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KI-Modell für aquatische Biodiversität

Mikrokosmos im Ozean: Bilder von Plankton, aufgenommen mit einer Unterwasser-Kamera im Nordatlantik.  Hereon/Klas Ove Möller
Mikrokosmos im Ozean: Bilder von Plankton, aufgenommen mit einer Unterwasser-Kamera im Nordatlantik. Hereon/Klas Ove Möller
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Mikrokosmos im Ozean: Bilder von Plankton, aufgenommen mit einer Unterwasser-Kamera im Nordatlantik.  Hereon/Klas Ove Möller
Mikrokosmos im Ozean: Bilder von Plankton, aufgenommen mit einer Unterwasser-Kamera im Nordatlantik. Hereon/Klas Ove Möller

Im AqQua-Projekt werden unter Hereon-Beteiligung weltweite Bestände von
Lebewesen im Wasser erfasst

Plankton und organische Partikel binden Kohlenstoff aus der Atmosphäre.
Sie transportieren ihn von der Wasseroberfläche bis in die Tiefsee. Damit
hängt das Klima auf der Erde maßgeblich vom Leben im Wasser ab. Wie viele
dieser mikroskopisch kleinen Lebewesen es weltweit gibt, wie sie verteilt
sind und wie sich dies mit dem Klimawandel verändert, soll nun im Projekt
AqQua erfasst werden. Dafür werten die Forschenden Milliarden von Bildern
aus. Die Helmholtz Foundation Model Initiative (HFMI) fördert das Projekt.
Hereon ist mit dem Institut für Kohlenstoff-Kreisläufe beteiligt.

Der Klimawandel wirkt sich auf den Kohlenstoffexport und die
Nahrungsressourcen im Meer aus. Trotz seiner enormen Bedeutung ist bislang
nur wenig bekannt über die Häufigkeit der meisten Planktonarten. Auch bei
den Schätzungen des globalen marinen Kohlenstoffexports mittels der
biologischen Kohlenstoffpumpe herrschen große Unsicherheiten. Als
Kohlenstoffpumpe bezeichnet man den Prozess im Ozean, bei dem
Phytoplankton durch Photosynthese Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre
aufnimmt und in organisches Material umwandelt. Dieses wird entweder durch
die Nahrungskette weiterverarbeitet oder sinkt nach dem Absterben auf den
Meeresgrund, wo der Kohlenstoff langfristig gespeichert wird.

Potential von Bilddaten

Um einschätzen zu können, welche Rolle das aquatische Leben für die
Klimaregulation und die menschliche Ernährung spielt, ist ein präzises
Monitoring nötig. Bislang wird aquatisches Leben mit Bildgebungstechniken
beobachtet. Diese Daten liefern Informationen über die Biodiversität und
die Funktionsweise von Nahrungsnetzen und Ökosystemen bis in die Tiefsee.
Allerdings sind diese Informationen aus der ganzen Welt noch nicht
vergleichbar und es mangelt an Trainingsbildern. Eine allumfassende
Analyse war deshalb bislang nicht möglich.

Ein neues KI-Modell

AqQua soll diese Lücke füllen. Der Name steht für The Aquatic Life
Foundation: Quantifying Life at Scale in a Changing World. Im Zuge des
Projekts werden Milliarden von Bildern zusammengeführt und mithilfe von
Hochleistungsrechnern das erste grundlegende KI-Modell, ein sogenanntes
Foundation Model, für die pelagische Bildgebung trainiert. Die pelagische
Bildgebung ist eine Methode zur Erfassung von Bildern und Daten im
gesamten Wasserkörper aller aquatischer Lebensräume, in den Ozeanen wie im
Süßwasser. Foundation Models sind eine neue Generation von KI-Modellen mit
einer breiten Wissensbasis. Sie sind deutlich leistungsstärker und
flexibler als herkömmliche KI-Modelle und bergen somit ein enormes
Potenzial für die moderne, datengetriebene Wissenschaft. Sie sind in der
Lage, komplexe Forschungsfragen zu beantworten.
Um das Foundation Model AqQua aufbauen zu können, erhält das Projektteam
eine Förderung von der Helmholtz Foundation Model Initiative.

Dr. Klas Ove Möller, der das Projekt am Hereon koordiniert, erklärt: „In
der ersten Phase wird das Modell für die Klassifizierung der Arten, ihre
Eigenschaften und die genaue Bestimmung des organischen Kohlenstoffs
optimiert. In den folgenden Schritten werden wir tiefer eintauchen und
zusätzliche Merkmale, so genannte Traits, aus den Bildern extrahieren.
Jedes einzelne Bild kann eine Fülle von Informationen enthalten. Dies wird
zu einem grundlegenden Verständnis in Zeiten des globalen Wandels führen
und darüber hinaus helfen, verbesserte Kohlenstoffbudgets zu erfassen und
neue ozeanbasierte Technologien zur CO₂-Speicherung zu evaluieren“.

Neben Hereon arbeiten beim AqQua-Projekt noch das Max-Delbrück-Center, das
GEOMAR und das Forschungszentrum Jülich mit. Darüber hinaus beteiligen
sich die Helmholtz Artificial Intelligence Cooperation Unit, Helmholtz
Imaging, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und das Alfred-
Wegener-Institut (AWI).

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