UFOTriNet - nachhaltiges Monitoring von Fischen in der Kieler Bucht - Unterwasser-Fisch-Observatorien im trilateralen Netzwerk: automatisiert, kontinuierlich und nicht-invasiv

Hintergrund und Zielsetzung

Im „UFOTriNet-Projekt“, einem deutschlandweiten Konsortium aus fünf Projektpartnern und über 20 Mitarbeitern verschiedenster Fachrichtungen, arbeiten wir in einem inter­disziplinären Innovations-Projekt zum kontinuierlichen, automatisierten und nicht-invasi­ven Fisch- und Umweltmonitoring.

Im Fokus von UFOTriNet steht die Entwicklung und das empirische Testen innovativer nicht-invasiver Mess- und Kontrollsysteme – im Kern basierend auf bildgebender opto-akustischer Sensorik – zur synchronen und hochauflösenden Überwachung von Fischen und ihrer Umgebung. Um die Umgebung synchron zu überwachen, sind weitere Sensoren u.a. zur Messung von Sauerstoff, Salzgehalt, Druck, Temperatur, Chlorophyll integriert worden. Ergänzende Forschungsaspekte sind die Optimierung der automatischen Fischidentifikation und Größen­klas­si­fi­ka­tion auf Grundlage von KI-Algorithmen sowie die Autonomisierung u.a. durch Erhöhung der Energieeffizienz (LED-UVC-Experimente, Scheibenwischer) und Reduktion des Wartungsaufwan­des (Nano-Antifouling-Beschichtung). Auf diese Weise soll eine kontinuierliche, automatisierte, kosten-effektive und nicht-invasive Alternative zum schiffbasierten Monitoring von Fischbeständen als Beitrag zu einer reformierten, evidenzbasierten Fischereipolitik entwickelt werden.

Links und Downloads

• 06.2019: Projektbeginn, Bericht über die Förderung der Weiterentwicklung des „Unterwasser-Fisch-Observatoriums“ (UFO) durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen seines Innovationsförderprogramms (www.geomar.de/news/article/meeres-ufos-erkunden-die-lebensgemeinschaft-unter-wasser/)
• 05.2020: NDR-Beitrag im Anschluss an die Ausbringung des stationären UFOs in der Kieler Förde (https://www.ndr.de/nachrichten/schleswig-holstein/Fischbestand-der-Meere-Ein-UFO-soll-helfen,geomar274.html)
• 06.2021: Die Wiederausbringung des stationären UFOs nach Wartungsarbeiten wurde mit Filmaufnahmen und Interviews durch den NDR begleitet. Diese sind für eine Folge der NDR QUIZSHOW - Die Leuchte des Nordens mit Jörg Pilawa durchgeführt worden. Die Ausstrahlung soll im Laufe von 2022 erfolgen.
• Publikation: Böer G, Veeramalli R, Schramm H (2021) Segmentation of Fish in Realistic Underwater Scenes using Lightweight Deep Learning Models, ROBOVIS 2021: Computer Science, Environmental Science (https://www.semanticscholar.org/paper/Segmentation-of-Fish-in-Realistic-Underwater-Scenes-B%C3%B6er-Veeramalli/d36bc554bb0b39ff8ec420039899a4c842a10a2c)
• Publikation: Bouzouit A, Fietz D, Badri-Hoeher S (2021) Fish Tracking Based on Sonar Images by Means of a Modified Optical Flow, Proc. MTS/IEEE Oceans Conference (OCEANS '21), San Diego – Porto, September 2021 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9705868)
• Publikation: Fietz D, Bouzaouit A, Badri-Hoeher S (2021) Background Noise Cancellation from Active Sonar Images Utilizing Transmission-free Recordings, Proc. MTS/IEEE Oceans Conference (OCEANS '21), San Diego – Porto, September 2021 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9705811)

Vorgehensweise

Die UFOs im trilateralen Netzwerk

Zur Anwendung in unterschiedlichen Bereichen und zur Abdeckung unterschiedlicher Funktio­nen sind drei komplementäre Varianten an Unterwasser-Fisch-Observatorien („UFO“s) konzi­piert und aus einem bereits bestehenden (stationären) Prototyp (weiter-)entwickelt und gebaut worden: ein stationäres, ein portables und ein mobiles UFO. Diese werden derzeit in der Kieler Bucht als trilate­ra­les Netz­werk („TriNet“) getestet.

