Supercomputer hilft beim Bestimmen von Schmetterlingen

Ein bedeutender Schritt für die heimische Biodiversitätsforschung: Blühendes Österreich – BILLA gemeinnützige Privatstiftung und NÖ-Umweltbewegung „Natur im Garten“ setzen erstmals ein Machine Learning Tool im Citizen Science-Projekt „Schmetterlinge Österreichs“ ein. Die Universität Innsbruck hat die Implementierung wissenschaftlich begleitet. Die Betaversion der App „Schmetterlinge Österreichs“ mit integrierter KI ist ab sofort kostenlos in allen Appstores verfügbar.

Die Teilnehmer:innen des Citizen Science Projekts haben seit 2016 über die dazugehörige App über eine Million Bilder heimischer Falter fotografiert und hochgeladen. Aus diesem Datenschatz wurden über 530.000 verifizierte Fotos ausgewählt, um das Machine Learning Tool TensorFlow zu trainieren, basierend auf den 192 in der App erfassten Schmetterlingsarten.

Dr. Johannes Rüdisser, Institut für Ökologie der Universität Innsbruck und Projektleiter des Schmetterlingsmonitorings Österreich (viel-falter.at), zeigt sich erfreut über das neue Machine Learning Tool: „Das Projekt ist ein wichtiger Schritt, um Citizen-Science-Aktivitäten mit künstlicher Intelligenz zu unterstützen. Korrekt bestimmte und räumlich verortetet Bilder von Schmetterlingsbeobachtungen sind eine wertvolle Datenquelle für die Biodiversitätsforschung. Sie können etwa dabei helfen, die Verbreitung bestimmter Schmetterlingsarten zu analysieren. Werden diese modernen Technologien sinnvoll und reflektiert eingesetzt, können sie dazu beitragen, verschiedenste Biodiversitätsdaten der breiten Öffentlichkeit zugänglich und nutzbar zu machen.“

Das Modell wurde ausschließlich auf lokalen Servern in Österreich entwickelt und funktioniert direkt am Smartphone oder Tablet und das schnell, sicher und datenschutzkonform. Die manuelle Artbestimmung über Filter bleibt weiterhin möglich, ebenso wie die bewährte Unterstützung durch die Community über Kommentare.

Dr. Peter Huemer, Schmetterlingsexperte der Tiroler Landesmuseen und Vorstand von Blühendes Österreich, betont:
„Der Einsatz von KI eröffnet neue Dimensionen in der Bestimmung und Erforschung von Schmetterlingen. Unser besonderer Dank gilt Helmut Höttinger, der die Verifizierung der Schmetterlinge in der App gewährleistet und damit die entscheidende Grundlage für das Training des Machine Learning Tools geschaffen hat.“

Herausfordernde Schmetterlingsvielfalt für die Künstliche Intelligenz

Die hohe Schmetterlingsvielfalt in Österreich bedeutet für die Künstliche Intelligenz eine Herausforderung. Es gilt die Maschine für die Erkennung von 192 unterschiedliche Arten in ihrer Farbenvielfalt und Größe sowie dem Unterschied zwischen Männchen und Weibchen zu trainieren. Bei den häufigsten gemeldeten Arten wie Tagpfauenauge oder Admiral liegen über 10.000 Fotos vor. Bei seltenen Arten jedoch zum Teil weniger als hundert. Unterschiedliche Faktoren wie Beschaffenheit, Auflösung und Komposition der Fotos haben enormen Einfluss auf die Lernfähigkeit der Künstlichen Intelligenz. Trotz des riesigen Datensatzes ist daher eine Fehleranfälligkeit gegeben. 

Wissenschaftliche Begleitung durch die Universität Innsbruck

Die Nachwuchsforscherin Friederike Barkmann, Doktorandin an der Universität Innsbruck, erarbeitete ein eigenes KI-Modell basierend auf demselben Bilddatensatz des Citizen-Science Projekts „Schmetterlinge Österreichs“. Ziel war die Qualität der Bestimmung durch die KI kritisch zu untersuchen. Unter der Betreuung von Dr. Johannes Rüdisser, Institut für Ökologie Universität Innsbruck und Projektleiter des Schmetterlingsmonitoring Österreich, trainierte Barkmann die KI auf dem Supercomputer LEO5 der Universität Innsbruck. Darüber hinaus erhielt sie Zugang zum europäischen Hochleistungsrechner LEONARDO an der Universität Bologna – mit Unterstützung von EuroCC Austria, dem nationalen Kompetenzzentrum für High Performance Computing, HPDA und Künstliche Intelligenz.

Friederike Barkmann hält als ein Ergebnis ihrer Forschung fest: „Bei einem solchen Projekt gilt: Je mehr Fotos es von einer Art gibt, umso einfacher ist es für das jeweilige Modell, die Arten richtig zu bestimmen. Für Biodiversitätsdaten ist es typisch, dass es von einer Art 10.000 oder mehr Fotos gibt und von einer anderen nur zehn. Fachleute sprechen in so einem Fall von Class Imbalance (Klassenungleichgewicht). Es geht also darum, die “kleinen” Arten im Machine-Learning-Modell stärker zu gewichten.“

Citizen Science für die Artenvielfalt: „Schmetterlinge Österreichs“

Seit 2016 ist Blühendes Österreich Mitglied der Plattform „Österreich forscht“ und stärkt die Citizen-Science-Forschung in Österreich. Die kostenlose App Schmetterlingsapp.at und ihre Desktopversion ermöglichen es allen, einen Beitrag zur Erfassung der Verbreitung der österreichischen Schmetterlinge zu leisten. Rund 160 Tagfalter- und 32 Nachtfalterarten können mit wenigen Klicks erfasst werden. Ein integriertes Fotosystem lädt Beobachtungen in Sekundenbruchteilen in eine öffentlich einsehbare Galerie, die größte Schmetterlingsgalerie Österreichs. So wird jede Meldung sichtbar, diskutierbar und Teil eines wachsenden Wissensschatzes für Forschung und Naturschutz.

Hintergrund: Über 50 % der Tagfalter Österreichs gelten laut Roter Liste als gefährdet. Ihr Rückgang ist ein deutliches Warnsignal für den Zustand unserer Ökosysteme. Mit jeder einzelnen Beobachtung leisten Bürger:innen einen wichtigen Beitrag zur Dokumentation und zum Schutz dieser bedrohten Artenvielfalt.
„Dieses Tool ist ein wichtiger Beitrag, um Naturbeobachtung niederschwellig und gleichzeitig wissenschaftlich wertvoll zu gestalten, und hilft, Menschen für die Schmetterlingsvielfalt zu begeistern“, so die „Natur im Garten“ Geschäftsführer Christa Lackner und Matthias Wobornik.

Über Blühendes Österreich – BILLA gemeinnützige Privatstiftung 

BILLA AG und BirdLife Österreich haben mit Blühendes Österreich – BILLA gemeinnützige Privatstiftung eine gemeinsame Initiative für Biodiversität, Naturschutz und Klimaschutz gestartet. Blühendes Österreich hat seit 2015 über 300 Partner:innen und Initiativen finanziert. Damit wurde ein messbarer Beitrag zu Verbesserung und Wiederherstellung von über 1.300 Hektar naturschutzfachlich wertvollen Biotopen geleistet. Die Europäische Union zeichnete Blühendes Österreich 2022 mit dem renommierten NATURA 2000-Award aus. Mit dem Citizen Science Projekt „Schmetterlinge Österreichs“ finanziert Blühendes Österreich eines der größten Schmetterlingsprojekte Europas.

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