Aus Sicherheitswerten werden berechenbare Routen

Um die berechneten Sicherheitswerte praktisch nutzbar zu machen, habe ich einen Routing-Algorithmus direkt in QGIS selbst programmiert und zusätzlich eigene Algorithmen entwickelt. Die Kostenfunktion kombiniert die Länge eines Weges mit dem erkannten Sicherheitsfaktor. So lassen sich mehrere mögliche Routen berechnen - kürzeste, sicherste oder ausgewogene Varianten.

Schritt 1: Start- und Endpunkte im QGIS auswählen.
Schritt 1: Start- und Endpunkte im QGIS auswählen.
Schritt 2: Ein QGIS-Skript berechnet die Routen direkt innerhalb von QGIS.
Schritt 2: Ein QGIS-Skript berechnet die Routen direkt innerhalb von QGIS.
Schritt 3: Die berechneten Routen werden geladen und im QGIS visualisiert.
Schritt 3: Die berechneten Routen werden geladen und im QGIS visualisiert.

Präsentation

Stadtpolizei Zürich

Diese Präsentation fasst die wichtigsten Ergebnisse meiner Masterarbeit zusammen und zeigt, wie das entwickelte System in der Praxis eingesetzt werden kann.

Limitationen

Was die Resultate nicht abbilden

Die Ergebnisse basieren ausschliesslich auf automatisch erkannten Informationen aus Street-Level-Bildern und Luftbildern. Andere wichtige Faktoren wie Verkehrsdichte, Unfalldaten oder die Qualität der Infrastruktur wurden nicht berücksichtigt.

Ebenfalls können Bilder zeitlich veraltet sein oder nicht alle Strassenabschnitte abdecken. Die Schulwegsicherheit hängt zudem von subjektiven Faktoren wie Alter, Bedürfnissen oder Risikobereitschaft ab. Deshalb sind die Resultate als wissenschaftlich sauberer, aber klar begrenzter Ansatz zu verstehen - nicht als offizielle Bewertung.

Weitere Impressionen

Zwischenschritte und Detailansichten

Die folgenden Impressionen zeigen die Verknüpfung erkannter Objekte mit dem Strassennetz, die Bewertung der Modelle und grossräumige Karten mit den erkannten Objekten aus SWISSIMAGE und Mapillary.

YOLO Detection Beispiel
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Beispiel einer YOLO-Detektion: Mein Modell erkennt sicherheitsrelevante Objekte wie Zebrastreifen oder Ampeln.

Coverage pro Strassensegment
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Hier erkennt mein Modell die Tramlinien von Zürich sehr deutlich. Diese wurden ausschliesslich anhand der Luftbilder identifiziert.

Verteilung der Modell-Konfidenzen pro Klasse
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Verteilung der Modell-Konfidenzen pro Klasse (Boxplot). Diese Klassen wurden in den Luftbildern von meiner trainierten KI erkannt.

Mapillary Crosswalk Punkte
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Hier sieht man die erkannten Zebrastreifen aus den Street-Level-Bildern, erkannt durch meine trainierte KI.

SWISSIMAGE Detections – Innenstadt Detail
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Übersicht aller erkannten Objekte vom Luftbild in der Stadt Zürich.

SWISSIMAGE Detections – Innenstadt Luftbild
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Hier näher herangezoomt auf die Innenstadt. Es sind viele Klassen erkannt worden.

SWISSIMAGE Detections – Stadt Zürich gesamt
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Detailansicht bei der Sihlbrücke.

Mapillary Crosswalk Raster
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Hier sind die Wahrscheinlichkeiten für Zebrastreifen dargestellt.

Kontakt & Rückmeldung

Die Arbeit ist abgeschlossen - ich freue mich über Rückmeldungen

Wenn Sie Fragen, Anregungen oder Feedback zu meiner Masterarbeit haben, können Sie mich direkt per E-Mail kontaktieren oder sich auf LinkedIn mit mir vernetzen.