Die Khaled Bin Sultan Living Oceans Foundation hat mit der NASA eine Partnerschaft geschlossen, um die Kartierung der Korallenriffe der Welt zu beschleunigen.
Korallenriffe stecken in der Krise. Korallen sind eine uralte Lebensform und aufgrund der Riffe, die sie bilden, ist das Überleben zahlloser anderer Organismen von gesunden Korallenökosystemen abhängig. Doch Korallenriffe sterben mit alarmierender Geschwindigkeit. Die Welt hat in den letzten 40 Jahren mehr als die Hälfte ihrer Riffe verloren. Der Rest könnte bis zum Ende des Jahrhunderts verloren sein, wenn die Bemühungen zum Schutz der Riffe nicht schnell Erfolge erzielen. Um etwas zu schützen, muss man zunächst wissen, wo es ist und wie viel davon noch übrig ist. Bei Korallenriffen war dies bisher schwer zu verfolgen, da sie unter den Wellen verborgen sind, aber das ändert sich, da Wissenschaftler neue Technologien entwickeln, um Korallenriffe aus dem Weltraum zu kartieren.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, arbeitet die Khaled bin Sultan Living Oceans Foundation (KSLOF) mit dem Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley zusammen, um die umfangreichen hochauflösenden Daten der Stiftung über Riffe zu nutzen und damit die Korallenkartierungskapazitäten der NASA zu erweitern. Diese Partnerschaft wird es der NASA ermöglichen, Karten aller Korallenriffe der Welt zu erstellen und zu verfolgen, wie sich Riffe im Laufe der Zeit verändern. So erhalten Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Erkenntnisse, die sie zur Bewältigung der Korallenriffkrise benötigen.
Das Space Act Agreement mit der Khaled bin Sultan Living Oceans Foundation gibt der NASA Zugriff auf Daten der Stiftung Globale Riffexpedition, eine der größten Korallenuntersuchungen, die jemals durchgeführt wurden. Die Partnerschaft wird diesen riesigen Datensatz in Verbindung mit dem neuronalen Netzwerk NeMO-Net und dem Supercomputer Pleiades in Ames nutzen, der NeMO-Net. Das NeMO-Net-Projekt zielt darauf ab, den Zustand der Korallenriffe der Welt zu kartieren und zu verfolgen, um uns den besten Blick unter die Meeresoberfläche zu ermöglichen, den wir je hatten. Mithilfe eines revolutionären neuen Fernerkundungsinstruments Die FluidCam der NASA, das ohne Verzerrung unter die Meereswellen blicken kann, können Korallenriffe von Drohnen und Flugzeugen aus zentimetergenau in 3D vermessen werden. NeMO-Net verwendet Daten dieses Instruments der nächsten Generation, um Korallen auf der ganzen Welt zu klassifizieren. Mit dieser Kombination aus Werkzeugen und Informationen werden die Karten von NeMO-Net genauer und geben Forschern und Umweltmanagern bessere Informationen darüber, was mit Korallenriffen geschieht und wie sie in einer Zeit, in der sie beispiellosen anthropogenen Belastungen ausgesetzt sind, geschützt werden können.
Um den Datensatz zusammenzustellen, der das neuronale Netzwerk NeMO-Net trainieren wird, verbrachte die Living Oceans Foundation im Rahmen der Global Reef Expedition zehn Jahre damit, Korallenriffe zu kartieren und zu untersuchen. Diese Forschungsmission umsegelte den Globus, um die Korallenriffkrise zu bekämpfen. Hunderte von Wissenschaftlern waren daran beteiligt und verbrachten Zehntausende Stunden unter Wasser damit, Korallenriffe im Atlantik, Pazifik, Indischen Ozean sowie im Roten Meer zu untersuchen. Neben wissenschaftlichen Berichten über den Zustand der Riffe wurden im Rahmen der Expedition hochauflösende Korallenriff-Lebensraumkarten von 65,000 Quadratkilometern erstellt – das entspricht etwa einem Fünftel der Korallenriffe der Welt.
