Der GAIA i³-Ansatz: Schaffung eines KI-gestützten Frühwarnsystems für Störungen im Ökosystem

Geier sind eine hochintelligente Gruppe von Vögeln, die wichtige Ökosystemleistungen erbringen. Dennoch sind die Bestände der Altweltgeier in den letzten Jahrzehnten aufgrund anthropogener Faktoren drastisch zurückgegangen. Es müssen wirksame Erhaltungsstrategien entwickelt werden, die auf kritische Bedrohungen wie wahllose Vergiftungen oder erschöpfte Nahrungsquellen eingehen. Gleichzeitig ist ihr Verhalten, einschließlich der sozialen Interaktionen, immer noch wenig bekannt. Auf der Grundlage von Hightech-Tracking-Geräten und KI-basierten Analysewerkzeugen will GAIA besser verstehen, wie Geier kommunizieren, interagieren und kooperieren, nach Nahrung suchen, brüten und ihre Jungen aufziehen. Darüber hinaus erforschen die GAIA-Wissenschaftler die sozialen Futtersuchstrategien von Weißrückengeiern und den Informationstransfer innerhalb von Raubtier-Fresser-Gemeinschaften. Im Tierreich ist es bei allen Taxa üblich, dass die Nahrungssuche nicht nur als Individuum, sondern in der Gruppe erfolgt. Die Tiere suchen gemeinsam nach Nahrung oder verlassen sich auf das Wissen anderer Individuen, um Nahrung zu finden. Diese so genannte soziale Nahrungssuche bringt vermutlich Vorteile mit sich, zum Beispiel in Bezug auf die Menge der gefundenen Nahrung, die Größe der Beute, die gejagt werden kann, oder die Zeit, die für den Zugang zur Nahrung benötigt wird. GAIA untersucht die artspezifischen Mechanismen im Verhalten und in der Kommunikation sowie die Anreize, Vorteile und möglichen Nachteile für die Individuen.

Durch ein besseres Verständnis dieser inner- und zwischenartlichen Verbindungen und Interaktionen trägt GAIA auch zu einem besseren Verständnis der Ursachen von Konflikten zwischen Mensch und Wildtieren (die oft mit dem Verhalten von Raubtieren zusammenhängen) und zum Artenmanagement bei. In Namibia beispielsweise hilft die Erforschung der Löwengemeinschaften dabei, ihr räumliches Verhalten zu verstehen und Kontakte mit der lokalen Bevölkerung (z. B. Rinderfarmern) zu entschärfen, um Konflikte zwischen Mensch und Wildtier zu bewältigen (GBF-Ziel 4). Dieses Wissen wird auch genutzt, um lokale Löwenpopulationen zu beobachten und nachhaltig zu managen, damit die Menschen davon profitieren (GBF-Ziel 9), wobei ein Gleichgewicht zwischen Konfliktminderung und Tourismus hergestellt wird.

Satelliten und Flugzeuge spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfassung von Umweltdaten aus der Ferne und helfen uns, unser Klima und unsere Ökosysteme besser zu verstehen. Die Fernerkundung, die häufig von Flugzeugen, Ballons oder Satelliten aus durchgeführt wird, ermöglicht es uns, große Gebiete und abgelegene Regionen über längere Zeiträume zu überwachen. Diese "Augen am Himmel" sind eine unschätzbare Ergänzung zu den Beobachtungen vom Land aus und helfen uns, Meeres- und Luftströmungen, Veränderungen der Bodenbedeckung und den Klimawandel zu verstehen. Aber auch Tiere verfügen über außergewöhnliche Sinne und eine einzigartige Fähigkeit, Veränderungen in ihrem Lebensraum zu erkennen. Durch die Kombination der Fähigkeiten von Tieren mit Fernerkundungstechnologien zielt GAIA darauf ab, unsere Möglichkeiten zur Überwachung und zum Verständnis unseres Planeten zu verbessern. Tiere verfügen über hervorragende sensorische Fähigkeiten und Verhaltensstrategien, die es ihnen ermöglichen, subtile und dramatische Veränderungen in ihren Ökosystemen wahrzunehmen und kritische Ereignisse zu erkennen. Geier zum Beispiel fungieren als "Sentinel-Spezies" und können das Konzept der Fernerkundung auf ein neues Niveau heben. Sie patrouillieren regelmäßig über weite Gebiete auf der Suche nach Nahrung und arbeiten dabei ohne Emissionen, zusätzliche Ressourcen oder Reparaturen. Darüber hinaus werden ihre Patrouillen von ihrem außergewöhnlichen Sehvermögen und dem Auftrag, Kadaver zu finden, geleitet. Die Art und Weise, wie sie patrouillieren, wonach sie suchen, und die Vorfälle, zu denen sie uns führen, können mit bestimmten Umweltveränderungen und ökologischen Ereignissen zusammenhängen.