Die verschiedenen UFO-Systeme lassen sich situationskonform in unterschiedlichen Gebieten (marine Hotspots) oder für unterschied­liche Fragestellungen (z.B. für ein Windpark- oder Schutz­gebiet-Monitoring) ein­set­zen. Dies ist der wichtigste Unterschied des UFO-Konzeptes gegenüber allen anderen Systemen weltweit. Alle drei Systeme sind modular mit dem gleichen Kern-Satz von opto-akustischen Sensoren ausgestattet. Das portabel UFOist dabei eine miniaturisierte Version des stationären UFOs.

Während mit dem stationären UFOkontinuierliche (hochauflösende) Fixpunktmessungen und Kontrollen von Schlüsselbereichen (sensible Hotspots, wie marine Schutzgebiete, Laich-, Aufwuchs- oder Rekrutierungsgebiete, Windparks, etc.) ermöglicht werden, sind Anwendungen des portablen UFOs für den stationären Einsatz in Bereichen vorgesehen, in denen eine eher flexible kleine Einheit erforderlich ist (beispielsweise Anbindungen an Brückenpylonen, Felsen, Leuchttürmen, Fangnetzen, etc.), z.B. im Rahmen kontinuierlicher Überwachungen in schwerer zugänglichen Gebieten bzw. Situationen oder, im Fall von geschleppten oder stationären Fanggeräten, im Rahmen von Experimenten zur Optimierung derselben oder im Routineeinsatz.

Im Gegensatz dazu ist der Einsatz des mobilen UFOs missionsbasiert. Auf der Grundlage verschiedener Mobilitäts- und Kontroll-Modi (ferngesteuert oder autonom), ermöglicht das mobile UFO eine räumliche Hochskalierung bzw. Ausdehnung sowie eine flexible Anwendung in Raum und Zeit, zwischen Fixpunkten (z.B. die beiden stationären Systeme) oder als begleitende Unterstützung von Fischereifahrzeugen oder Forschungsschiffen.

Modularität, Kompaktheit, strukturelle Integrität und multiple Einsatzmöglichkeiten sind entscheidende Vorteile des trilateralen UFO-Arrays.

Daten und Methoden

Alle drei UFO Systeme kombinieren moderne akustische und optische Verfahren (Mustererkennung) zur Überwachung von Fischbeständen. Dabei wird die im Überlappungsbereich liegende optische Nahfeld-Komponente als Unterstichprobe der räumlich weiterreichenden akustischen Fernfeld-Komponente betrachtet. Durch die Kopplung von optischem Nahfeld und akustischem Fernfeld können aussagekräftige Hybriddaten zur Verfügung gestellt werden. Die biologischen Hybriddaten aus Akustik und Stereo-Optik (Abundanz, Art-ID, Größenmessungen) sowie erhobene Daten der Umwelt-Sensoren (Temperatur, Salzgehalt, Chlorophyll, Strömungsgeschwindigkeit, Trübung etc.) werden in ein integriertes, neu aufgebautes Daten- und Informations-System mit online-Zugriff gespeist. Im Rahmen des Interna­tiona­­len Rates für Meeresforschung ICES (z.B. für Bestandserfassung und Quotenberechnung), von HELCOM (für die Umsetzung der inter­na­tionalen Meeres-Strategie-Rahmen-Richtlinie) oder der nationalen Wasser-Rahmen-Richt­linie, werden die Daten aufbereitet und zur Verfügung gestellt werden.

Zusätzliche Beprobungskampagnen mit Forschungsschiffen dienen der Erhebung von Vergleichsdaten zur Kalibrierung, Verschneidung und Konvertierung und liefern zugleich wichtiges Prozessverständnis zur Entwicklung eines optimalen Hardware-Designs und zur Optimierung der Mustererkennungsalgorithmen sowohl der mobilen als auch der stationären Systeme.

