Der Mensch weitet seinen Aktionsradius zunehmend ins Meer aus und verfolgt vielfältige Interessen in der Deutschen Bucht. Doch nicht nur die Fläche, die für die einzelnen Aktivitäten benötigt wird nehmen zu. Die Intensität der meisten einzelnen Aktivitäten wächst und zusätzlich gibt es neue Arten von Aktivitäten im Meer. Dieser Prozess führt dazu,  dass es mittlerweile eine große Vielfalt unterschiedlichster menschlicher Aktivitäten mit unterschiedlichsten Auswirkungen auf die Natur gibt.

WP1 hat räumliche Hotspots von Gebieten, in denen sich viele aktuelle und geplante menschliche Aktivitäten und Interessen überschneiden, identifiziert. Als Grundlage für die Berechnung eines Indexes zur Abbildung der dies abbildet, dienten Flächen, die nach Raumordnungsplan 2021 (BSH 2021) für menschliche Aktivitäten ausgewiesen wurden (Link: hier) sowie Daten zu fischereilichen Aktivitäten (Daten: OSPAR 2018). Pro 1km² Rasterzelle wurden die jeweiligen Flächenanteile der Aktivitäten berechnet und aufsummiert. Folgende Aktivitäten wurden berücksichtigt: Offshore-Windparks, Kabel und Pipelines, große Schifffahrtsrouten, Vorranggebiete für Fischerei, Wissenschaft, Militär, Rohstoffgewinnung und Naturschutz, sowie Fischerei.

Die resultierende Karte zeigt, dass nur sehr wenige Gebiete nicht für die ausgewählten menschlichen Aktivitäten genutzt werden oder dafür vorgesehen sind . Darüber hinaus konnten Hotspots identifiziert werden, in denen sich viele aktuelle und potenzielle menschliche Aktivitäten und Interessen überschneiden. Diese befinden sich sowohl innerhalb als auch außerhalb von Meeresschutzgebieten. Bei der Interpretation der Karte sollte berücksichtigt werden, dass sie ausschließlich auf der Anzahl der (potenziellen) Aktivitäten basiert und nicht zwangsläufig die Auswirkungen auf die Umwelt widerspiegelt. Die Intensität der Nutzung wurden bei dieser Analyse weitestgehend nicht berücksichtigt (eine Ausnahme sind hier fischereiliche Daten). Ebenso werden Auswirkungen auf die Ökosystemkomponenten in einer anderen Arbeit im CREATE Projekt analysiert.

Der Stakeholder-Dialog im CREATE Projekt fußt auf einer intensiven Stakeholder-Identifikations-Phase in der Stakeholder über Zeitungs-, Internet- und Dokumentrecherche sowie der Befragung von bereits identifizierten Stakeholdern identifiziert wurden. In einem anschließenden Stakeholder-Mapping wurden die Stakeholder in grobe sektorale Interessensgruppen geclustert. In einer ersten Onlineumfrage wurde dann erfragt, wie die Stakeholder sich in das Projekt einbringen möchten. Dies bildete die Basis für die weitere Zusammenarbeit in Form von Interviews und/oder der Teilnahme an Workshops. (siehe Abbildung unten…). Die Umfrage umfasste darüber hinaus einen inhaltlichen Teil, in dem die Teilnehmenden u. a. ihren Eindruck über den Umweltzustand, ihre Wahrnehmung auf die größten negativen Aspekte/Entwicklungen und ihre größten Hoffnungen mitteilen konnten.  (LINK - Weitere Infos hier). Informationen zu den Workshops finden Sie hier: (LINK - Workshops)

WP 2.2 zielt darauf ab, Merkmale anthropogenen Ursprungs auf dem Meeresboden in der Eckernförder Bucht zu untersuchen, welcher durch Aktivitäten wie Wassertourismus, Fischerei und einen Marinestützpunkt beeinflusst wird. Die Forschung konzentriert sich insbesondere auf die Beantwortung der folgenden Fragen:

- Können hydroakustische Methoden eingesetzt werden, um die anthropogenen physikalischen Belastungen in der Eckernförder Bucht abzubilden?

- Haben diese anthropogenen Belastungen einen Einfluss auf die lokale Sediment- und Habitatstruktur?