Um das Potenzial der geiergestützten Fernerkundung voll auszuschöpfen, konzentriert sich GAIA auf zwei wesentliche Aspekte. Erstens werden leistungsstarke Ortungsgeräte an Geiern angebracht, um ihre Bewegungen und ihr Verhalten in einem detaillierten zeitlichen und räumlichen Maßstab zu überwachen. Zweitens werden neue technische Lösungen entwickelt, um besser zu verstehen, was die Tiere beobachten und tun. Dazu gehören ein neu entwickelter Kamera-Tag mit integrierter Kamera, Algorithmen der künstlichen Intelligenz zur Verhaltenserkennung und Bilderkennung sowie ein Satelliten-Uplink für die Echtzeitabdeckung in entlegenen Regionen. Mit diesen Hilfsmitteln können die Tiere Bilder aufnehmen und Daten über ihre Umgebung schneller, mit höherer Auflösung und Spezifität als bei Satellitenbildern liefern. Dieser innovative Ansatz ermöglicht es uns, die Natur mit den Augen der Tiere zu sehen.

GAIA hat eine Strategie der minimalen Verschwendung verfolgt: Es wird nur die technische Ausrüstung verwendet und weiterentwickelt, die absolut notwendig ist. Halsbänder und Markierungen verbleiben entweder über lange Zeiträume (z. B. bei Geiern) oder werden routinemäßig eingesammelt (z. B. bei Löwen), um Daten zu gewinnen. Es verbleiben keine Sender in der Landschaft: Wenn ein Sender abfällt oder das Tier, das den Sender trägt, stirbt, wird es geortet und aus der Landschaft entfernt. Auf diese Weise ist das GAIA-System ein "Leave no trace"-System mit erheblichen Vorteilen für die Ökosysteme.

Sowohl für die ökologische Forschung als auch für GAIA-Anwendungsfälle ist es notwendig, das Verhalten verschiedener Tierarten über einen längeren Zeitraum in abgelegenen Wildnisgebieten zuverlässig und genau zu erkennen. Zu diesem Zweck haben die GAIA-Wissenschaftler eine künstliche Intelligenz (KI) entwickelt und trainiert, die Verhaltensklassifizierungen anhand von GPS- und Beschleunigungsdaten vornehmen und uns genau sagen kann, was beispielsweise Weißrückengeier, die mit Tiermarken ausgestattet sind, zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort tun. Diese KI wird schließlich direkt auf den GAIA-Tiermarken laufen und Verhaltensinformationen aus Sensordaten generieren. In einem zweiten Schritt kombinierten die Wissenschaftler das so klassifizierte Verhalten mit den GPS-Daten der Sender. Mithilfe von Algorithmen zur räumlichen Clusterbildung ermittelten sie Orte, an denen bestimmte Verhaltensweisen häufiger auftraten. Auf diese Weise erhielten sie räumlich und zeitlich fein aufgelöste Orte, an denen Geier fressen. Zu guter Letzt entwickelt GAIA eine KI für die Bilderkennung, die die von der integrierten Kamera des neuen Etikettensystems aufgenommenen Fotos analysieren wird. Alle diese Algorithmen werden direkt auf dem Tag laufen und können eine effiziente eingebettete Datenverarbeitung durchführen. Dies stellt auch ganz besondere Anforderungen an die KI zur Bilderkennung, die besonders sparsam und mit kleinen Datenmengen arbeiten muss. Zu diesem Zweck entwickeln die GAIA-Teams geeignete Strategien und Modelle für sparsame KI.