Unsere Forschungsfragen

Zwischen 2019 und 2022 konzentrierte sich der Arbeitsablauf in insgesamt vier Arbeitspaketen auf Design und Entwicklung der drei UFO-Einheiten. Hierunter fällt die Integration der Hardware und die damit verbundene Software-Entwicklung sowie die Implementierung von opto-akustischen Sensoren und einer optimierten Energieversorgung. Dazu gehört auch die optimale Verarbeitung großer Datenmengen, die Verbesserung der opto-akustischen Mustererkennung für Fische und anderer mariner Organismen, die Optimierung der Wartungsintervalle und deren Durchführung sowie kontrollierte Experimente zur Wirksamkeit von UV-C-Bestrahlung als Antifouling-Tool für die optischen Einheiten. Zur Qualitätssicherung werden im Rahmen des Datenhandlings eine Reihe von Standardtests zur Sichererstellung internationaler Standards für ein integriertes Assessment der Fischbestände entwickelt und durchgeführt: Kalibration und Validierung der erfassten Daten, Konversion von 2D-Information in 3D-Information, wissenschaftlich adäquate Bewertung der Datenqualität und Bereitstellung adäquater Daten-Verarbeitungsmöglichkeiten. Nicht zuletzt fokussieren Projektmanagement und -koordination auf die technisch-administrative Verwaltung, den Einsatz moderner Kommunikations-Infrastruktur (zwei digitale interaktive Poster) zur Dissemination der Ergebnisse, die effektive Implementierung der Arbeitspakete, die enge Zusammenarbeit zwischen den Partnern und die Sicherstellung der Projektziele.

Gravierende Corona-bedingte Engpässe und Werkschließungen beim Bau des mobilen UFOs ermöglichten eine erfolgreiche Projekt-Laufzeitverlängerung um 12 Monate, die seit Juli 2022 in Kraft getreten ist. Im Verlängerungszeitraum liegt der Fokus auf der finalen Fertigstellung, Erprobung des mobilen UFOs und die damit verbundene Datenerhebung und -analyse.

Links und Downloads

• 06.2019: Projektbeginn, Bericht über die Förderung der Weiterentwicklung des „Unterwasser-Fisch-Observatoriums“ (UFO) durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen seines Innovationsförderprogramms (www.geomar.de/news/article/meeres-ufos-erkunden-die-lebensgemeinschaft-unter-wasser/)
• 05.2020: NDR-Beitrag im Anschluss an die Ausbringung des stationären UFOs in der Kieler Förde (https://www.ndr.de/nachrichten/schleswig-holstein/Fischbestand-der-Meere-Ein-UFO-soll-helfen,geomar274.html)
• 06.2021: Die Wiederausbringung des stationären UFOs nach Wartungsarbeiten wurde mit Filmaufnahmen und Interviews durch den NDR begleitet. Diese sind für eine Folge der NDR QUIZSHOW - Die Leuchte des Nordens mit Jörg Pilawa durchgeführt worden. Die Ausstrahlung soll im Laufe von 2022 erfolgen.
• Publikation: Böer G, Veeramalli R, Schramm H (2021) Segmentation of Fish in Realistic Underwater Scenes using Lightweight Deep Learning Models, ROBOVIS 2021: Computer Science, Environmental Science (https://www.semanticscholar.org/paper/Segmentation-of-Fish-in-Realistic-Underwater-Scenes-B%C3%B6er-Veeramalli/d36bc554bb0b39ff8ec420039899a4c842a10a2c)
• Publikation: Bouzouit A, Fietz D, Badri-Hoeher S (2021) Fish Tracking Based on Sonar Images by Means of a Modified Optical Flow, Proc. MTS/IEEE Oceans Conference (OCEANS '21), San Diego – Porto, September 2021 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9705868)
• Publikation: Fietz D, Bouzaouit A, Badri-Hoeher S (2021) Background Noise Cancellation from Active Sonar Images Utilizing Transmission-free Recordings, Proc. MTS/IEEE Oceans Conference (OCEANS '21), San Diego – Porto, September 2021 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9705811)