Globaler Biodiversitäsverlust und die Bedeutung von Biodiversitätsmonitoring

Neben dem Klimawandel stellt der Verlust der biologischen Vielfalt eine der größten Bedrohungen für die Menschheit dar. Das Verschwinden von Arten hat starke Konsequenzen für die Funktionen und Stabilität unserer Ökosysteme. Pflanzen bilden die Grundlage der allermeisten terrestrischen Nahrungsnetze und es ist bekannt, dass Veränderungen in der Pflanzenzusammensetzung das gesamte Ökosystem mit dessen Funktionen beeinflussen.  Sterben lokal Arten aus oder wandern neue Arten ein, wirkt sich das kaskadenartig auf die übrigen Arten im betroffenen Ökosystem aus. Um derartige Veränderungen rechtzeitig zu erkennen ist ein umfassendes Monitoring der pflanzlichen Biodiversität eine zentrale Forderung des Artenschutzes.

Artenkenntnis in der Bevölkerung nimmt dramatisch ab

„Man liebt nur, was man kennt, und man schützt nur, was man liebt.“

-C. Lorenz

Naturschutzverbände und Wissenschaftler*innen beklagen mangelnden Artenkenntnisse in unserer Gesellschaft seit Jahren und dass sogar bei ausgebildeten Biolog*innen. Immer weniger Menschen können heute eine größere Zahl von Arten sicher erkennen und ihr Vorkommen in einen ökologischen Zusammenhang stellen – besonders heimische Wildkräuter sind für Laien schwer zu unterscheiden. Pflanzen bilden für das ungeübte Auge eine einheitliche grüne Masse. Selbst eine „Blumenwiese“ wird von vielen Menschen nur als „Gras“ wahrgenommen.

Diese Entwicklung ist für Naturschutz und Landnutzung prekär. Denn mit schwindenden Kenntnissen über Tiere, Pflanzen und ökologische Zusammenhänge nimmt auch die Bereitschaft in der Bevölkerung ab, sich für Natur- und Umweltschutzbelange einzusetzen. Wie soll man für den Schutz der Artenvielfalt werben, wenn diese der Bevölkerung praktisch nicht bekannt ist? Gleichzeitig wird die fortlaufende Inventarisierung von Flora und Fauna, welche die Basis für Schutz-, Pflege- und Entwicklungsmaßnahmen bildet, zunehmend erschwert, und dies in einer Zeit, in welcher der Bedarf an gut ausgebildeten Artenkenner*innen steigt.

Zunahme digitaler Medien und künstlicher Intelligenz im Alltag vieler Menschen

In der Bevölkerung und insbesondere bei Kindern und Jugendlichen steigt  seit Jahren das Interesse für digitale Medien. Diese sind aus dem Leben vieler Menschen nicht mehr wegzudenken. Seit der Einführung von Apples iPhone im Jahr 2007 sind Smartphones für viele Anwender*innen ständiger Begleiter und unverzichtbares Hilfsmittel geworden. Gleichzeitig verzeichnen wir eine rasante technische Entwicklung im Bereich der des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz.  Diese technischen Entwicklungen beeinflussen bereits heute schon unsere Art zu Lernen und sich Wissen anzueignen.

Die Flora Incognita App revolutioniert die Pflanzenbestimmung

An dieser Stelle knüpfte das Flora Incognita Projekt an. Im Rahmen des Projektes wurde ein Verfahren zur interaktiven, automatischen Pflanzenbestimmung mit Smartphones entwickelt. Die konsequente Nutzung neuester Ansätze des maschinellen Lernens in Kombination mit der weitreichende Verfügbarkeit von mobilen Endgeräten wie Smartphones und Tablets machen es möglich, die Bestimmung von Pflanzen deutlich zu vereinfachen. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Flora Incognita App zeigt eindrücklich, wie einfach heute Pflanzenbestimmung sein kann. Mit der Kamera des Smartphones fotografieren Sie die Blüte, dann gegebenenfalls das Blatt und in Sekundenschnelle erhalten Sie einen Vorschlag zum Namen der Pflanze sowie weiterführende Informationen. Die App erlaubt somit die leichte und sichere Pflanzenbestimmung für Menschen jeden Alters und jeden Grades an Vorwissen.