Diese neuartige Kadavererkennungspipeline ist ein wichtiger Beitrag zur Eindämmung des Artensterbens und zur Bewältigung von Konflikten zwischen Mensch und Wildtieren und entspricht daher dem GBF-Ziel 4. Die Pipeline ermöglicht die schnelle Erkennung entweder des Todes von Geiern oder des Todes des Tieres, von dem sich die Geier gerade ernähren. Beide Szenarien sind wichtig, um das Aussterben von Arten aufzuhalten: Vergiftungen an Kadavern tragen erheblich zum Rückgang der Populationen vieler Geierarten bei. Da Geier bei ihrer Nahrungssuche soziale Strategien anwenden, kann ein vergifteter Kadaver Hunderte von Vögeln töten. Wissenschaftler der GAIA-Initiative haben gezeigt, dass die Kennzeichnung von Geiern eine frühzeitige Erkennung von Todesfällen und die Beseitigung des Kadavers ermöglicht. Durch die Markierung von Geiern und den Einsatz der hier beschriebenen AI-Pipelines können weitere Todesfälle erheblich reduziert werden. Zweitens kann die frühzeitige Erkennung von Wilderei bei bedrohten Arten der Wilderei vor Ort einen Riegel vorschieben und wesentlich zur Bekämpfung des Aussterbens beitragen.

Um das Ziel der GAIA-Initiative zu erreichen, ein Hightech-Frühwarnsystem für Umweltveränderungen zu entwickeln und in die Praxis umzusetzen, ist eine neue Generation von Tieretiketten eine Schlüsselkomponente. GAIA-Teams arbeiten an der Hard- und Softwareentwicklung von miniaturisierten Tieranhängern mit Niedrigstleistungs-Sensortechnologie mit Kamera und Bildverarbeitung. Die Tags werden energieautark sein, optimal an die Anatomie von Geiern angepasst und sind die Basis für weitere in der Entwicklung befindliche technologische Features wie on-board künstliche Intelligenzen zur Verhaltensdetektion und Bilderkennung sowie ein satellitengestütztes IoT-Kommunikationssystem.

Darüber hinaus entwickelt GAIA Konzepte für verteilte künstliche Intelligenz und Netzwerke von Mikroprozessoren - Animal Tags, die wie ein Schwarm agieren. Analog zur natürlichen Schwarmintelligenz bildet die GAIA-Initiative die digitale Schwarmintelligenz in einem Ad-hoc-Netzwerk von Mikroprozessoren ab. Diese sich spontan bildenden Netzwerke sind die Grundlage für die verteilte und sensorbasierte Analyse großer Datenmengen. Auf diesem Weg können sich beispielsweise Geier-Tags, die sich während der Fütterung am selben Ort aufhalten, vernetzen und Aufgaben wie die Analyse der künstlichen Intelligenz und die Datenübertragung teilen.

