In ihrer Dissertation entwickelte Stefanie Penzel neue Methoden zur Modellierung von Messunsicherheiten und unscharfen Klassifikation, um die Zuverlässigkeit der optischen Vor-Ort-Analytik und die Bewertung der Wasserqualität zu verbessern.
Am 14. September 2026 verteidigte Stefanie Penzel ihre Dissertation mit dem Titel „Modellierung von Messunsicherheiten mit datengestütztem Einsatz unscharfer Methoden für ein optimiertes Wassermonitoring in der Vor-Ort-Analytik“ erfolgreich. Das kooperative Promotionsverfahren erfolgte in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz, der HTWK Leipzig und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig.
Die Dissertation
Angesichts des Klimawandels, der Umweltverschmutzung und weiterer anthropogener Einflüsse gewinnt die zuverlässige Überwachung der Gewässerqualität zunehmend an Bedeutung. Optische Vor-Ort-Analysesysteme ermöglichen eine zeitnahe Bewertung der Wasserqualität direkt am Gewässer, ohne dass aufwendige Probentransporte und Laboranalysen erforderlich sind. Allerdings können Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen, Trübungen oder interferierende Substanzen die Messdaten beeinflussen und die Zuverlässigkeit der Analyse einschränken. In ihrer Dissertation untersuchte Stefanie Penzel, wie sich diese Messunsicherheiten systematisch erfassen, mathematisch modellieren und bei der Auswertung berücksichtigen lassen, um die Aussagekraft optischer Messverfahren zu verbessern und eine belastbare Grundlage für ein optimiertes Wassermonitoring zu schaffen.
Forschung für ein zuverlässigeres Wassermonitoring
Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Sensorsystem, das die UV/Vis- und die Fluoreszenzspektroskopie kombiniert und in eine Tauchsonde integriert ist. Mithilfe speziell entwickelter Algorithmen zur Temperaturkorrektur, spektralen Filterung und Trübungskompensation konnte die Qualität der Messdaten deutlich verbessert werden. So konnte beispielsweise der Fehler bei der Auswertung der Fluoreszenzspektren durch die Temperaturkorrektur von 71,68 µg/l auf 4,37 µg/l reduziert werden. Bei den UV/Vis-Spektren minimierte sich der entsprechende Fehler durch die Trübungskompensation von 0,5935 mg/l auf 0,0218 mg/l.
Auf dieser Grundlage entwickelte Penzel einen systematischen Ansatz zur Merkmalsextraktion, der das gesamte Spektrum berücksichtigt. Mithilfe eines iterativen Gauß-Ansatzes werden charakteristische spektrale Eigenschaften identifiziert, die sowohl der Substanzidentifikation als auch der Konzentrationsbestimmung dienen. Die daraus abgeleiteten Merkmale bilden zugleich die Grundlage für die systematische Ermittlung der Messunsicherheiten nach dem internationalen Leitfaden „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ (GUM).
Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit lag auf der mathematischen Weiterentwicklung des Fuzzy-Pattern-Klassifikators. Dessen Modellstruktur wurde so erweitert, dass die zuvor ermittelten Messunsicherheiten nicht nur bei der Modellbildung, sondern auch bei der Klassifikation unbekannter Messobjekte berücksichtigt werden. Durch die Verknüpfung spektraler Merkmalsextraktion, quantifizierter Messunsicherheiten und unscharfer Klassifikation lassen sich auch unter variierenden Messbedingungen zuverlässigere Aussagen zur Identität und Konzentration von Substanzen treffen. Abschließend wurde das Gesamtkonzept zur Detektion potenziell schädlicher Algen erweitert und an realen Gewässern im Raum Leipzig erprobt. Dabei konnte unter anderem ein Gewässer mit Cyanobakterienbefall erfolgreich identifiziert werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus Messunsicherheitsmodellierung, datenbasierter Vorverarbeitung und unscharfer Klassifikation die Zuverlässigkeit der optischen Wasseranalytik deutlich verbessern kann und eine Grundlage für ein präziseres Wassermonitoring schafft. Eine Weiterführung der Forschungsarbeiten ist im Rahmen eines geplanten Forschungsaufenthalts am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA vorgesehen. Dort wird Stefanie Penzel die Modellierung von Messunsicherheiten im Environmental Monitoring vertiefen.
Gratulation
Die Fakultät Ingenieurwissenschaften gratuliert Stefanie Penzel herzlich zum erfolgreichen Abschluss der Dissertation und wünscht ihr alles Gute sowie viel Erfolg für den weiteren Berufs- und Lebensweg.
