Terabytes von Video- und Bildaufnahmen aus der Tiefsee auswerten, alle abgebildeten Lebewesen erkennen und segmentieren – das ist kaum möglich mit dem bloßen ungeschulten Auge und wäre höchst zeitintensiv. Zum Bestimmen der Biodiversität in den Meeren müssen diese Massen an Bildmaterial aber gesichtet und ausgewertet werden. Professor Dr.-Ing. Tim Nattkemper von der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld arbeitet seit mehr als 15 Jahren an KI-basierten Auswertungsplattformen für Unterwasserbilder. Im anlaufenden EU-Projekt „BioProtect“, das den Schutz und die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt in den europäischen Meeren verbessern will, ist die Universität eine von insgesamt 19 kooperierenden Institutionen.
Die Verschmutzung der Meere, Fischerei oder auch der allgemeine Schiffsverkehr schädigen die Ökosysteme, reduzieren die Artenvielfalt in den Meeren und treiben die globale Erwärmung voran. Das internationale Team im Projekt BioProtect verfolgt das Ziel, wirkungsorientierte Lösungen zum Erhalt der biologischen Vielfalt und zur Abmilderung des Klimawandels zu liefern, um die einschlägigen Ziele der EU-Biodiversitätsstrategie für 2030 zu erreichen. Wieweit die menschlichen Aktivitäten diverse Meerestiere gefährden, ist größtenteils noch nicht abschließend verstanden. Die Forschenden erfassen und modellieren diese Stressfaktoren. So können politische Entscheidungsgremien beraten werden, um erfolgsbringende Maßnahmen zum Erhalt der Biodiversität zu beschließen. „Die Unterwasser-Biosphäre ist um ein Vielfaches größer als die Land-Biosphäre“, so Tim Nattkemper. Daher sei es schwierig, zu erfassen, welche Lebewesen in welcher Häufigkeit im Meer vorkommen. Professor Dr.-Ing. Tim Nattkemper und sein Team an der Universität Bielefeld sind an zwei Stellschrauben im Projekt beteiligt: der Datenerfassung und Citizen-Science-Projekten.
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In dem interdisziplinären EU-Projekt werden verschiedene räumliche Maßstäbe und Datenquellen integriert. Das Zusammenbringen und Auswerten aller erhobenen Daten ist eine Herausforderung für das Konsortium mit Wissenschaftler*innen aus acht Ländern. Neben der Erhebung der Environmental DNA (Umwelt-DNA), wobei DNA-Spuren von Bakterien, Fischen und sonstigen Lebewesen im Wasser untersucht werden, spielt die Bildanalyse eine wesentliche Rolle. An fünf verschiedenen Standorten entstehen hunderte Stunden an Videomaterial. Um zu klären, welche Tiere wie oft zu sehen sind, wertet Tim Nattkemper mit seinem Team diese Massen an Bildmaterial mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken aus. Die Künstliche Intelligenz (KI) markiert beispielsweise in den Bildern auffällige Bildausschnitte, die dann von Meeresbiolog*innen analysiert werden können.
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Fünf Standorte von der Arktis bis zu den Azoren im Atlantik
An fünf Demonstrationsstandorten werden Daten mit verschiedenen Schwerpunkten erhoben. An den Azoren liegt der Fokus auf der Erforschung von Lebensgemeinschaften auf dem Meeresboden, sogenannte Benthos). An der Nordküste Portugals geht es um die Folgen der Fischerei. In Irland liegt der Schwerpunkt auf Windkraft und den Auswirkungen von Windkraftanlagen im Wasser. In Island werden invasive Arten und ihr Einfluss auf die heimischen Lebewesen erforscht. „Die invasiven Spezies sind ein großes Problem“, sagt Tim Nattkemper. „Sie gelangen zum Beispiel durch Wassertanks von Schiffen um die halbe Welt und beeinflussen dann die einheimische Fauna.“ In Norwegen geht es um das Verständnis der Vernetzung innerhalb von marinen Lebensgemeinschaften und deren Einflussfaktoren. Auch die Bevölkerung in Küstenregionen soll befragt werden.
