Monitoring von Pinguinkolonien in der Antarktis mit Hilfe der Fernerkundung

Abstract

Pinguine sind ein zentrales Element im Ökosystem der Antarktis und des Südozeans. Sowohl als Prädator als auch als Nahrungsquelle für andere Tiere werden sie direkt von Umweltveränderungen beeinflusst. Die in einer Vielzahl von Kolonien beobachteten Bestandsveränderungen werden gegenwärtig dem Klimawandel und der marinen Fischerei zugeschrieben. Gleichzeitig sind Pinguine die einzige Organismengruppe der Antarktis, die mit Hilfe von Satelliten sicher beobachtbar ist. In dieser Studie wurden, aufbauend auf einer vorangegangenen Studie (Mustafa et al. 2017), Methoden entwickelt und überprüft, die ein künftiges antarktisweites Monitoring von felsbrütenden Pinguinen erlauben. Es wird untersucht, welche neuen Technologien sich für die Detektion antarktischer Pinguine eignen. Dies betrifft insbesondere neue Satellitenplattformen (z.B. Sentinel-2, SkySat), aber auch Drohnen (Multikopter, Starrflügler). Neue Verfahren der Klassifizierung von Fernerkundungsdaten werden entwickelt und getestet (GEOBIA, MPRM, Deep Learning), um eine höhere Ergebnisqualität und einen höheren Automatisierungs- und Operationalisierungsgrad zu erreichen. Ein Verfahren zur Bestimmung von Pinguinbrutpaarzahlen aus Drohnenaufnahmen konnte entwickelt werden, während die sichere Unterscheidung der Arten der Gattung Pygoscelis in Satellitenbildern noch immer nicht möglich ist. Für die drohnenbasierte Detektierung von fliegenden Seevögeln und Robben in der Antarktis konnte dagegen eine Planungs- und Bestimmungshilfe erstellt werden. Temporale Variationen in der Ausdehnung und Besetzung von Pinguinkolonien wurden insbesondere auf ihre Verknüpfung mit der Brutphänologie hin untersucht, mit dem Ziel, Klassifikationsergebnisse verschiedener Aufnahmezeitpunkte vergleichbar zu machen. Als potentiell geeignete Referenzgebiete für ein großräumiges Monitoring wurden fünf Gebiete ausgewählt (Ardley Island, Narebski Point, Drake Passage, Deception Island, South Shetland Islands). Die gewonnenen Erkenntnisse sind Teil eines umfangreichen Inventars an Methoden, das künftigen Monitoringprogrammen zur Verfügung steht. Dies schließt auch Erkenntnisse zu den Umweltauswirkungen von Drohnenflügen und die Anwendung stationärer Kameras ein. Für die organisatorische Einbindung eines solchen Programmes wird auf CCAMLR CEMP verwiesen. Neben den entwickelten Methoden wurde in dieser Studie eine Reihe von fernerkundlichen oder terrestrischen Daten erarbeitet, die entweder an vorhandene Datenreihen anschließen, oder Ausgangspunkt für langfristige Beobachtungen sein können. Mit MAPPPD steht inzwischen auch eine geeignete Datenbankstruktur für Speicherung, Abruf und Weitergabe der Daten zur Verfügung. Die inhaltlichen Voraussetzungen für ein hochqualitatives und effizientes antarktisweites Monitoring von Pinguinen sind somit weitgehend vorhanden; es bedarf nur noch einer organisatorischen Umsetzung. Quelle: Forschungsbericht

Penguins are a central element in the Antarctic and South Ocean ecosystems. As predators as well as food sources for other animals, they are directly influenced by environmental changes. The population changes observed in a large number of colonies are currently attributed to climate change and marine fisheries. At the same time, penguins are the only Antarctic organism group that can be reliably observed using satellites. In this study, based on a previous study (Mustafa et al. 2017), methods were developed and tested to allow future Antarctic-wide monitoring of rock-breeding penguins. New technologies for the detection of Antarctic penguins were investigated. This applies in particular to new satellite platforms (e.g. Sentinel-2, SkySat) but also to drones (multicopters, fixed-wing aircraft). New methods for the classification of remote sensing data were developed and tested (GEOBIA, MPRM, Deep Learning) in order to achieve a higher quality of results and a higher degree of automation and operationalisation. A method for the determination of penguin breeding pair numbers from drones could be developed, while the reliable differentiation of the species of the genus Pygoscelis in satellite images is still not possible. For the drone-based detection of flying seabirds and seals in Antarctica, a guide for planning and identification was developed. Temporal variations in the extent and occupation of penguin colonies were investigated in particular with regard to their link to breeding phenology, with the aim of making classification results of different image dates comparable. Five areas were selected as potentially suitable reference sites for large-scale monitoring (Ardley Island, Narebski Point, Drake Passage, Deception Island, South Shetland Islands). The findings are part of a comprehensive inventory of methods available for future monitoring programmes. This also includes findings on the environmental impacts of drone flights and the use of stationary cameras. For the organisational integration of such a programme, reference is made to CCAMLR CEMP. In addition to the developed methods, a number of remote or terrestrial data were collected in this study, which can either be connected to existing data series or used as a starting point for long-term observations. With MAPPPD, a suitable database structure for storing, retrieving and disseminating the data is now also available. The technical and scientific prerequisites for high quality and efficient Antarctic-wide monitoring of penguins are thus largely in place; only an organisational implementation is required. Quelle: Forschungsbericht

Pinguine gelten wie kaum ein anderer Organismus als geeignete Indikatoren für den Zustand und die Veränderung antarktischer Ökosysteme. Durch die Klimaerwärmung und der unterschiedlichen Verfügbarkeit von Nahrung finden großräumig Bestandsveränderungen statt. Um Klarheit über bisherige und zukünftige Bestandsentwicklungen antarktischer Pinguine zu erhalten, wurden fernerkundliche Methoden entwickelt, die es ermöglichen, Änderungen in der Verteilung und Dichte von Pinguinkolonien zu erfassen. Dabei bedient man sich eines Tricks: da die Pinguine auf den Satellitenbildern nicht erkennbar sind, schließt man von der erkennbaren Verteilung der Guanoablagerungen auf die Anzahl der Pinguinnester.