Geautomatiseerde exotenherkenning in de Biesbosch

Wat is de optimale manier om Reuzenbalsemien in de Biesbosch geautomatiseerd in kaart te brengen? Met dit vraagstuk zijn we voor de provincie Zuid-Holland aan de slag gegaan. In een pilotgebied van 2 km² hebben we verschillende technieken vergeleken; het gebruik van drones, vliegtuigen en satellieten. Benieuwd naar de meest succesvolle aanpak? Lees dan verder.

Exoten zijn soorten die niet in Nederland thuis horen. Ze vormen een probleem doordat ze de soorten (zowel flora als fauna) die wel bij ons landschap horen wegconcurreren. Hierdoor verdwijnen ecologisch waardevolle soorten; exoten zijn dan ook een bedreiging voor de inheemse biodiversiteit.

Reuzenbalsemien, een bedreiging voor inheemse biodiversiteit

Reuzenbalsemien is een uitheemse soort die in Nederland op steeds meer plekken opduikt. Deze invasieve exoot verspreidt zich snel. De plant groeit goed op stikstofrijke grond en kan dan gemakkelijk andere soorten overwoekeren. Doordat de plant in de winter sterft, ontstaat er steeds meer open grond die erosiegevoelig is. Reuzenbalsemien wordt ook wel springbalsemien genoemd omdat de zaden meters ver wegschieten. Van iedere plant schieten duizenden zaden door de lucht. De zaden die in het water terechtkomen worden over grote afstanden verspreid. Niet gek dat deze exoot zo snel verspreid door een waterrijk natuurgebied als de Biesbosch.

Omdat reuzenbalsemien veel nectar levert en in een gunstige periode bloeit, is de plant aantrekkelijk voor hommels en honingbijen. Dit gegeven en de aanwezigheid van veel Reuzenbalsemien in de Biesbosch maakt het gebied interessant voor imkers. Er vliegen vele bijenvolken door de Biesbosch. Deze bijen concurreren met andere bestuivers zoals wilde bijen en zweefvliegen. Als inheemse planten niet goed bestoven worden en hun populaties afnemen, biedt dit nog meer ruimte aan invasieve plantensoorten om zich te verspreiden en te domineren. Dit oefent vervolgens verdere druk uit op inheemse flora- en faunasoorten.

Reuzenbalsemien of Springbalsemien (Impatiens glandulifera) wordt met onze software herkent op onze dronebeelden van de Biesbosch Bron: Floralyze

Remote sensing

Automatische inventarisatie van Reuzenbalsemien met remote sensing technologie biedt een efficiënte manier om inzicht te krijgen in de verspreiding van de soort. Bijkomend voordeel is dat ontoegankelijk gebied ook geïnventariseerd kan worden. Bij Remote Sensing wordt informatie verzameld vanaf een afstand, meestal met behulp van satellieten, vliegtuigen, of drones. Door gebruik te maken van kunstmatige intelligentie (ook wel Artificial Intelligence, AI) vindt automatische analyse en interpretatie plaats van de verzamelde gegevens. Plantensoorten kunnen automatisch worden herkend en gelokaliseerd.

Met deze techniek analyseert Ecogoggle momenteel meerdere gebieden in Nederland waaronder de Coepelduynen tussen Katwijk en Noordwijk waarover wij eerder deze blog schreven. Deze manier van exotendetectie maakt natuurmonitoring efficiënter en geeft een duidelijk beeld van de verspreiding van specifieke soorten over de tijd. Op ons monitoring platform Floralyze is de reeds uitgevoerde (automatische) soortendetectie op basis van luchtfoto’s van verschillende gebieden samengebracht.

Pilotproject in de Biesbosch

Een testgebied van 2km² van de Biesbosch hebben we met behulp van drone mapping in kaart gebracht. Dit pilotgebied is een representatief deel van de Biesbosch waar verschillende gebiedstypen voorkomen. Met een drone hebben we HR (Hoge Resolutie) foto’s gemaakt die als input gebruikt zijn voor ons AI model. Wij zijn met ecologen het gebied in gegaan, waarna de aanwezige Reuzenbalsemien nauwkeurig is ingetekend. Vervolgens hebben we onze software middels annoteren aangeleerd hoe de plant er op deze foto’s uitziet. (Annoteren is het toevoegen van labels aan gegevens om het algoritme te trainen en patronen te herkennen. Op deze manier kan de software de soort zelf herkennen.)

Vervolgens was het nodig om het model te finetunen voor betere differentiatie tussen andere soorten. Dit hebben we gedaan door het model aan te leren hoe Reuzenbalsemien er in verschillende stadia en onder verschillende omstandigheden uit ziet middels annotaties en veldwerk. De combinatie van veldwerk en machine learning hebben geleid tot succesvolle geautomatiseerde detecties.

Het resultaat is een overzichtelijk en gedetailleerde weergave van de verspreiding van de exoot met hoge nauwkeurigheid. Uit dit pilotproject kunnen we concluderen dat remote sensing met drones zeer geschikt is voor de inventarisatie en monitoring van Reuzenbalsemien in de Biesbosch.

Satellietbeelden, drone of vliegtuig?

Detecties op basis van de dronefoto’s heeft het best haalbare resultaat laten zien. We hebben onderzocht of het model de Reuzenbalsemien ook herkent op beelden met lagere resolutie. Het doel was om een optimale balans te vinden tussen kosten, efficiëntie en de nauwkeurigheid van de detecties.

Satellietbeelden hebben een veel lagere resolutie dan de dronebeelden. Vanwege de kosteloze beschikbaarheid van satellietbeelden, was het de moeite waard om te onderzoeken of deze geschikt zijn voor betrouwbare detecties. Voor de detecties op satellietbeelden wordt veelal gebruik gemaakt van Spectral Angle Mapping (SAM). Het spectrale profiel wordt hierbij vergeleken met een database van profielen van bijvoorbeeld plantensoorten of landgebruikstypen. De vooraf gedefinieerde profielen beschikken helaas over onvoldoende onderscheidend vermogen. Er bleek op deze resolutie te veel overlap te zijn tussen het spectrale profiel van Reuzenbalsemien en andere profielen waardoor de nauwkeurigheid van de detecties onvoldoende is. Het is daarom aannemelijk dat het classificeren van Reuzenbalsemien uit satellietopnamen onbetrouwbaar is met de op dit moment beschikbare beelden.

Door gebruik te maken van andere camera’s en door op de laagst toegestane hoogte te vliegen kan met een vliegtuig dezelfde resolutie worden bereikt als met de drone. Echter, aangezien het vliegtuig veel meer lawaai maakt zal dit te veel verstoringen opleveren voor de vogels in het gebied.

Houdt onze blog pagina in de gaten voor updates over onze projecten.