De GAIA i³-benadering: Een AI-gestuurd waarschuwingssysteem creëren voor verstoringen van het ecosysteem

Gieren zijn een zeer intelligente groep vogels die belangrijke ecosysteemdiensten leveren. Toch zijn de gierenpopulaties in de oude wereld de laatste decennia drastisch afgenomen als gevolg van antropogene factoren. Er moeten efficiënte beschermingsstrategieën worden ontwikkeld die kritieke bedreigingen aanpakken, zoals ongedifferentieerde vergiftiging of uitgeputte voedselbronnen. Tegelijkertijd wordt hun gedrag, inclusief sociale interacties, nog steeds slecht begrepen. Met behulp van hightech volgapparatuur en op AI gebaseerde analyse-instrumenten probeert GAIA beter te begrijpen hoe gieren met elkaar communiceren, samenwerken, foerageren, broeden en hun jongen grootbrengen. Daarnaast onderzoeken de GAIA-wetenschappers de sociale foerageerstrategieën van witruggieren en de informatieoverdracht binnen carnivoor-roofgierengemeenschappen. In het dierenrijk is het bij alle taxa gebruikelijk dat het zoeken naar voedsel niet alleen individueel, maar ook in groepsverband gebeurt. Dieren foerageren samen of vertrouwen op de kennis van andere individuen om voedsel te vinden. Dit zogenaamde sociale foerageren levert vermoedelijk voordelen op, bijvoorbeeld met betrekking tot de hoeveelheid voedsel die gevonden wordt, de grootte van de prooi waarop gejaagd kan worden of de tijd die nodig is om bij voedsel te komen. GAIA onderzoekt soortspecifieke mechanismen in gedrag en communicatie, evenals de stimulansen, voordelen en mogelijke nadelen voor individuen.

Door deze intra- en interspecifieke verbanden en interacties beter te begrijpen, draagt GAIA ook bij aan een beter begrip van de oorzaken van conflicten tussen mens en dier (die vaak verband houden met het gedrag van carnivoren) en aan het beheer van soorten. In Namibië bijvoorbeeld helpt onderzoek naar de leeuwengemeenschappen bij het begrijpen van hun ruimtelijk gedrag en het verminderen van contacten met de lokale bevolking (bijv. veehouders) om conflicten tussen mens en dier te beheersen (GBF-doel 4). Deze kennis wordt ook gebruikt om lokale leeuwenpopulaties te observeren en duurzaam te beheren ten gunste van de mensen (GBF-doel 9), waarbij een balans wordt gevonden tussen conflictvermindering en toerisme.

Satellieten en vliegtuigen spelen een cruciale rol bij het verzamelen van milieugegevens op afstand, waardoor we ons klimaat en onze ecosystemen beter kunnen begrijpen. Dankzij teledetectie, vaak uitgevoerd vanuit vliegtuigen, ballonnen of satellieten, kunnen we grote gebieden en afgelegen regio's gedurende langere perioden in de gaten houden. Deze "ogen in de lucht" zijn van onschatbare waarde als aanvulling op waarnemingen op het land en helpen ons inzicht te krijgen in oceaan- en luchtstromingen, veranderingen in bodembedekking en klimaatverandering. Dieren hebben echter ook buitengewone zintuigen en een uniek vermogen om veranderingen in hun leefomgeving te detecteren. Door de capaciteiten van dieren te combineren met teledetectietechnologieën wil GAIA ons vermogen om onze planeet te monitoren en te begrijpen vergroten. Dieren hebben superieure zintuiglijke vermogens en gedragsstrategieën waarmee ze subtiele en dramatische veranderingen in hun ecosystemen kunnen waarnemen en kritieke incidenten kunnen detecteren. Gieren bijvoorbeeld fungeren als "schildwachtsoorten" en kunnen het concept van teledetectie naar nieuwe hoogten tillen. Ze patrouilleren regelmatig door uitgestrekte gebieden op zoek naar voedsel en werken zonder uitstoot, extra middelen of reparaties. Bovendien worden hun patrouilles geleid door hun uitzonderlijke gezichtsvermogen en de missie om kadavers te vinden. De manier waarop ze patrouilleren, waar ze naar zoeken en de incidenten waar ze ons naartoe leiden, kunnen verband houden met specifieke veranderingen in het milieu en ecologische gebeurtenissen.