Die erste Messkampagne in der Eckernförder Bucht im Spätsommer 2022 hatte zum Ziel, die Vielfalt der anthropogenen physikalischen Belastungen des Meeresbodens zu erfassen. Informationen über die Lebensraumstruktur und potenzielle physikalische Belastungen in dem Gebiet wurden aus der wissenschaftlichen Literatur und offiziellen Berichten gewonnen.

Während der Untersuchung wurden hydroakustische Datensätze in verschiedenen Lebensräumen wie Schlick, Sand und Seegraswiesen aufgezeichnet. Mit einem Fächerecholot wurden Daten zur Bathymetrie und zur Rückstreustärke bei zwei verschiedenen Frequenzen gemessen. Darüber hinaus wurden an bestimmten Stationen Videoaufnahmen gemacht und Sedimentproben entnommen, um die Art des Meeresbodens zu überprüfen.

Die erste Analyse zeigt sowohl in den Bathymetrie- als auch in den Rückstreudaten eindeutig anthropogene Spuren. Zwischen den Untersuchungsstandorten sind erhebliche Unterschiede festzustellen. Ein Gebiet ist stark von Furchen und Abrasionen geprägt, die auf Ankeraktivitäten zurückgeführt werden können (siehe Abbildung).

Hinweis: Im Text erwähnte Grafiken sind am Textende zu finden. Für Ansicht in hoher Auflösung bitte auf Grafik klicken. (Alle Grafiken von: Garvin Breyer und Alexander Bartholomä)

1. Erfassung hochauflösender Side-Scan-Sonardaten mit Ground-Truthing mittels Shipek-Greifer für die Evaluierung mehrerer Klassifikationsalgorithmen

Nach Durchsicht und Analyse der vorhandenen Datensätze wurde ersichtlich, dass zusätzliche hydroakustische Vermessungen sowie Greiferproben erforderlich sind, um die Algorithmen zur automatischen Klassifizierung des Meeresbodens in geeigneter Weise zu bewerten. Diese Erhebungen und Probenahmen wurden an speziell ausgewählten Standorten innerhalb verschiedener Naturschutzgebiete (NSGs) in der Deutschen Bucht durchgeführt. Von April 2022 bis August 2022 wurden hochauflösende Side-Scan-Sonar (SSS)-Daten in einem Gebiet im NSG Borkum Riffgrund (BRG) und in zwei Gebieten im NSG Sylter Außenriff (SOR) erhoben (Abb. 1). Für jedes kartierte Gebiet wurden vor Ort 20-30 Greiferproben genommen und später im Labor analysiert.

Das Untersuchungsgebiet BRG ist durch eine breite Übergangszone zwischen offenen Bereichen mit mobilen Sandschichten und Bereichen mit zunehmender Blockdichte in östlicher Richtung gekennzeichnet. Der aktivste Bereich des Sedimentumsatzes befindet sich an der westlichen Grenze des geogenen Riffs (Abb. 5).Diese Übergangszonen mit hohen Mobilitätsraten sind für die Lebensraumdynamik sehr wichtige Abschnitte. Im Gegensatz zum BRG bestehen die Untersuchungsgebiete im NSG SOR aus heterogeneren kleinräumigen Mustern von Weich- und Hartsubstraten (Abb. 3). Die kleinräumigen Veränderungen und die hohe räumliche Komplexität machen diese Gebiete besonders geeignet für das Testen von Algorithmen. Die gewonnenen Datensätze bilden daher die Grundlage für die Optimierung der hydroakustischen Klassifizierungsalgorithmen. Alle Datensätze werden in naher Zukunft in der PANGAEA-Datenbank veröffentlicht.

 

2. Erfolgreiche Entwicklung und Bewertung mehrerer maschineller Lernalgorithmen

Die automatische Berechnung von Sedimentkarten aus hydroakustischen Daten ist sowohl für Habitat- und Sedimentkartierungen als auch für Monitoring-Aufgaben von großer Bedeutung. Hierfür gibt es in der aktuellen Literatur mehrere Verfahren, die bisher jedoch ohne Konsens über besonders geeignete Methoden koexistieren. Ziel dieses Teilprojektes war es daher, Empfehlungen für die automatische Klassifikation von hydroakustischen Daten zu entwickeln. Sogenannte Random Forests (RFs), Support Vector Machines (SVMs) und Convolutional Neural Networks (CNNs) wurden eingesetzt, um Rückstreudaten von SSS an zwei Untersuchungsstandorten im Sylter Außenriff zu klassifizieren.