„Als die Stiftung 2006 die Global Reef Expedition startete, war dies ein unglaublich ehrgeiziges Unterfangen. Wir entwickelten die Technologie im Laufe der Zeit weiter und entwickelten neue Wege zur Kartierung von Korallenriffen mithilfe von Satellitenbildern, die mit vor Ort aufgenommenen Daten abgeglichen wurden“, sagte Sam Purkis, leitender Wissenschaftler der KSLOF sowie Professor und Vorsitzender der Abteilung für Meeresgeologie an der Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science der University of Miami. Purkis leitete die Bemühungen der Stiftung zur Kartierung der Korallenriffe während der Global Reef Expedition und ist begeistert, dass die NASA die Daten der Stiftung nutzt, um die Kartierung der Korallenriffe auf die nächste Ebene zu bringen. „Das ist ein Wendepunkt“, sagte Purkis. „Die neuen Bildgebungstechnologien und Supercomputer der NASA verändern dramatisch die Möglichkeiten der Kartierung von Korallenriffen.“
Mithilfe neuronaler Netzwerke und maschinellem Lernen automatisiert die NASA einen Prozess, für den ein Team von KSLOF-Wissenschaftlern Jahre benötigte. Doch diese Automatisierung erfordert riesige Mengen an Trainingsdaten, die die NASA nicht hatte, die KSLOF jedoch auf der Global Reef Expedition gesammelt hat. Einige der benötigten Daten hat die NASA mithilfe von Zehntausenden von Bürgerwissenschaftlern auf der ganzen Welt beschafft, die die NeMO-Net-Spiel, ein interaktives Citizen-Science-Videospiel, in dem die Spieler Korallen anhand von 3D-Bildern der Riffe identifizieren und klassifizieren. Der globale Datensatz, den KSLOF der Agentur zur Verfügung stellt, darunter alle auf der Global Reef Expedition erstellten Korallenriff-Lebensraumkarten, dient zur Validierung und Überprüfung der Trainingsdaten, die sie benötigen, um Korallenriffe anhand von Satellitenbildern auf globaler Ebene präzise zu kartieren.
„Wenn Sie Deep Learning oder maschinelles Lernen verwenden, ist die Qualität der verwendeten Daten von enormer Bedeutung“, sagte Alexandra Dempsey, Direktorin für Wissenschaftsmanagement bei KSLOF. „Die Stiftung verfügt über den Goldstandard-Datensatz zum Trainieren von etwas wie Deep Learning, weil wir wissen, dass es richtig ist – wir haben ein Schiff genommen und sind tatsächlich dorthin gefahren.“ Die einzige Möglichkeit, einen sehr genauen globalen Datensatz zu sammeln, besteht darin, vor Ort zu sein. „Als wir mit dem GRE begannen, hatten wir keine Ahnung, dass unsere Daten auf diese Weise verwendet werden könnten, die Technologie entwickelte sich so schnell, aber wir wussten, dass wir wertvolle Daten sammelten, die den Test der Zeit bestehen mussten.“
Das Problem für die Korallenriffforschung besteht darin, dass die große Mehrheit der Riffe weltweit so abgelegen liegt, dass Wissenschaftler sie nicht oder nicht oft erreichen können. Zurzeit kann man nur mit Sporttauchern beobachten, wie sich Riffe im Laufe der Zeit verändern, was teuer, zeitaufwändig, gefährlich und unvoreingenommen sein kann. „Da die NASA diese Daten nun hat, muss man plötzlich nicht mehr ins Feld gehen, sondern kann Korallenriffe aus dem Weltraum kartieren. Das ist ein großer Fortschritt für den Naturschutz“, sagte Purkis. Anhand alter Satellitenbilder kann die NASA nicht nur aufzeichnen, wie Riffe heute aussehen, sondern auch verfolgen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. Die Karten der NASA werden in Zukunft wahrscheinlich noch genauer werden, wenn Satelliten mit neuer Technologie in die Umlaufbahn gebracht werden, die im Rahmen des NeMO-Net-Programms entwickelt wird, um unter die Meeresoberfläche blicken zu können.
„Diese Karten werden für den Schutz der Korallenriffe unglaublich wertvoll sein“, sagte Dempsey, die ihre gesamte Karriere der Korallenriffforschung und dem Schutz gewidmet hat. „Es ist wirklich schwierig, wirksame Schutzstrategien wie Meeresschutzgebiete zu entwickeln, wenn man nicht weiß, was man schützt. Diese Karten füllen diese Lücke und haben das Potenzial, den Korallenriff-Ökosystemen und den Menschen, die von ihnen abhängen, für kommende Generationen zu nützen.“