Om het potentieel van teledetectie via gieren volledig te benutten, richt GAIA zich op twee essentiële aspecten. Ten eerste worden krachtige volgapparatuur aan gieren bevestigd om hun bewegingen en gedrag op gedetailleerde tijd- en ruimteschalen te volgen. Ten tweede worden er nieuwe technologische oplossingen ontwikkeld om beter te begrijpen wat de dieren waarnemen en doen. Dit omvat een nieuw ontwikkelde camera tag met een geïntegreerde camera, kunstmatige intelligentie algoritmen voor gedragsdetectie en beeldherkenning, en satelliet uplink voor real-time dekking in afgelegen gebieden. Met deze hulpmiddelen kunnen dieren sneller beelden vastleggen en gegevens over hun omgeving verstrekken, met een hogere resolutie en specificiteit dan satellietbeelden. Dankzij deze innovatieve aanpak kunnen we de natuur zien door de ogen van dieren.

GAIA hanteert een minimale afvalstrategie: Alleen technische apparatuur die absoluut noodzakelijk is, wordt gebruikt en ontwikkeld. Halsbanden en tags blijven voor langere tijd zitten (bijv. bij gieren) of worden routinematig verzameld (bijv. bij leeuwen) om gegevens te verzamelen. Er blijven geen zenders achter in het landschap: als een zender afvalt of als het dier dat de zender draagt sterft, wordt de zender gelokaliseerd en uit het landschap verwijderd. Op deze manier is het GAIA systeem een "leave no trace" systeem met aanzienlijke voordelen voor de ecosystemen.

Zowel voor ecologisch onderzoek als voor GAIA-gebruiksgevallen is het nodig om het gedrag van verschillende diersoorten over een lange periode in afgelegen wildernisgebieden betrouwbaar en nauwkeurig te herkennen. Hiervoor hebben GAIA-wetenschappers een kunstmatige intelligentie (AI) ontwikkeld en getraind die gedrag kan classificeren aan de hand van GPS- en versnellingsgegevens en ons precies kan vertellen wat bijvoorbeeld witruggieren met dierentags op een bepaald moment en op een bepaalde plaats doen. Deze AI zal uiteindelijk rechtstreeks op de GAIA-diertags draaien en gedragsinformatie uit sensorgegevens genereren. In een tweede stap combineerden de wetenschappers het aldus geclassificeerde gedrag met de GPS-gegevens van de tags. Met behulp van algoritmes voor ruimtelijke clustering identificeerden ze locaties waar bepaald gedrag vaker voorkwam. Op deze manier verkregen ze ruimtelijk en temporeel fijnmazige locaties waar gieren foerageerden. Last but not least ontwikkelt GAIA een AI voor beeldherkenning die foto's zal analyseren die genomen zijn door de geïntegreerde camera van het nieuwe tagsysteem. Al deze algoritmen draaien rechtstreeks op de tag en kunnen efficiënte geïntegreerde gegevensverwerking uitvoeren. Dit stelt ook zeer speciale eisen aan de AI voor beeldherkenning, die bijzonder zuinig en met kleine hoeveelheden gegevens moet werken. Daarom ontwikkelen GAIA-teams geschikte strategieën en modellen voor spaarzame AI.

Deze nieuwe pijplijn voor kadaverdetectie is van groot belang om het uitsterven van diersoorten een halt toe te roepen en conflicten tussen mens en wild te beheersen en sluit daarom aan bij GBF-doelstelling 4. De pijplijn maakt een snelle detectie mogelijk van ofwel de dood van gieren ofwel de dood van het dier waar de gieren zich mee voeden. Beide scenario's zijn relevant voor het stoppen van het uitsterven van soorten: Vergiftiging bij kadavers draagt aanzienlijk bij aan de afname van populaties van veel giersoorten. Omdat gieren sociale strategieën gebruiken in hun zoektocht naar voedsel, kan één vergiftigd karkas honderden vogels doden. Wetenschappers van het GAIA-initiatief hebben aangetoond dat het merken van gieren het mogelijk maakt om sterfgevallen in een vroeg stadium op te sporen en het karkas te verwijderen. Het merken van gieren en het gebruik van de hier beschreven AI-pijplijnen kan verdere sterfte aanzienlijk verminderen. Ten tweede kan een vroegtijdige detectie van stroperij-incidenten van bedreigde diersoorten de stroperij lokaal volledig stoppen en aanzienlijk bijdragen aan het tegengaan van uitsterven.