Bereits etablierte Merkmale wie statistische Kenngrößen und Texturen sowie neue, aus Weyl-Koeffizienten abgeleitete Parameter wurden für Bildausschnitte unterschiedlicher Größen (32 px, 16 px, 8 px) und Quantisierungsstufen (8-bit, 6-bit) berechnet. Die Merkmale wurden dann in den Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet; siehe Abb. 3 für einen schematischen Arbeitsablauf der Gesamtmethodik. Große Bildausschnitte von 32 px Größe und die kombinierte Verwendung verschiedener Merkmalsgruppen führten zu den besten Klassifizierungsergebnissen.

Der Grad der Quantisierung hatte wenig bis gar keinen Einfluss auf die Ergebnisse. Daher empfehlen wir die Verwendung einer 6-Bit-Quantisierung, um die erforderliche Rechenzeit zu minimieren. Außerdem generierten CNNs und SVMs visuell ansprechendere Sedimentkarten als RFs, obwohl sie eine geringere numerische Gesamtgenauigkeit erzielten. Insbesondere in Übergangszonen mit unterschiedlichen Sedimenten zeigten SVMs und CNNs bessere Ergebnisse  und gelangten zu einer robusteren Klassifizierung der Daten. 

Basierend auf diesen Ergebnissen empfehlen wir die Berechnung von Bildausschnitten mit einer Größe von 32 px und einer 6-Bit-Quantisierung für das Training der maschinellen Lernalgorithmen. Für die Klassifizierung selbst können die Bildausschnitte entweder direkt in Neuronalen Netzen oder zur Berechnung der bereits erwähnten Merkmale (GLCM, Weyl-Koeffizienten) verwendet werden, die dann als Eingangsdaten in die Support Vector Machines eingehen.

3. Automatische Klassifizierung der Untersuchungsgebiete im Sylter Außenriff basierend auf den Erkenntnissen aus 2)

Basierend auf den in Punkt 2 erarbeiteten Empfehlungen wurden für die im NSG SOR gelegenen Untersuchungsflächen Sedimentklassifikationskarten berechnet (Abb. 4). Die Klassifikationskarten weisen einen hohen Detaillierungsgrad auf und minimieren gleichzeitig das Restrauschen. Allerdings stellen Übergangsbereiche, wie z. B. in der Mitte des Untersuchungsgebiets SOR NW, eine Herausforderung für die Algorithmen dar. Außerdem scheint die Klassifizierung in einigen Bereichen "instabil" zu sein: Wo im Idealfall ein größeres Gebiet als derselbe Sedimenttyp klassifiziert worden wäre, zeigt die Klassifizierungskarte sehr kleinräumige Bereiche mit unterschiedlichen Sedimenten.

Diese Einschränkungen könnten möglicherweise durch eine Erhöhung der Anzahl der Datenpunkte (d. h. durch mehr Ground-Truthing) behoben werden, so dass den Algorithmen eine größere Menge an Informationen zur Verfügung steht, mit denen sie trainiert werden können. Alternativ dazu könnten die Algorithmen selbst weiter verbessert werden, z. B. durch Optimierung der Architektur des neuronalen Netzes. Die Beantwortung dieser Fragen könnte im Rahmen einer zweiten Phase von CREATE erfolgen.

Laufende Arbeiten:

