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Quecke oder Weidelgras? Gräser gelten als schwer zu bestimmende Arten. Die Quecke (Agropyron repens) wird in Gärten gefürchtet und bekämpft. Das Weidelgras (Lolium perenne) hingegen ist Grundlage vieler Rasenmischungen und ein wertvolles Futtergras. Nur welches ist welches?

In unserer gerade erschienenen Publikation haben wir untersucht ob sich Gräser trotz ihrer großen Ähnlichkeit automatisch erkennen und unterscheiden lassen. Dabei wollten wir wissen welche Perspektiven sich eignen und ob das sogar ohne Blüte möglich ist. Wir haben 31 Arten untersucht und dabei Aufnahmen des Blütenstandes, der Blätter und des Blatthäutchens verwendet. Dabei zeigte sich, dass eine Kombination verschiedener Perspektiven das Ergebnis verbessert. Der Blütenstand lieferte dabei die meiste Information. Sind keine Blüten vorhanden so sind Bilder des Blatthäutchens aus Richtung des Blattes am besten geeignet um die Grasarten zu unterschieden. Alle Bilder wurden mit verschiedenen Smartphones angefertigt.

 

Was lernen wir daraus für Flora Incognita? Auch schwierigere Gruppen lassen sich gut automatisch bestimmen, vorausgesetzt man fotografiert die richtigen Pflanzenteile. Diese neu gewonnenen Erkenntnisse werden in die Weiterentwicklung unserer App einfließen. In unserem Experiment erreichten wir für die 31 Arten eine Genauigkeit von > 96%.  Dabei haben wir auch viele Trainingsbilder gewonnen, die der Verlässlichkeit der Flora Incognita App bei Gräsern zukünftig deutlich verbessern werden.

 

 

 

Publikation

Rzanny M, Wittich HC, Mäder P, Deggelmann A, Boho D & Wäldchen J (2022) Image-Based Automated Recognition of 31 Poaceae Species: The Most Relevant Perspectives. Front. Plant Sci. 12:804140. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.804140

 

 

 

 

Smartphone-Apps zur Pflanzenbestimmung wie „Flora Incognita“ können nicht nur Pflanzenarten erkennen, sie erfassen auch großräumige ökologische Muster. Diese Muster stimmen mit Langzeit-Kartierungen der deutschen Flora erstaunlich gut überein, obwohl sie in kürzester Zeit gewonnen wurden und stark vom Verhalten der App-Nutzer beeinflusst werden. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für die schnelle Erfassung von Veränderungen der Biodiversität. Das sind die wesentlichen Erkenntnisse einer Studie, die von einem Forscherteam aus Mitteldeutschland durchgeführt und in der Zeitschrift Ecography veröffentlicht wurde.

Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz können Pflanzenarten heute mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Smartphone-Apps nutzen diese Technologie, um eine unkomplizierte Bestimmung von Pflanzen vor Ort zu ermöglichen. Auch Laien können sich so schnell einen Zugang zur biologischen Vielfalt (Biodiversität) verschaffen. Doch vor dem Hintergrund von Klimawandel, dem Verlust von Lebensräumen und veränderter Landnutzung könnten solche Applikationen noch einen weiteren Nutzen haben: Durch die Erfassung der Standorte der Pflanzenarten entstehen wertvolle Datensätze, die Forschenden Aufschluss darüber geben können, wie sich verschiedene Umweltbedingungen verändern.

Doch wie zuverlässig sind die so gesammelten Informationen – und können sie es mit langfristig angelegten Datensätzen aufnehmen? Genau dieser Frage ist ein Forschungsteam des Deutschen Zentrums für Biodiversitätsforschung (iDiv), des Remote Sensing Center for Earth System Research (RSC4Earth) der Universität Leipzig (UL) und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (MPI-BGC) und der Technischen Universität Ilmenau gemeinsam nachgegangen. Das Team untersuchte Daten, die zwischen 2018 und 2019 mithilfe der App „Flora Incognita“ in Deutschland erfasst wurden und verglich diese mit der Datenbank FlorKart des Bundesamtes für Naturschutz (BfN). Dabei handelt es sich um eine herkömmliche Langzeit-Kartierung, die mit der Unterstützung von über 5000 Pflanzenexperten über einen Zeitraum von über 70 Jahren erstellt wurde.