Om te voldoen aan het doel van het GAIA-initiatief om een hightech waarschuwingssysteem voor milieuveranderingen te ontwikkelen en in de praktijk te brengen, is een nieuwe generatie tags voor dieren een belangrijk onderdeel. GAIA-teams werken aan de hardware- en softwareontwikkeling van geminiaturiseerde dierentags met sensortechnologie met het laagste energieverbruik, een camera en beeldverwerking. De tags zullen energie-autonoom zijn, optimaal aangepast aan de anatomie van gieren en vormen de basis voor verdere technologische functies die worden ontwikkeld, zoals kunstmatige intelligentie aan boord voor gedragsdetectie en beeldherkenning en een satellietgebaseerd IoT-communicatiesysteem.

Daarnaast ontwikkelt GAIA concepten van gedistribueerde kunstmatige intelligentie en netwerken van microprocessoren - dierentags die zich gedragen als een zwerm. Analoog aan natuurlijke zwermintelligentie brengt het GAIA-initiatief digitale zwermintelligentie in kaart in een ad hoc netwerk van microprocessoren. Deze spontaan gevormde netwerken vormen de basis voor gedistribueerde en sensorgebaseerde analyse van grote hoeveelheden gegevens. Door dit pad te volgen wordt het mogelijk om bijvoorbeeld giertags, die op dezelfde locatie aanwezig zijn tijdens voedergebeurtenissen, met elkaar te verbinden en taken te delen zoals kunstmatige intelligentie-analyses en gegevensoverdracht.

Relevante ecologische processen en incidenten die van belang zijn voor onderzoek naar milieuveranderingen vinden meestal plaats in afgelegen gebieden die buiten het bereik liggen van terrestrische communicatie-infrastructuren. Gegevens die in het veld worden gegenereerd met behulp van diertags in deze regio's kunnen vaak slechts met een vertraging van dagen of zelfs weken worden verzonden. Om deze vertraging te overbruggen en ervoor te zorgen dat het waarschuwingssysteem geen vertraging oploopt, ontwikkelt GAIA een satellietcommunicatiemodule voor de tags en een nanosatelliet die in een lage baan om de aarde (LEO) opereert: Om verzamelde gegevens en informatie rechtstreeks van het zendende knooppunt naar de LEO-satelliet (Low Earth Orbit) te kunnen sturen, wordt een krachtige satelliet IoT-radiomodule in de nieuwe tags geïntegreerd. Dit garandeert een onmiddellijke, veilige en energiezuinige overdracht van de verzamelde gegevens. Het communicatiesysteem is gebaseerd op de terrestrische mioty®-technologie en zal voor het project worden aangepast aan satelliettypische frequentiebanden zoals de L- en S-band. Typische communicatieprotocollen, die soms worden gebruikt in de IoT-sector, zijn meestal ontworpen voor kleine pakketgroottes. De verdere ontwikkeling van het mioty® -systeem zal daarom ook gericht zijn op het verhogen van de datasnelheid en de berichtgrootte om toepassingsscenario's zoals beeldtransmissie mogelijk te maken.

Het satelliet IoT-systeem zal essentieel zijn voor communicatie zonder vertraging en dus voor een systeem voor vroegtijdige waarschuwing. Het levert een grote bijdrage aan het GAIA-systeem bij het bereiken van GBF-doelstelling 4 "Uitsterven een halt toeroepen, genetische diversiteit beschermen en conflicten tussen mens en wild beheren".

Moderne zoölogische tuinen en aquaria over de hele wereld bieden unieke mogelijkheden door hun expertise op het gebied van dierenverzorging, behoud van diersoorten en publieksvoorlichting, die een sterke basis vormen voor modern natuurbehoud en wetenschappelijk onderzoek. Door nauw samen te werken met deze instellingen en gebruik te maken van de gegevens en inzichten die zij genereren, wil het GAIA initiatief de kloof overbruggen tussen behoud in situ en ex situ. Dieren onder menselijke zorg kunnen dienen als waardevolle modellen voor het begrijpen van de biologie, het gedrag en de reacties van soorten op veranderingen in het milieu. Bovendien maken de gecontroleerde omstandigheden in dierentuinen het mogelijk om geavanceerde technologieën, zoals sensoren en AI-systemen die door dieren worden gedragen, te ontwikkelen en te testen onder meer voorspelbare en toegankelijke omstandigheden voordat ze in het wild worden ingezet.

