Ein Hightech-Frühwarnsystem für die Biodiversitätsforschung

Umweltveränderungen erreichen in ihrer Intensität und Geschwindigkeit mittlerweile historische Ausmaße: Drastische Rückgänge der Artenvielfalt und der Klimawandel destabilisieren zusehends unsere Ökosysteme mit unabsehbaren Folgen für Mensch und Tier. Immer mehr Tiere werden auf der Suche nach Nahrung aus ihrem natürlichen Habitat verdrängt und dringen in den menschlichen Lebensraum ein.

Um diesen Entwicklungen entgegenzuwirken und die Biodiversität zu schützen, haben wir uns mit dem Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) in der GAIA-Initiative zusammengeschlossen. Gemeinsam mit unseren Projektpartnern, der Vectronic Aerospace GmbH und Rapid Cubes GmbH, entwickelten wir ein Hightech-Frühwarnsystem, das ökologische Veränderungen und kritische Ereignisse in der Umwelt erfasst.

Durch den Einsatz modernster Kamera-Tags mit sensornaher künstlicher Intelligenz und satellitengestützter IoT-Kommunikation lässt sich das Verhalten von Wildtieren präzise analysieren und umfassend dokumentieren. So können geeignete Maßnahmen frühzeitig ergriffen werden, um die Biodiversität zu fördern und negativen Entwicklungen nachhaltig vorzubeugen.

Innovative Tiersender: Minimale Größe, maximale Effizienz

Klein und
energieautark

Die Sender dürfen die Tiere weder behindern noch stören. Der Einsatz von Tiersendern erstreckt sich über lange Zeiträume und große Distanzen, was Einschränkungen hinsichtlich Gewicht, Baugröße und Energiebudget mit sich bringt.

Um die Daten auf lokaler Hardware verarbeiten zu können, muss die Rechenleistung ausreichend dimensioniert sein. Bei mobilen Sendern an Kleintieren gestaltet sich das jedoch als schwierig. Geier können nur einen kleinen Teil ihres eigenen Körpergewichts tragen, was die Größe und das Gewicht der Hardware begrenzt. Die Ausführung komplexer KI-Algorithmen auf Tiersendern ist insofern nur eingeschränkt möglich, da die erforderliche Hardware zu schwer wäre.

Clevere Datenaggregation

Sensoren ermöglichen die Messung von Daten an Tieren und in ihrer Umgebung, aus denen Wissenschaftler wichtige Informationen über den Zustand von Ökosystemen ableiten können. Die Herausforderung liegt jedoch in der enormen Datenmenge, die oft die Übertragungskapazität übersteigt.

Durch eine lokale Vorverarbeitung der Sensordaten kann die Datenmenge bereits vor der Übertragung reduziert und damit die benötigte Datenrate verringert werden. Gleichzeitig erfordert das Training neuronaler Netze große Datenmengen und eine hohe Rechenleistung. Da die benötigten Datensätze für die Wildtierforschung oft nicht ausreichend und reproduzierbar sind, stellen die rechenintensiven Algorithmen eine Herausforderung für die Ausführung auf ressourcenbeschränkten, portablen Embedded Systemen dar.

Minimale
Latenz

Tierschwärme leben häufig in abgelegenen Gebieten, die außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastruktur liegen.

In schlecht angebundenen Regionen können große Datenmengen oft nur innerhalb von Tagen oder sogar Wochen übertragen werden, was zu einer hohen Latenz führt. Die Verzögerung bei der Datenübertragung kann auch die Auswertung der Daten erheblich behindern. Gerade in kritischen Situationen, in denen schnelles Handeln erforderlich ist, kann dies äußerst problematisch werden. Tierschützer und Forschende sind oft auf aktuelle Daten angewiesen, um fundierte Entscheidungen treffen zu können. Eine langsame Datenübertragung kann daher die sofortige Reaktionsfähigkeit der Wissenschaftler beeinträchtigen.

IoT trifft Künstliche Intelligenz

Sensornahe Datenauswertung

Die mit Tiersendern gesammelten Daten sind schwer zu interpretieren und können aufgrund der energieintensiven Übertragung nicht vollständig gesendet werden.

Deshalb setzen wir auf eine sensornahe KI, die die Datenmenge auf wesentliche Informationen reduziert. In Echtzeit kann entschieden werden, welche Daten zum Satelliten gesendet werden, wodurch die Auslastung der Funkkanäle optimiert wird. Die im Sender integrierte Bilderkennungs-KI unterstützt zusätzlich, indem sie relevante Verhaltensmuster der Tiere erkennt und den Kamerasensor nur bei Bedarf auslöst. 

Datenverarbeitung mit Extreme Edge Computing

Aufgrund der begrenzten Rechenleistung der tragbaren Tiersender nutzen wir das Konzept des Extreme Edge Computing.

Dabei werden komplexe Algorithmen nicht nur zentral, sondern verteilt auf mehreren Tiersendern verarbeitet, die im Schwarm zusammenarbeiten. Durch den Aufbau von Ad-hoc-Netzwerken können wir die Rechenlast effizient verteilen und so die Performance der Datenauswertung steigern.

Satellitengestützte Daten-
übertragung

Um eine flächendeckende IoT-Konnektivität zu erreichen, ist die Unterstützung satellitengestützter Netze in abgelegenen Gebieten unerlässlich.

Mit unserem Kommunikationssystem, das auf der mioty®-Technologie basiert, ermöglichen wir eine direkte, bidirektionale Datenübertragung zwischen Tiersendern und Satelliten. Damit stellen wir nicht nur sicher, dass die gesammelten Daten sicher und energieeffizient übertragen werden, sondern ermöglichen gleichzeitig die Steuerung der Sendeknoten in Echtzeit.

Ein Zusammenspiel innovativer Projekte

Die GAIA-Initiative besteht aktuell aus den beiden Teilprojekten GAIA-Sat-IoT und SyNaKI. Sie wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

GAIA-Sat-IoT

Im Projekt »GAIA-Sat-IoT« wurden intelligente Kamera-Tags mit integrierter KI und satellitengestützter IoT-Kommunikation zur Erfassung ökologischer Daten und zur Früherkennung von Wildtierkrankheiten entwickelt.

Laufzeit: 01.01.2022 bis 31.12.2024

Förderkennzeichen: 50YB2201B

 

SyNaKI

Im Projekt »SyNaKI« wurde eine virtuelle Schwarmintelligenz entwickelt, die die Interaktion von Tieren und Mikroprozessoren in digitalen Netzwerken nutzt, um eine effizientere Datenanalyse durch verteilte künstliche Intelligenz zu erreichen. Ziel war es, die Datenübertragung und -analyse von Tiersendern zu verbessern, inspiriert durch die Schwarmintelligenz von Geiern und deren Interaktion mit anderen Raubtieren.

Laufzeit: 01.01.2022 bis 30.06.2024

Förderkennzeichen: 50YB2202B

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