Citizen Science, Smartphones, Machine Learning – all diese Trends bringt das Forschungsprojekt „Flora Incognita“ zusammen. Mit der dafür entwickelten App lassen sich wildblühende Pflanzen in Deutschland bestimmen. Die Biologin Jana Wäldchen stellt die App und die Wissenschaft dahinter vor.
Ein Editorial von Dr. Jana Wäldchen, Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Die Vereinten Nationen haben die Jahre 2011 bis 2020 zur Dekade für biologische Vielfalt erklärt. Biodiversität, die Erhaltung der Vielfalt innerhalb der Arten, zwischen den Arten und der Ökosysteme soll damit mehr Aufmerksamkeit bekommen. Denn immer weniger Menschen können heute einzelne Arten sicher erkennen und ihr Vorkommen in einen ökologischen Zusammenhang stellen – besonders heimische Wildkräuter sind für Laien schwer zu unterscheiden. Pflanzen bilden für das ungeübte Auge eine anonyme grüne Masse. Selbst eine „Blumenwiese“ wird von vielen Menschen nur als „Gras“ wahrgenommen.
Wenn wir aber unsere Natur schützen und nachhaltig nutzen wollen, braucht es dieses Wissen. Mit den schwindenden Kenntnissen über Tiere, Pflanzen und ökologische Zusammenhänge nimmt auch die Bereitschaft ab, sich für Naturschutz- und Umweltschutz einzusetzen. Wie soll man für den Schutz der Vielfalt von Arten werben, wenn diese Vielfalt praktisch nicht bekannt ist?
Gleichzeitig steigt das Interesse für digitale Medien. Technische Entwicklungen beeinflussen bereits in vielen Lebensbereichen unsere Art zu lernen und sich Wissen anzueignen. Und genau hier wollen wir mit dem „Flora Incognita“-Projekt anknüpfen. Dafür entwickeln wir seit gut drei Jahren ein Verfahren zur teilautomatischen, interaktiven Pflanzenbestimmung mit Smartphones. Unter dem Motto „Computerwissenschaften treffen auf Natur“ arbeitet ein interdisziplinäres Team aus den Fachbereichen Botanik, Informatik, Physik und Medienwissenschaften an einer Lösung, um Pflanzenbestimmung einfacher und für jeden und jede Interessierte verfügbar zu machen – und somit das Bewusstsein für die Artenvielfalt zu stärken.
Die „Flora Incognita“-App hat seit Kurzem die Test-Phase überstanden und kann nun von allen verwendet und kostenlos in den App-Stores (iOS oder Android) heruntergeladen werden. Je nach Lebensform der Pflanze (Kraut, Gras, Baum oder Farn) braucht unser System aktuell zwei charakteristische Fotos, um die Pflanze zu identifizieren. Die Bilder werden anhand eines neuronalen Netzwerkes auf unseren Servern klassifiziert. Dafür wird eine maschinell optimierte Netzwerkarchitektur mit 88,9 Millionen Parametern verwendet, die mittels „Deep Learning“ auf einem extrem umfangreichen Datensatz von aktuell 780.000 Pflanzenbildern trainiert wurde. Zusätzlich wird der Standort sowie das Aufnahmedatum des Fotos der Pflanze bei der automatischen Erkennung mit einbezogen: Ein Wahrscheinlichkeitsmodell berechnet daraus die vorkommenden Pflanzenarten und bringt diese Informationen mit dem Ergebnis der Bilderkennung zusammen. Zusätzlich zu der bestimmten Pflanzenart bekommen die Nutzerinnen und Nutzer anhand eines Steckbriefes weitere Information wie etwa Merkmale, Verbreitung oder Schutzstatus.
Derzeit sammeln 650 Personen mit unseren Apps standardisierte Pflanzenbilder aus ganz Deutschland. Je mehr Bilder wir erhalten – insbesondere von seltenen und sehr ähnlichen Arten –, desto besser wird die automatische Bilderkennung langfristig funktionieren. Wir werden außerdem kontinuierlich unsere Algorithmen und Modelle verbessern. Daher freuen wir uns über ein breites Feedback von vielen Nutzerinnen und Nutzern.
Langfristig können wir als Forschende mit den Daten auch viele weitere Aussagen treffen: Wann blühen welche Arten? Wie stark variieren die Eigenschaften der einzelnen Pflanzen? Welche Zusammenhänge gibt es zum Klimawandel und der Art der Landnutzung?
Für mich als Wissenschaftlerin in einem eher grundlagenorientierten Forschungsinstitut ist es eine neue und inspirierende Erfahrung in einem Forschungsprojekt zu arbeiten, für das eine App entwickelt wird, die von möglichst vielen Menschen im Alltag genutzt werden kann. Ein anderer Vorteil ist, dass wir schon während des Forschungsprozesses das Wissen und das Engagement von Interessierten einbeziehen und davon profitieren. Dadurch dass viele Naturbegeisterte Bilder von Pflanzen in unsere Datenbank hochladen, haben wir mehr Daten von einer größeren Fläche, als das etwa in früheren Forschungsprojekten möglich war.
Zur Autorin
Dr. Jana Wäldchen arbeitet am Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena. Gemeinsam mit Prof. Dr. Patrick Mäder von der Technischen Universität Ilmenau leitet Sie „Flora Incognita“. Das Verbundprojekt zwischen der TU Ilmenau und dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie wird vom BMBF, BfN und der Naturschutzstiftung Thüringen gefördert. Zur App direkt kommen Sie in den jeweiligen App-Stores (iOS oder Android), weitere Informationen finden Sie auf der Webseite www.floraincognita.com – oder Sie folgen auf Facebook, Twitter oder Instagram.
22. Mai 2018
Bildnachweis: Dr. Jana Wäldchen © J. Wäldchen; App im Einsatz © P. Mäder
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