De belangrijkste aandachtsgebieden van deze bouwsteen zijn:

• Het genereren van referentie- en trainingsgegevens voor de ontwikkeling van de AI-pijplijn voor de sensordata. Door de tags in te zetten op gieren in gevangenschap in een grote volière en hun gedrag tegelijkertijd te coderen, konden we een gekoppelde dataset creëren voor de training van de AI. Met de getrainde AI is het niet meer nodig om de dieren te observeren om relevant gedrag, bijv. eten, te detecteren; de AI kan zeer betrouwbaar gedrag voorspellen op basis van de sensorgegevens, waardoor we inzicht krijgen in het gedrag van de doeldieren gedurende hun hele leven.
• Educatie en betrokkenheid van het publiek: Zoo Berlin integreert de bevindingen van GAIA in haar educatieve programma's en werkt samen op het gebied van mediarelaties en publieksbereik, waardoor het publiek bewuster wordt gemaakt van en meer betrokken wordt bij het behoud van biodiversiteit en technologische innovaties. Bezoekers maken kennis met geavanceerde hulpmiddelen en hun invloed op het behoud van wilde dieren.

Het hebben van een minimale en alleen strikt noodzakelijke impact op individuele dieren is een belangrijk doel van het GAIA initiatief. Voor zowel leeuwen als gieren zijn er uitgebreide testprocedures uitgevoerd (binnen het Duitse systeem van dierproeven en dierenwelzijn) in de dierentuin van Berlijn en het Tierpark van Berlijn. De technieken werden ontwikkeld en getest door veterinaire experts voor zowel dierentuindieren als wilde dieren en worden beschouwd als veilig en verenigbaar met strikte overwegingen op het gebied van dierenwelzijn. Bovendien is er zowel binnen GAIA als door andere onderzoeksgroepen langdurige ervaring en zijn er gegevens beschikbaar over de effecten van het merken en halsbanden van de betreffende diersoorten. Het is bijvoorbeeld bewezen dat het merken van gieren geen nadelige gevolgen heeft voor het welzijn, de gezondheid of de voortplanting van de vogels. Gieren bleken vele jaren te leven met merktekens, een vergelijkbaar bewegings- en foerageergedrag te vertonen en nakomelingen te krijgen.

Het partnerschap van GAIA met de dierentuin van Berlijn benadrukt ook de doelstellingen van het initiatief op het gebied van communicatie en kennisoverdracht in de zin van GBF-doel 21 "Zorgen dat kennis beschikbaar en toegankelijk is als leidraad voor biodiversiteitsacties". Dit activiteitsdomein richt zich niet alleen op het grote publiek om het bewustzijn voor het behoud van biodiversiteit en technologische innovaties te verhogen, maar ook op politieke besluitvormers op nationaal en internationaal niveau. GAIA heeft bijvoorbeeld zeer actief overleg gevoerd met politieke belanghebbenden in Duitsland en Namibië en heeft deelgenomen aan het IUCN Regional Conservation Forum 2024 in Brugge, België.

Het GAIA-initiatief neemt belangrijke maatregelen voor capaciteitsopbouw wanneer het ontwikkelde waarschuwingssysteem samen met lokale parken en autoriteiten in veel Afrikaanse landen, zoals Namibië, Mozambique en Oeganda, in de praktijk wordt gebracht. Tijdens de implementatie van het systeem worden parkmedewerkers en functionarissen van relevante autoriteiten en ministeries getraind. Dit houdt onder andere in dat lokale gemeenschappen in staat worden gesteld om met behulp van het GAIA-systeem karteringen uit te voeren, dieren te merken en te volgen en dat de vroegtijdige waarschuwingspijplijn wordt geïmplementeerd met behulp van de daarvoor bestemde frontend.

Daarnaast leidt het GAIA-personeel actief studenten op in verschillende disciplines en onderzoeksgebieden om nieuwe technologieën voor natuurbehoud en biowetenschappen te ondersteunen. In de afgelopen 6 jaar hebben meer dan 250 studenten met succes deelgenomen aan cursussen van GAIA-medewerkers aan de Universiteit van Namibië in diergeneeskunde en biologie van wilde dieren, met speciale aandacht voor bijvoorbeeld conflicten tussen mens en dier, het volgen van dieren en het gedrag van gieren, leeuwen en hyena's. Zowel professionele capaciteitsopbouw als opleiding van studenten hebben een directe invloed op de resultaten.

Zowel de professionele capaciteitsopbouw als de opleiding van studenten is rechtstreeks gericht op lokale gemeenschappen, zodat zij het GAIA-systeem voor vroegtijdige waarschuwing grotendeels alleen met lokale kennis en middelen kunnen beheren. Deze bouwsteen plaatst de GBF-doelstelling 20 "Capaciteitsopbouw, technologieoverdracht en wetenschappelijke en technische samenwerking voor biodiversiteit versterken" centraal in het GAIA-initiatief, aangezien deze bouwsteen geen aanhangsel is van het onderzoeks- en ontwikkelingsgedeelte van het initiatief, maar vanaf het begin een belangrijk actiegebied vormt.