1. Untersuchung der Sedimentdynamik im NSG Borkum Riffgrund

Während einer Fahrt im April 2022 wurde ein Gebiet von mehr als 30 km² Größe im NSG BRG hochauflösend mit einem SSS-System kartiert. Das gleiche Gebiet soll im Jahr 2023 mit zusätzlichen Greiferproben für eine verbesserte Klassifizierung erneut kartiert werden. Bei der manuellen Prüfung der bereits vorhandenen Mosaike lassen sich in bestimmten Bereichen Veränderungen im Sediment feststellen, die durch Veränderungen in der "Verzahnung" der Hell-Dunkel-Übergänge in den Graustufenwerten sichtbar werden. Abb. 5A (unten links) zeigt, dass innerhalb eines Jahres eine Verschmälerung der Grate stattgefunden hat, während etwas weiter östlich in Abb. 5B (unten rechts) eine allgemeine Kontrastverringerung in den Graustufen zu erkennen ist. Letzteres führt zu einer allgemeinen Glättung des Oberflächenreliefs. Mit den zusätzlichen hydroakustischen Daten und Greiferproben sollen die Mosaike jährlich klassifiziert werden und auf dieser Grundlage eine automatische Analyse der Veränderungen erfolgen. Diese Erkenntnisse können dann genutzt werden, um die Sedimentdynamik (und damit die Lebensraumdynamik) in den Naturschutzgebieten der Deutschen Bucht besser zu bewerten und zu verstehen.

2. Implementierung einer Klassifizierungssoftware mit einer interaktiven Benutzeroberfläche

Die entwickelte Software wird es den Nutzer*innen von hydroakustischen Daten ermöglichen, ihre eigenen Klassifikationskarten zu berechnen. Dazu können die Nutzer*innen per Mausklick zwischen verschiedenen Datentypen und verschiedenen Algorithmen wählen. Filteralgorithmen sowie Vorverarbeitungswerkzeuge wie Merkmalsextraktion und Merkmalsselektion helfen, die Datensätze zu homogenisieren. Die Software speichert außerdem automatisch Protokolldateien und kann trainierte KI-Modelle auf exportieren, was die Konnektivität zwischen Forschern, Interessengruppen und/oder Behörden erheblich verbessern könnte. Ein Screenshot des aktuellen Stands der Software ist in Abb. 6 zu sehen.

In der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) der Nordsee sind Natura2000-Schutzgebiete eingerichtet, um besondere Habitate und ihre assoziierte Fauna zu bewahren oder wiederherzustellen. Dazu zählen die durch menschlichen Einfluss verloren gegangenen Riffe der Europäischen Auster (Ostrea edulis), die nun durch Wiederansiedlung im Borkum Riffgrund restauriert werden sollen.

Um zu prüfen, ob die Austern sich ausgehend von den Restaurationsflächen über ihre Larven auch in andere Schutzzonen in der Nordsee verbreiten können, und damit die Netzwerkfunktion oder ‚Konnektivität‘ zwischen diesen Zonen bewerten zu können, setzen wir genetische Methoden ein. Auch die die Biodiversität am Austernriff selbst untersuchen wir mittels Genetik.

Mithilfe molekulargenetischer Techniken bewerten WP 2.3 die biologische Vielfalt der Meeresfauna und insbesondere des Meroplanktons, also der planktischen Lebensstadien von Fischen und benthischen Organismen. Im Juni 2023 haben wir dafür auf weiteren 21 Stationen Proben entnommen - am wiederhergestellten Austernriff und in verschieden großen Entfernungen davon, um die Konnektivität zwischen den Natura2000-Gebieten zu ermitteln.

Kingsly C. Beng konnte für CREATE WP 2.3 auf zwei Seereisen mit dem Forschungskutter ‚Senckenberg‘ in den beiden Reallaboren Borkum Riffgrund (BRG) und Sylter Außenriff (SAR) sowie auf einem Transsekt dazwischen Meroplankton-Proben gewinnen, die auf die Anwesenheit von Austernlarven untersucht werden. Um ein ausreichendes Wasservolumen in direkter Nähe zu Riff zu erhalten, setzte er eine einfache Kombination aus Schlauch und Pumpe ein.

Um die mögliche Richtung einer Verdriftung der Larven während ihrer Lebensphase im Plankton zu ergründen, kamen zwei Drifter zum Einsatz, die in Kooperation mit Wissenschaftlern des ICBM der Uni Oldenburg ausgebracht wurden. Damit stehen Ausgangsdaten für die biophysikalische Modellierung im CREATE WP 2.3 bereit.

Für eine nicht-invasive Erfassung der Metazoen-Biodiversität setzen wir auf Umwelt-DANN (eDNA), Genfragmente im Wasser, die aus Exkrementen oder Überreste von Organismen entstehen. Die "Kaffeemaschine", vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen für das CREATE-Projekt konstruiert, erlaubte es, die eDNA recht bequem auf Filtern aus dem Meerwasser zu extrahieren.