DAM Schutz und Nutzen - CREATE: Konzepte zur Reduzierung der Auswirkungen anthropogener Drücke und Nutzungen auf marine Ökosysteme und die Artenvielfalt; Aufgabe 2.2: Bewertung und Optimierung von flächenhaften Messprogrammen; Produkt 2.2.1: Optimierung der Klassifikation von hydroakustischen Flächendaten im Hinblick auf die Habitatdynamik der Meeresschutzgebiete der Nordsee

Abstract

Natürlicher Wandel, vielseitige Nutzungen durch den Menschen und damit verbundene Nutzungskonflikte haben vielfältige Auswirkungen auf marine Habitate. Sie unterliegen einer Dynamik, die sich durch Veränderungen der Morphologie und der Substrate sowie deren Besiedlungsstrukturen in Raum und Zeit äußert. Für Entscheidungsträger und Planungsstäbe entsteht ein Teil des für die Zustandsbeurteilung der marinen Habitate notwendigen Handlungswissens aus der ständigen räumlichen Überwachung der Meereshabitate durch die flächenhafte, kartographische Erfassung (hydroakustische Unterwasser-Fernerkundung).

Ziel: In Hinblick auf den optimierten Einsatz bestehender Bewertungsverfahren (u.a. Meeresstrategie-Rahmenrichtline MSRL D6) wurden in dem CREATE-Teilvorhaben 2.2.1 verschiedene Algorithmen zur automatischen Auswertung hydroakustischer Flächendaten auf ihre optimale Anwendung und ihren Automatisierungsgrad hin untersucht. Auf dieser Basis wurde im Anschluss eine KI-basierte Auswertungs-Software ("SeeSurface") entwickelt.

Ergebnis: Für das erforderliche Datenmaterial wurden insgesamt 380 km² Meeresboden mit einem Seitensichtsonar (SSS) kartiert und die hydroakustischen Daten mit insgesamt 290 Bodenproben validiert. Die erhobenen hydroakustischen Rückstreudaten, prozessiert zu Mosaikkarten, wurden mittels Verfahren des maschinellen Lernens (konkret "Linear Support Vector Machines" (SVM-L), "Random Forrests" (RF) und "Convolutional Neural Networks" (CNN)) einer automatischen Klassifizierung unterzogen. Die Algorithmen wurden mit den Labordaten der analysierten Greiferproben trainiert - hierbei ist die Güte der erstellten Trainingsdatensätze für die Qualität der Klassifizierungsmodelle entscheidend. Besonders relevant ist weiterhin die Auswahl geeigneter bildbeschreibender Texturmaße aus den Rasterdaten der Rückstreumosaike. Für den Einsatz der implementierten Klassifizierungsmethoden durch Dritte wurde die Open-Source Software "SeeSurface" entwickelt, die sowohl eine Klassifizierung des Meeresbodens ohne detailliertes Hintergrundwissen erlaubt als auch eine tiefgehende, individuelle Parametrisierung der Auswertungsprozedur ermöglicht.