Künstliche Intelligenz in der Pflanzenerkennung

Wissenschaftlich-technische Innovation

Das Forschungsteam ist mit unterschiedlichen Herausforderungen konfrontiert: von den mehreren 1000 Arten können sich einzelne Individuen einer Art je nach Standort morphologisch stark unterscheiden (große Intra-Klassen-Variabilität), aber ebenso üblich sind visuelle Ähnlichkeiten völlig verschiedener Arten (geringe Inter-Klassen-Variabilität). Weitere Herausforderungen sind unterschiedlichste Bildaufnahmebedingungen in der Natur (z.B. Tageszeit, Jahreszeit, Artengemeinschaften), die Gewohnheiten unterschiedlicher Nutzer*innen (z.B. Detail- vs. Überblicksaufnahme), oder die technischen Spezifika verschiedener Endgeräte (z.B. Kameraauflösung und Bildqualität).

Die Adressierung dieser Herausforderungen haben zu mehreren Innovativen  Ansätzen sowohl in der Informatik als auch in der Botanik geführt, welcher in ihrer Kombination in der Flora Incognita App einzigartig sind:

  • die systematische und artengruppenspezifische Definition und Evaluierung komplementärer Bildperspektiven (Rzanny et al., 2017; Rzanny et al., 2019)
  • die Nutzung vielfältigster, komplementärer Standortinformationen und deren Auswertung bezüglich der Habitateignung für alle unterstützten Pflanzenarten (Wittich et al., 2018)
  • die Entwicklung eines situationsadaptiven Bestimmungsprozesses, welcher in Abhängigkeit der aktuellen Bestimmungssicherheit spezifische, weitere Informationen anfordert
  • die systematische Entwicklung einer neuen Netzwerkarchitektur zur gleichzeitigen Analyse mehrere Perspektiven (Seeland und Mäder, 2021) und
  • die gezielte Erhebung eines reichhaltigen und für vielfältige Aufnahmesituationen repräsentativen Sets von Trainingsdaten (Boho et al. 2020)

Der Aufbau und die Funktionsweise der Flora Incognita App

Die Flora Incognita App – mehr als nur ein Prototyp

Die Flora Incognita App wurde bereits während des laufenden Forschungsprojektes veröffentlicht und ist seit Frühjahr 2018 sowohl im Google PlayStore, Apple AppStore und in der Huawai AppGallery öffentlich verfügbar. Derzeit verzeichnet die App  mehr als 2 Millionen Installationen. Viele Millionen Beobachtungen wurden bisher erstellt. Nicht nur Laien verwenden Flora Incognita, auch in botanischen Fachkreisen wird die App äußerst positiv bewertet und empfohlen. Nach Einschätzung von Experten des Bundesamts für Naturschutz (BfN) hat die Flora Incognita App das Potential, das verbreitetste Werkzeuge zur Bestimmung und Kartierung der deutschen Flora zu werden. Auch  Schulen, Universitäten und andern Bildungseinrichtungen setzen Flora Incognita bereits erfolgreich zu Lehrzwecken ein. Langfristig können Forschende mit den Daten der Flora Incognita App viele weitere Fragestellungen untersuchen: Wann blühen welche Arten? Wie stark variieren die Eigenschaften einer Pflanzenart? Welche Zusammenhänge gibt es zum Klimawandel und der Art der Landnutzung?

Flora Incognita für das Biodiversitätsmonitoring

Wer macht das möglich?

Das Flora Incognita Projekt ist ein gemeinsames Projekt der Technischen Universität Ilmenau und des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie Jena. Es wurde von 2014 bis 2020 durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, das Bundesamt für Naturschutz mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit sowie durch die Stiftung Naturschutz Thüringen finanziert. Seit 2019 bearbeiten die Partner das Anschlussvorhaben Flora Incognita++ und werden dabei gefördert durch das Bundesamt für Naturschutz mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit sowie durch das Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und Naturschutz.

Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Biologie, Physik, Medientechnik und Informatik arbeiten gemeinsam daran, mit ihren jeweiligen Wissensschwerpunkten die Herausforderungen der Entwicklung einer solchen Applikation zu meistern. Sowohl die Zusammenarbeit zwischen universitärer und außeruniversitärer Forschung, als auch die wegweisende Kombination von Ökologie, Geowissenschaften und Künstlicher Intelligenz wird hier mit Vorbildcharakter deutlich.