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Datenmaterial und Informationsgewinnung zum Verlauf der Artenvielfalt

Die Artenvielfalt von Insekten, Vögeln und Säugetieren nimmt immer weiter ab. Dieser Trend spiegelt sich in ähnlichem Ausmaß auch in der Pflanzenwelt, insbesondere in der Agrarlandschaft, wider. Doch während Klimaforscher seit Jahrzehnten Daten über die Klimaentwicklung sammeln und somit in der Lage sind, Veränderungen nachzuweisen und Prognosen zu erstellen, fehlt vergleichbares Datenmaterial zur Biodiversität der Erde. Bislang gibt es kein breit angelegtes und automatisiertes Monitoringprogramm und auch die dafür erforderlichen technischen Voraussetzungen und Infrastrukturen liegen nicht vor. In der öffentlichen Wahrnehmung bleibt das Thema daher abstrakt. Um ihm die dringend gebotene Aufmerksamkeit zu verschaffen, braucht es verlässliche Zahlen und Schlussfolgerungen. Solche gibt es bislang jedoch entweder gar nicht oder nur räumlich punktuell, was ihre Aussagekraft schmälert. Experten sind sich einig, dass das Ausmaß des Problems nur mithilfe einer fundierten Datengrundlage zu Status quo und Entwicklung der Biosphäre verstanden werden kann.

Automated Multisensor Stations for Monitoring of BioDiversity (AMMOD)

Ziel des BMBF-geförderten Projekts AMMOD ist die Erfassung der Artenvielfalt in Deutschland. Hierfür sollen bundesweit Stationen zur automatisierten Beobachtung der Fauna und Flora aufgebaut werden. Vorbild sind die automatisch arbeitenden Wetterstationen in Deutschland.
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Ergebnisanzeige einer 24-Stunden Erfassung der Anzahl detektierter Laute nordamerikanischer Zwergdrosseln.

Mit AMMOD haben 17 Universitäten und Institutionen unter der Leitung des Museum Königs Bonn, der Teilnahme des Fraunhofer FKIE und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ein groß angelegtes Entwicklungsprojekt für Deutschland gestartet, das die kontinuierliche Erfassung von Artenvielfalt mittels automatisierter Prozesse zum Ziel hat. Hierzu sollen bundesweit Stationen aufgebaut werden, die Fauna und Flora automatisiert beobachten. Vorbild dafür sind die automatisch arbeitenden Wetterstationen in Deutschland, die mit einer Vielzahl einzelner Systeme – vom Windmesser bis zum Niederschlagszähler – Daten für die meteorologische Forschung sammeln.

Für die »Wetterstationen für Artenvielfalt« sind neben bestehenden Technologien auch neue Beobachtungs- und Analysesysteme erforderlich, die im Rahmen des Projekts entwickelt und getestet werden, wie zum Beispiel spezielle Kameras und Mikrofone zur visuellen und akustischen Umgebungserfassung. Angedacht ist weiterhin, dass Skyscanner den Himmel beobachen, Multisammler Pollen, Sporen und Insekten aufnehmen und Analysatoren Duftstoffe detektieren. Im Zusammenspiel sollen diese Sensoren so eine gleichzeitige und standardisierte Datenerhebung an vielen Orten ermöglichen und damit eine zeitnahe Bewertung von Status quo und Entwicklung der Biosphäre. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine gewährleistete Vergleichbarkeit der Datensätze.

Das Fraunhofer FKIE unterstützt das Projekt mit der Entwicklung von Analysetools, die die gesammelten Daten zusammenführen und auswerten. Methoden der künstlichen Intelligenz zur Sensordatenfusion und der Integration von Geo-Informationen helfen dabei, das Vorkommen und die Populationsgrößen der verschiedenen Tier- und Pflanzenarten zu bestimmen. Experten der akustischen Detektion und Klassifikation tragen durch innovative Verfahren der Arraysignalverarbeitung und KI zur Auswertung von Mikrofondaten bei.

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Im Rahmen des Projekts AMMOD werden Sensorstationen entwickelt, die an die automatisch arbeitenden Wetterstationen in Deutschland angelehnt sind. Die AMMOD-Stationen sollen mit Kameras, Mikrofonen, Skyscannern, Multisammlern und Analysatoren ausgestattet sein und ein Permanent-Monitoring der Biosphäre sicherstellen. Ziel ist die Berechnung einer fundierten Abundanz-Schätzung. Die ist jedoch gar nicht so einfach, schließlich können weder der Experte bei seiner Beobachtung und statistischen Analyse, noch die Sensoren beurteilen, ob es sich bei einem gesichteten Tier um ein bereits gezähltes oder tatsächlich neues und damit für die Zählung neu relevantes Exemplar handelt.
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Zu der Problematik der Wiederkehr der Exemplare kommen weitere Uneindeutigkeiten von Sensordetektionen hinzu: So kann es sich bei einer Detektion beispielsweise auch um eine Falsch-Meldung oder eine Falsch-Klassifikation, d. h. Zuordnung zu einer falschen Tierart, handeln.
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KI-Methoden der Sensordatenfusion, der Klassifikation und der Integration von Geoinformation unterstützen daher bei der Schätzung der Artenvorkommen und sorgen dafür, dass solche Detektionen aussortiert werden und nicht in die Berechnung einfließen.