Unterwasserbildanalyse mit künstlichen neuronalen Netzwerken
Tim Nattkempers Forschungsschwerpunkt liegt auf der KI-basierten Unterwasserbildanalyse. Die Kamera einer speziellen „Unterwasserdrohne“ der Kooperationspartner (ein sogenannter „ROV“ – Remote Operated Vehicle) nimmt mehrere 100 Meter tief im Wasser Videomaterial auf, das der Bielefelder Bioinformatiker gemeinsam mit einem Postdoc auswerten wird. Die Unterwasserdrohne schwimmt häufig direkt über dem Grund und nimmt in regelmäßigen Abständen Fotos auf. Die meisten der Bilder sind braun oder verrauscht. Nur bei starker Vergrößerung sind einzelne Lebewesen zu erkennen. Die KI sucht die Bilder automatisch ab und kennzeichnet die relevanten Bereiche. Die Zeitersparnis ist enorm.
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Um die verschiedenen Orte auf längere Zeit miteinander vergleichen zu können, erarbeitet Tim Nattkemper im Projekt eine Übersicht, wie häufig, wann und wo, welche Lebewesen gefunden wurden. Hierfür wird ein sogenannter Biodiversitätsindex festgelegt, um langfristig die Qualität des Ökosystems bestimmen zu können. „Nicht alle Lebewesen im Wasser sind schon bekannt“, so der Bioinformatiker. „Wir wissen gar nicht, wie wenig der Tiere und einzelnen Spezies in der Tiefsee wir überhaupt schon kennen.“
Vor etwa sieben Jahren entwickelte Tim Nattkemper eine neue Version seines Online Systems BIIGLE. Diese Online-Plattform hat etwa 3.000 Nutzer*innen weltweit, vor allem Meeresbiolog*innen. BIIGLE ist ein Bilddatenbanksystem, das es Biodiversitätsforscher*innen erleichtert, ihre Bilder und Videos gemeinsam auszuwerten und dafür auch mehrere KI-basierte Werkzeuge anbietet. Der Professor erklärt: „Die Nutzer*innen laden ihre Fotos und Video hoch und können diese dann bequem manuell beschriften oder sie mit Kolleg*innen teilen.“
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KI mit wenig annotierten Daten trainieren
Tim Nattkemper trainiert die jeweilige KI mit bestimmten Trainingsdaten, um ein künstliches neuronales Netz zu entwickeln. Eine besondere Herausforderung ist die Datengrundlage, denn im Vergleich mit anderen Algorithmen, wie in den sozialen Medien, gibt es nur wenig gekennzeichnete Daten. Nur geschulte Meeresbiolog*innen können bestimmen, was genau auf den Bildern zu erkennen ist. Das heißt, dass die KI mit sehr wenig annotierten Daten trainiert werden muss. „Zuerst werden der KI also nicht gelabelte Bilder gezeigt und spielerische Aufgaben gegeben“, erklärt Tim Nattkemper. „Diese Aufgabe soll sie mit den nicht gelabelten Bildern lösen, zum Beispiel gelöschte Teilbilder neu und ‚sinnvoll‘ auszufüllen.“ Dadurch lernt die KI viel über diesen Bildbereich. Erst dann kommen auch gelabelte Daten hinzu. „Die Algorithmen für selbstüberwachtes Lernen, mit denen wir arbeiten, trainieren wir meist speziell auf eine Aufgabe hin“, erklärt Tim Nattkemper. Auch für das EU-Projekt wird er künstliche neuronale Netze zur Datenauswertung trainieren und voraussichtlich die BIIGLE-Software nutzen.
