Forscher entwickeln Drohnenhilfe bei Pinguinzählung | Polarjournal
Der Einsatz von immer beliebter werdenden Drohnen in der Antarktis ist für Touristen verboten. Nur für wissenschaftliche und wirtschaftliche (Marketing)-Zwecke dürfen die kleinen Fluggefährten sich in die Luft erheben. Und auch dann nur unter strengsten Vorgaben. Für Forscher sind sie eine unerlässliche Hilfe. Bild: Rachael Herman, Stony Brook University/LSU

Pinguine sind in der Antarktis nicht nur ein tolles Fotomotiv, sondern auch die Signalfeuer für Veränderungen. Die Grösse der Kolonien und der Bruterfolg bei der Aufzucht sind für die Wissenschaft wichtige Indikatoren für den Zustand der Antarktis. Doch um solche Daten zu erhalten, mussten Forscher bisher sehr aufwändig und langwierig die Tiere zählen. «Automation» und «von oben» sind die Schlagworte, die helfen sollen, diese Arbeit für Forscher und Pinguine zu erleichtern. Einer Forschungsgruppe ist nun ein Durchbruch gelungen bei der Anwendung von autonom fliegenden Instrumenten, UAVs.

Die Gruppe um den Assistenzprofessor Marc Schwager von der Stanford University entwickelte erfolgreich einen Algorithmus, der es erlaubt, mehrere Drohnen gleichzeitig autonom über ein bestimmtes Gebiet effizient fliegen zu lassen und Bilder aufzunehmen. Die gemachten, hochaufgelösten Aufnahmen werden dann zusammengesetzt und die Wissenschaftler erhalten eine genaue Abbildung der überflogenen Pinguinkolonie. So können die Nester oder die Individuen dann einfach gezählt werden und die Grösse dann exakt bestimmt werden.

Eine der Testorte war die Adéliekolonie bei Kap Royds auf Ross Island, Antarktika. Hier leben jeden Frühling rund 6’000 Adéliepinguine und wahrscheinlich rund 3’000 Küken. Da das Gelände sehr hügelig ist und die Tiere in Gruppen nisten, ist eine Zählung vom Boden aus mühsam und ungenau. Abhilfe könnte aus der Luft kommen. Bild: Michael Wenger

«Wir konnten Menschen, die rund um die Kolonie gingen, sehen und alle individuellen Vögel in ihren Nestern und auch das Kommen und Gehen zum Meer. Es war unglaublich»

Kunal Shah, Standford University, Kalifornien

Der Hauptautor der Studie, Doktorand Kunal Shah, testete die von ihm und seinen Kollegen entwickelten Algorithmen nahe der US-Station McMurdo an zwei Kolonien von Adéliepinguinen, Kap Crozier mit seinen rund 300’000 Brutpaaren und bei Kap Royds mit ca. 3’000 Brutpaaren. Während das Gebiet bei Kap Royds zwar kleiner, aber hügeliger ist, sind die Pinguinnester bei Kap Crozier über eine riesige Fläche verteilt. Die Zählung aus der Luft ist an sich nichts neues, aber mit vielen Hindernissen belegt. Entweder werden Hubschrauber verwendet, die umwelttechnisch fraglich und Lärm verursachend sind; oder man verwendet einzelne Drohnen, die aber nur unter massiven Auflagen fliegen dürfen, so dass die ganze Angelegenheit sehr lange dauert. Die Methode von Shah und seinen Kollegen reduzierte die Zeit von knapp zwei Tagen auf 2.5 Stunden und mit grossem Erfolg: «Wir konnten Menschen, die rund um die Kolonie gingen, sehen und alle individuellen Vögel in ihren Nestern und auch das Kommen und Gehen zum Meer. Es war unglaublich», erklärt Kunal Shah.

Assistenz-Professor Marc Schwager und Kunal Shah erklären, warum und wie die Forschungsgruppe ihre erfolgreichen Tests für Mehrfachdrohnen-Nutzung für wissenschaftliche Zwecke über den Kolonien durchgeführt hatten. Video: Standford University

Der Einsatz von Drohnen für die Beobachtung von Tieren in freier Wildbahn ist nicht unumstritten. Störung durch den schwirrenden Lärm, Absturzmöglichkeiten und dadurch entstehende Schäden an Tieren und Natur sind die meistgenannten Gründe von Umweltschützern, gegen Drohnen zu sein. Und in der Antarktis sind die schnell wechselnden Flugbedingungen und die verkürzte Batteriedauer aufgrund der Kälte sehr gewichtige Probleme, die zu Abstürzen führen können. Dies sehen auch die Forscher ein. Doch sie weisen darauf hin, dass ihr Algorithmus den effizientesten Weg für die Drohnen berechnet und so Zeit und Energie gespart werden können. Ausserdem stellt der Algorithmus auch sicher, dass die Drohne einen konstanten Abstand zum Boden einhält, unabhängig von der Topographie. Das wiederum schützt die Pinguine vor dem Lärm der Drohnen.

Das Bild zeigt die Routen der Drohnen, die denselben Eingang und Ausgang verwenden. Die orangen Stellen sind Flugverbotszonen, die violette Linie der Weg von Beobachtern am Boden und die gelben Punkte die Sicherheitspiloten, die bei Bedarf manuell die Drohnen steuern und zurückholen würden. Bild: Shah et al (2020) Sci Robot 5 eabc3000

Die Route, die das Programm der Forscher berechnet, schliesst auch überlappende Stellen ein, so dass eine komplette Aufnahme aus den Bildern aller Drohnen entsteht. Damit können sehr genau jedes Nest und jeder Pinguin erfasst werden. Die Gruppe möchte seine Methode noch weiter ausbauen und nicht nur die Nester zählen, sondern in einem nächsten Schritt die Kolonien während der Aufzucht der Jungen aufnehmen und so den Bruterfolg der Kolonien eruieren. So können die Veränderungen, die Antarktika und die Pinguine erleben, erfasst und früher erkannt werden. «Ich glaube, dass Gruppen von autonomen Robotern wirklich mithelfen können, unsere sich verändernde Welt, die sich verändernden Umgebung in einem Ausmass zu verwalten, wie wir es noch nie zuvor konnten», meint Kunal Shah. Damit würden auch die Pinguine ein wachsames Auge von oben erhalten.

Dr. Michael Wenger, PolarJournal

Link zur Studie: Shah et al (2020) Sci Robot 5 (47) eabc3000 Multidrone aerial surveys of penguin colonies in Antarctica, doi: 10.1126/scirobotics.abc3000

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