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A Holistic Opto-Acoustic System for Monitoring Marine Biodiversities

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Innovatives Unterwassergerät zur Überwachung von Fischbeständen

Die genaue Messung der Fischbestände erwies sich im Rahmen des Projekts SYMBIOSIS als hochkomplexes Unterfangen und brachte das Forschungsteam hinsichtlich der Tauchfähigkeiten sowie der Unterwassertechnik an die Grenzen des Machbaren. Glücklicherweise ergaben sich aus der Hightech-Lösung vielversprechende Ergebnisse.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

In den letzten Jahren waren die weltweiten Fischbestände einer Reihe von Belastungen ausgesetzt. Dazu zählen die Überfischung durch die Fischereiindustrie, der Verlust von Lebensräumen und die Verschmutzung. In einigen Meeresökosystemen sind wichtige Arten inzwischen gefährdet und können daher ihre ökologische Rolle nicht mehr einnehmen. Leider mangelt es den Behörden an genauen Biomassedaten zu den aktuellen Beständen sowie an technischen Instrumenten zu deren Überwachung. Dies erschwert die Planung angemessener Reaktionen. Das EU-finanzierte Projekt SYMBIOSIS entwickelte ein System für die langfristige Überwachung der Artenvielfalt von Fischen, wobei ein Prototyp in drei küstenfernen und küstennahen Umgebungen zum Einsatz kam. Im Rahmen des Projekts wurde die Biomasse von mehr als 10 000 Fischen erfasst und ausgewertet, darunter 2 000 Fische der sechs Arten, die als Indikatoren für die Artenvielfalt ausgewählt wurden. „SYMBIOSIS liefert aktuelle Informationen über die wichtigsten Fischbestände. Diese ermöglichen es den Behörden, evidenzbasierte Entscheidungen zu treffen und Gesetze zu erlassen, beispielsweise bezüglich der Verhängung von Fischereiverboten“, beobachtet Projektkoordinator Roee Diamant von der Universität Haifa, dem Projektträger. „Unsere Innovation könnte auch als ökologisches Forschungsinstrument dienen, zum Beispiel für die Untersuchung des Fischverhaltens.“ Die Projektergebnisse wurden bereits in einer Reihe von Fachzeitschriften veröffentlicht.

Verfolgung und Detektion

Das SYMBIOSIS-System detektiert, klassifiziert und schätzt die Biomasse von sechs wichtigen Fischarten: Weißer Thun, Goldmakrele, Schwertfisch, Atlantische Makrele, Mittelmeer-Bastardmakrele und Bernsteinmakrele. Diese wurden nach sozialen und ökologischen Kriterien ausgewählt, z. B. nach ihrer kommerziellen Bedeutung und Verfügbarkeit in den untersuchten Gebieten. Zusätzliche Überlegungen betrafen die Berücksichtigung einer Vielzahl von Körpergrößen und -typen, Schwimmgeschwindigkeiten und Schwarmverhalten. Die optisch-akustische Einzellösung von SYMBIOSIS arbeitet autonom. Dank eines Designs, das auf einer Reihe von progressiven Schritten basiert, verfügt sie bis zu drei Monate über Energie. In regelmäßigen Abständen sendet das System ein kurzes, schmalbandiges akustisches Unterwassersignal aus. Die Signalverarbeitung und ein neuronales Netzwerk können Echowellen auffangen, welche auf mögliche bewegliche Ziele schließen lassen. Die Erkennung eines Ziels führt zur anschließenden Aussendung von zwanzig breitbandigen Signalen, deren Echos mittels einer Kombination aus dynamischer Programmierung und maschinellen Lernverfahren analysiert werden. Innerhalb eines Erkennungsradius von bis zu 500 m überprüfen diese Instrumente, ob es sich bei dem beweglichen Ziel um einen Fisch handelt, berechnen seine Größe und schätzen seinen Standort sowie seinen Weg. Sobald sich die Ziele auf die SYMBIOSIS-Verankerung zubewegen, werden mehrere Kameras und Blitzlichter ausgelöst, um Bilder zu sammeln, die für die Erkennung und Klassifizierung durch neuronale Netzwerke benötigt werden. Die Informationen über Anzahl, Größe und Fischart werden sodann komprimiert und über eine Kombination aus Akustik- und Funkverbindungen an Land gesendet. In über 50 See-Experimenten wurde jede Systemkomponente separat getestet. Jeder Prototyp wurde zehn Seeversuchen unterzogen, bevor er an drei Testorten zum Einsatz kam: Einen Monat unter einer Oberflächenboje, in 125 m Tiefe in Küstengewässern des Mittelmeers; zwei Tage in 1 400 m tiefem Wasser an einem küstenfernen Standort im Mittelmeer und zwei Wochen im flachen Gewässer in einem Riff im Roten Meer. Während SYMBIOSIS die meisten seiner Ziele erreichte, gelang es nicht, Fische anhand ihrer akustischen Signatur zu klassifizieren. Das Team baut zu diesem Zweck nun eine größere Datenbank mit akustischen Signalen verschiedener Fischarten auf. Zusammen mit der Anwendung neuer Algorithmen kann so eine größere Artenvielfalt miteinbezogen werden. „Immerhin haben diese Experimente gezeigt, dass das System Potenzial für die Erkennungsgenauigkeit besitzt und in der Lage ist, über lange Zeiträume autonom zu arbeiten“, erklärt Diamant.

Modularer Aufbau

Das SYMBIOSIS-System ist modular aufgebaut, um Flexibilität und Anpassungen zu ermöglichen. Von Evologics entwickelte hydroakustische Komponenten, wie z. B. ein akustisches Positionierungssystem mit ultrakurzer Basislinie, werden nun kommerziell produziert. Während die optischen Komponenten noch weiterentwickelt werden, sind Demonstrationen und Verkäufe bereits im Gange. Zugunsten einer besseren Marktfähigkeit wird das System verkleinert. Weitere geplante Optimierungen sollen eine bessere Energieeffizienz und leistungsfähigere neuronale Netzwerke umfassen.

Schlüsselbegriffe

SYMBIOSIS, Fisch, akustisch, maschinelles Lernen, Mittelmeer, Bestände, Fischerei, Lebensraum, Verschmutzung, Kamera, Signal

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