Wie der Informatiker zur Unterwasserbildauswertung kam
Tim Nattkemper arbeitet seit 2008 an der Anwendung von KI-Algorithmenverfahren zur Auswertung von Unterwasserbilderdaten. „Ich habe mich schon als Kind immer für andere Welten interessiert, entweder den Weltraum oder die Meere“, erinnert sich Nattkemper. Mit der Digitalisierung der Unterwasser-Fotografie veränderte sich die Anwendung von Kameras im Unterwasserbereich schlagartig und es kam zu einem rasanten Anstieg von Bildmaterial, das verarbeitet werden musste. Der damalige Hobbytaucher fand hier seine Nische als Informatiker und begann mit dem Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen zur Unterwasserbildanalyse.
Für das Thema Biodiversität im Meer sensibilisieren
„Es ist nicht so einfach, die Öffentlichkeit für Biodiversitätsfragen zu interessieren“, sagt Tim Nattkemper. „Klimawandel, Klimaerwärmung und Wetter sind für die meisten greifbarer als das Aussterben von irgendwelchen Käfern.“ Zum Schutz der Artenvielfalt in den Meeren sei es unabdingbar, die Bevölkerung für dieses Thema zu sensibilisieren. Daher sind Citizen-Science-Projekte, also Projekte, in denen die Bürger*innen eingezogen werden, ein wichtiger Bestandteil des EU-Projekts. Tim Nattkemper hofft, damit an die Ergebnisse eines Projekts anzuknüpfen, das über das EU-Programm Erasmus+ gefördert wurde: Mit vier weiteren Institutionen, koordiniert von einer kleinen Organisation namens InterChange, hat Tim Nattkemper im Projekt „Into The Deep“ die Citizen-Science-Software „BIIGLE.party“ entwickelt. Die Arbeit mit der Plattform ist anonym und somit könnte diese auch in Zukunft auch in Schulen eingesetzt werden. Um zum Mitmachen zu motivieren hat die Plattform Gamification-Funktionen, motiviert also mit spieltypischen Elementen zur Nutzung. „Die Teilnehmer*innen bekommen echte Bilder, zum Beispiel aus einem Observatorium vor Barcelona vorgelegt, und sollen bestimmte Aufgabe lösen, wie drei Sorten von Fischen erkennen und richtig zuordnen“, sagt Tim Nattkemper. „Das Feedback, das wir erhalten haben, war großartig. Das neue Tool funktioniert reibungslos und die Teilnehmer*innen machen begeistert mit.“ Er wird solche Citizen-Science-Aktionen auch im neuen EU-Projekt anbieten. In einer angepassten „BIIGLE.party“-Version können beispielsweise die Bilder, die auf den Azoren entstehen, ausgewertet werden.
Hintergrund des EU-Projekts „BioProtect“
18 Kooperationspartner, darunter die Universität Bielefeld, bündeln ihre Kompetenzen im Projekt „BioProtect“ (Kennziffer: 101157341). Das Projekt läuft insgesamt über vier Jahre. Die Projektleitung liegt in Island beim Institut Matís aus Reykjavik. BioProtect soll einen innovativen Rahmen für die Entscheidungsunterstützung beim gebietsbezogenen Management erarbeiten. Dazu gehören Methoden und der Aufbau von Kapazitäten zur Einbindung lokaler Interessengruppen, zur Überwachung und Vorhersage von Veränderungen der biologischen Vielfalt im Meer, zur Kartierung menschlicher Belastungen, zur Festlegung von Prioritäten für Schutz- und Wiederherstellungsmaßnahmen und zur Messung der ökologischen und sozioökonomischen Auswirkungen von Erhaltungsmaßnahmen. „Was-wäre-wenn“-Szenarien werden geprüft und bewertet, einschließlich Klimawandel, Schutz- und Nutzungsstrategien und deren ökologische und sozioökonomische Auswirkungen. Das Konsortium arbeitet interdisziplinär und verfügt über bereichsübergreifende Fachkenntnisse. Es wird auf bestehende Forschungen und Innovationen im atlantischen und arktischen Becken aufgebaut.