Die Bestimmung der Population einer Tierart für ein bestimmtes Habitat (Abundanz) ist meistens eine große Herausforderung für Mensch und Technik. Experten sind sehr gut darin, Tierarten zu bestimmen und ihre Anzahl zu zählen oder zu schätzen. Mit diesem Vorgehen verbunden sind jedoch zeitliche und örtliche Begrenzungen, die eine kontinuierliche Analyse der dynamischen Entwicklung der Populationen nur eingeschränkt erlauben.

Sensoren hingegen können vielfach und permanent eingesetzt werden. Allerdings können sie nicht ad-hoc dasselbe Niveau an Information zur Verfügung stellen: Die von ihnen gesammelten Daten sind zunächst fehlerhaft, unvollständig und teilweise widersprüchlich. Die Interpretation von Sensordetektionen ist zudem nicht eindeutig.

Eine Detektionsmeldung kann

  • eine Falschmessung,
  • eine Detektion mit falscher Klassifikation (Zuordnung zu falscher Tierart),
  • eine richtige Messung mit korrekter Klassifikation (True Positive, Population: +1) oder
  • eine richtige Messung mit korrekter Klassifikation sein, das Individuum wurde jedoch bereits gesichtet und gezählt (Population: +0).

In AMMOD werden probabilistische Methoden der Sensordatenfusion untersucht. Ziel ist es, die verschiedenen oben aufgeführten Interpretationen von Detektionen stochastisch zu modellieren. Dies soll zu einer berechneten Schätzung der Arten-Abundanz führen. Diese Schätzung ist nie perfekt, jedoch erlauben die Verfahren der Bayes’schen Statistik die Integration von Hintergrund- und Kontextwissen und ermöglichen damit eine präzise Modellierung des Wissens über die Population und ihren Lebensraum und damit eine Berechnung eines Erwartungswerts, der auf diesem Wissen beruht.

Die AMMOD-Stationen basieren methodisch auf Algorithmen zur raum-zeitlichen Verfolgung von Objekten, dem sog. Objekttracking. Hierbei werden die Anzahl der Objekte im »Sichtfeld« des Sensors und der »Zustand« jedes Objekts (z. B. Position und Kinematik) geschätzt. Da die räumliche Auflösung der Sensoren in den meisten Fällen nicht für eine präzise Bestimmung der Trajektorien einzelner Individuen ausreicht, kommen bei AMMOD stochastische Bewegungsmodelle zum Einsatz. Sie zielen auf die Populationsschätzung ab.

Das Sensormodell hingegen beschreibt das Verhalten des Sensors mit stochastischen Mitteln, sodass hier Werte zur Detektionswahrscheinlichkeit oder Falschalarmrate einbezogen werden. Im Zusammenwirken von Sensor- und Bewegungsmodell kann iterativ ein Schätzwert der Population berechnet werden, in den verschiedene Interpretationen der Daten sowie Wissen über das Verhalten der Tierart einbezogen wurden.

Geoinformationssysteme (GIS) ermöglichen es darüber hinaus, zusätzliches Kontextwissen für die Sensordatenfusion zu integrieren, da sie Information – z. B. zu Bebauung, Vegetation, Wasservorkommen oder Terrainbeschaffenheit – bieten, die georeferenziert abgerufen werden können. Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Mehrdeutigkeiten in der Dateninterpretation können derartige Hintergrunddaten die Aussagekraft der Ergebnisse verbessern. In AMMOD soll daher auch untersucht werden, inwieweit diese Daten formalisiert und in den Prozess der iterativen Schätzungsberechnung integriert werden können.

Die fest installierten AMMOD-Stationen werden in den kommenden Jahren erstmals einen Langzeitüberblick über den Status und die Entwicklung der Artenvielfalt an ausgewählten Standorten in Deutschland ermöglichen. Als Teil eines umfassenden Monitoring-Netzwerks können sie signifikant dazu beitragen, Trends und Schwankungen in der Biosphäre zu erkennen.

Gezielte Experimente im Rahmen des Projekts sollen weiterhin dazu beitragen, Ursache und Konsequenzen von Umweltveränderungen zu verstehen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in konkrete Strategien zum Erhalt der Biodiversität einfließen.

Monitoring von Biodiversität

Vortrag von Prof. Dr. J. Wolfgang Wägele, Direktor des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig, Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere (AMMOD-Projektleitung), anlässlich des Tags der Insekten am 30. März 2017, Bielefeld

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