App erlaubt Rückschlüsse auf ökologische Muster in Deutschland

Die Forschenden konnten zeigen, dass sich mit den Daten, die in nur zwei Jahren mithilfe der App „Flora Incognita“ gewonnen wurden, ökologische Muster in Deutschland ableiten lassen, die mit einer langfristigen Kartierung der Flora Deutschlands vergleichbar sind. Die Daten spiegelten damit auch wider, welchen Einfluss verschiedene Umweltfaktoren auf die Verbreitung verschiedener Pflanzenarten haben.

Ein direkter Vergleich der beiden Datensätze zeigte jedoch auch, dass die Datensätze aus der App insbesondere dort von denen der herkömmlichen Langzeit-Kartierung abwichen, wo eine geringere Bevölkerungsdichte vorliegt. „Wie viele Daten in einer bestimmten Region mit einer App gesammelt werden, ist natürlich stark davon abhängig, wie viele Smartphone-Nutzende es dort gibt“, sagt Dr. Jana Wäldchen vom MPI-BGC, Mitautorin der Studie und Mitentwicklerin der App. In ländlichen Regionen waren die Abweichungen daher stärker – es sei denn, es handelte sich um beliebte touristische Ziele, wie beispielsweise an der Zugspitze oder auf der Nordsee-Insel Amrum.

Auch die Interessen der Nutzerinnen und Nutzer haben einen Einfluss auf die erfassten Pflanzenarten. „Die mit der App gesammelten Pflanzenobservationen geben das wieder, was die Menschen in der Natur sehen und wofür sie sich interessieren”, sagt Wäldchen. So werden häufige und auffällige Arten öfter bestimmt als die seltenen und unauffälligen Arten. Trotz solcher Besonderheiten hilft die schiere Menge der gesammelten Pflanzenbeobachtungen, bekannte biogeographische Muster zu rekonstruieren. Für ihre Studie konnten die Forschenden auf mehr als 900.000 Observationsdaten zurückgreifen, die während der ersten beiden Jahre seit dem Erscheinen der App entstanden sind.

Automatische Arterkennung birgt große Potentiale

Die Studie zeigt das Potential dieser Art von Datenerfassung für die Biodiversitäts- und Umweltforschung, die schon bald in Strategien zur Langzeit-Kartierung integriert werden könnte. „Wir sind überzeugt, dass die automatische Arterkennung in Zukunft noch viel größere Potentiale hat als bisher angenommen und eine schnelle Erfassung von Änderungen der Biodiversität ermöglichen könnte“, sagt Prof. Miguel Mahecha von der Universität Leipzig, Erstautor und Mitglied des iDiv. Mit einer steigenden Nutzerzahl von Apps wie „Flora Incognita“ könnten Veränderungen der Ökosysteme weltweit in Echtzeit erfasst und analysiert werden.

Die App „Flora Incognita“ wurde gemeinsam von den Gruppen von Dr. Wäldchen am MPI-BGC und von Prof. Patrick Mäder an der TU Ilmenau entwickelt. Sie ist die erste in Deutschland angewandte App zur Pflanzenbestimmung, die tiefe künstliche neuronale Netze (Deep Learning) in diesem Kontext nutzt. Trainiert mit Tausenden von Pflanzenbildern, die von Experten bestimmt wurden, erkennt „Flora Incognita“ mittlerweile über 4800 Pflanzenarten weit über die Landesgrenzen hinaus.

„Bei der Entwicklung von Flora Incognita haben wir festgestellt, dass es einen großen Bedarf und ein großes Interesse an besseren Technologien zur Erfassung von Biodiversitätsdaten gibt. Für uns als Informatiker ist es erfreulich zu sehen, dass die von uns entwickelten Technologien einen wichtigen Beitrag zur Biodiversitätsforschung leisten”, sagt Co-Autor Prof. Patrick Mäder von der TU Ilmenau.

(Kati Kietzmann, iDiv)

Originalpublikation

Miguel D. Mahecha, Michael Rzanny, Guido Kraemer, Patrick Mäder, Marco Seeland, Jana Wäldchen (2021). Crowd-sourced plant occurrence data provide a reliable description of macroecological gradients. Ecography, DOI: 10.1111/ecog.0549