Relevante ökologische Prozesse und Ereignisse, die für die Erforschung von Umweltveränderungen von Interesse sind, finden in der Regel in abgelegenen Gebieten außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastrukturen statt. Daten, die vor Ort mit Hilfe von Tiermarkierungen in diesen Regionen erzeugt werden, können oft nur mit einer Verzögerung von Tagen oder sogar Wochen übertragen werden. Um diese Verzögerung zu überwinden und ein verzögerungsfreies Frühwarnsystem zu gewährleisten, entwickelt GAIA ein Satellitenkommunikationsmodul für die Tags sowie einen Nanosatelliten, der in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) operiert: Um die gesammelten Daten und Informationen direkt vom Sendeknoten zum LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) übertragen zu können, wird ein leistungsstarkes Satelliten-IoT-Funkmodul in die neuen Tags integriert. Dies garantiert eine sofortige, sichere und energieeffiziente Übertragung der gewonnenen Daten. Das Kommunikationssystem basiert auf der terrestrischen mioty®-Technologie und wird für das Projekt an satellitentypische Frequenzbänder wie das L- und S-Band angepasst. Typische Kommunikationsprotokolle, die teilweise im IoT-Bereich zum Einsatz kommen, sind in der Regel für kleine Paketgrößen ausgelegt. Die Weiterentwicklung des mioty®-Systems zielt daher auch darauf ab, die Datenrate und Nachrichtengröße zu erhöhen, um Anwendungsszenarien wie Bildübertragungen zu ermöglichen.

Das Satelliten-IoT-System wird der Schlüssel für eine verzögerungsfreie Kommunikation und damit für ein Frühwarnsystem sein. Es trägt wesentlich dazu bei, dass das GAIA-System das GBF-Ziel 4 "Aussterben aufhalten, genetische Vielfalt schützen und Konflikte zwischen Mensch und Wildtieren bewältigen" erreicht.

Moderne Zoologische Gärten und Aquarien auf der ganzen Welt bieten einzigartige Möglichkeiten, indem sie ihr Fachwissen im Bereich der Tierpflege, des Artenschutzes und der öffentlichen Bildung einbringen und so eine solide Grundlage für den modernen Naturschutz und die wissenschaftliche Forschung bilden. Durch die enge Zusammenarbeit mit diesen Einrichtungen und die Nutzung der von ihnen gewonnenen Daten und Erkenntnisse will die GAIA-Initiative die Kluft zwischen In-situ- und Ex-situ-Erhaltungsmaßnahmen überbrücken. Tiere in menschlicher Obhut können als wertvolle Modelle für das Verständnis der Biologie, des Verhaltens und der Reaktionen von Arten auf Umweltveränderungen dienen. Darüber hinaus ermöglichen die kontrollierten Bedingungen in zoologischen Gärten die Entwicklung und Erprobung fortschrittlicher Technologien wie von Tieren getragene Sensoren und KI-Systeme unter besser vorhersehbaren und zugänglichen Bedingungen, bevor sie in freier Wildbahn eingesetzt werden.

Zu den Hauptschwerpunkten dieses Bausteins gehören:

• Generierung von Referenz- und Trainingsdaten für die Entwicklung der KI-Pipeline für die Sensordaten. Indem wir die Tags an Geiern in Gefangenschaft in einer großen Voliere anbrachten und gleichzeitig ihr Verhalten aufzeichneten, konnten wir einen gepaarten Datensatz für das Training der KI erstellen. Mit der trainierten KI ist es nicht mehr notwendig, die Tiere zu beobachten, um relevantes Verhalten, z. B. beim Fressen, zu erkennen; die KI kann das Verhalten sehr zuverlässig aus den Sensordaten vorhersagen und gibt uns Einblicke in das Verhalten der Zieltiere während ihres gesamten Lebens.
• Bildung und öffentliches Engagement: Der Zoo Berlin integriert die Ergebnisse von GAIA in seine Bildungsprogramme und arbeitet in der Medien- und Öffentlichkeitsarbeit mit, um das Bewusstsein der Öffentlichkeit für den Schutz der biologischen Vielfalt und technologische Innovationen zu fördern. Die Besucher werden mit modernsten Instrumenten und deren Auswirkungen auf den Schutz von Wildtieren vertraut gemacht.

Ein zentrales Ziel der GAIA-Initiative ist es, die Auswirkungen auf die einzelnen Tiere so gering wie möglich zu halten und auf das Notwendigste zu beschränken. Sowohl für die Löwen als auch für die Geier wurden im Berliner Zoo und im Berliner Tierpark umfangreiche Testverfahren (im Rahmen des deutschen Systems der Tierversuche und des Tierschutzes) durchgeführt. Die Techniken wurden von Veterinärexperten sowohl für Zootiere als auch für Wildtiere entwickelt und getestet und gelten als sicher und mit strengen Tierschutzerwägungen vereinbar. Darüber hinaus gibt es sowohl innerhalb der GAIA als auch von anderen Forschungsgruppen langjährige Erfahrungen und Daten über die Auswirkungen der Markierung und des Halsbandes bei den jeweiligen Tierarten. So wurde beispielsweise nachgewiesen, dass die Markierung von Geiern keine nachteiligen Auswirkungen auf das Wohlbefinden, die Gesundheit oder die Fortpflanzung der Vögel hat. Es wurde festgestellt, dass Geier mit Markierungen viele Jahre leben, ein ähnliches Bewegungs- und Futtersuchverhalten zeigen und Nachwuchs bekommen.

Die Partnerschaft von GAIA mit dem Zoo Berlin unterstreicht auch die Kommunikations- und Wissenstransferziele der Initiative im Sinne des GBF-Ziels 21 "Sicherstellen, dass Wissen verfügbar und zugänglich ist, um Maßnahmen zur Erhaltung der biologischen Vielfalt anzuleiten". Dieses Handlungsfeld zielt nicht nur auf die breite Öffentlichkeit zur Sensibilisierung für den Erhalt der biologischen Vielfalt und technologische Innovationen, sondern auch auf politische Entscheidungsträger auf nationaler und internationaler Ebene. GAIA war sehr aktiv bei der Beratung von politischen Interessenvertretern in Deutschland und Namibia sowie bei der Teilnahme am IUCN Regional Conservation Forum 2024 in Brügge, Belgien.

Die GAIA-Initiative führt wichtige Maßnahmen zum Kapazitätsaufbau durch, da das entwickelte Frühwarnsystem gemeinsam mit lokalen Parks und Behörden in vielen afrikanischen Ländern wie Namibia, Mosambik und Uganda in die Praxis umgesetzt wird. Parkmitarbeiter, Beamte in den zuständigen Behörden und in den Ministerien werden bei der Einführung des Systems geschult. Dazu gehört auch die Befähigung lokaler Gemeinschaften, die Erfassung, Markierung und Verfolgung von Tieren mit dem GAIA-System durchzuführen und die Frühwarnpipeline mit Hilfe des vorgesehenen Frontends zu implementieren.

Darüber hinaus bilden die GAIA-Mitarbeiter aktiv Studenten verschiedener Fachrichtungen und Forschungsbereiche aus, um neue Technologien für den Naturschutz und die Biowissenschaften zu unterstützen. In den letzten sechs Jahren haben mehr als 250 Studenten erfolgreich an Kursen teilgenommen, die von GAIA-Mitarbeitern an der Universität von Namibia in den Bereichen Veterinärmedizin und Wildtierbiologie durchgeführt wurden, mit besonderem Augenmerk auf beispielsweise Mensch-Wildtier-Konflikte, Tierverfolgung sowie das Verhalten von Geiern, Löwen und Hyänen.

Sowohl der Aufbau professioneller Kapazitäten als auch die Ausbildung von Studenten zielen direkt auf die lokalen Gemeinschaften ab, damit diese das GAIA-Frühwarnsystem weitgehend allein mit lokalem Wissen und Ressourcen betreiben können. Mit diesem Baustein wird das GBF-Ziel 20 "Stärkung des Kapazitätsaufbaus, des Technologietransfers und der wissenschaftlichen und technischen Zusammenarbeit im Bereich der biologischen Vielfalt" zum Kernstück der GAIA-Initiative, da dieser Baustein kein Zusatz zum Forschungs- und Entwicklungsteil der Initiative ist, sondern von Anfang an ein zentrales Handlungsfeld darstellt.