Computer vision-aided biophysical and ecological studies of Antarctic species

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-02-11
Issue Year
2019
Authors
Richter, Sebastian
Editor
Abstract

Global change is predicted to have a strong impact on the Southern Ocean ecosystem. The warming climate, variations in sea ice formation and increased activity of humans affect the food availability and will require indigenous species to adapt. The rate and nature of changes in the ecosystem and the effect of long-term climate variation, however, are not trivially identifiable. Hence, sentinel species, for example the Emperor penguin in Antarctica, are used as a sensitive indicator for such changes. However, to discern variations in behavior and identify adaption to their environment, an understanding of the baseline behavior is required. The difficult access to remote locations and harsh environmental conditions prevalent in the Antarctic, especially during the Antarctic winter hamper large-scale and long-term observations. Knowledge of the Emperor penguins’ behavioral traits is so far limited to few accessible colonies in the close proximity of year-round manned stations and opportunistic recordings. In light of a predicted population decrease of up to 50% by the end of the century, further studies are a pressing matter. A holistic model of Emperor penguin colonies would allow us to predict behavior, identify deviations from this baseline behavior and infer potential causes. In the recent years, satellite based remote sensing has been successfully used to detect breeding locations along the Antarctic coast line. Bio-logging approaches have been applied to provide information on circumpolar migration and life history of individuals. However, methods to study behavior of individuals or colonies on time scales from minutes to months are largely missing. These timescales are critical to observe and understand behavior changes on short time scales over multiple seasons, for example, the rearrangement and relocation of the colony in reaction to changing environmental conditions, or the shift in conditions that trigger the emergence of huddling behavior. In this thesis, an integrated, videography-based study of animals in remote areas and under environmentally challenging conditions is presented and applied to penguins in Antarctica. The approach combines the fields of engineering, computer science, physics and biology, to cover all necessary steps from the data acquisition, data evaluation and analysis to the interpretation of the results. Physics-based models and methods are used to relate observations and are applied to biophysical and ecological research questions. 1A B S T R AC T First, three types of novel observatories were designed, built and deployed to obtain suitable data. The micrObs - an affordable time lapse recorder, atkaSPOT - an energetically selfsufficient and remote controlled observatory, and antaviaSPOT - a system for continuous long term monitoring. All three observatory types have been successfully operated in the field over the last years. Second, software for an efficient data management and evaluation of large time series datasets was developed. ClickPoints - a Python-based scientific image viewer and analysis tool - provides basic features for manual evaluations, labeling of data sets for machine learning approaches and an add-on interface to extend the functionality for semi and fully automated evaluations. Third, the data recorded by the observatories is used to investigate the collective behavior of Emperor penguins, adding building blocks towards a holistic Emperor penguin model. The driving factors for the locomotion of individuals and colony during the breeding period were studied to interpret recently observed changes in breeding behavior. The study shows a strong correlation between wind direction and colony movement direction. This indicates that the recently observed relocation of breeding penguins from the sea ice to the shelf ice is not necessarily an adaption to thinning sea ice, but is instead a consequence of increased precipitation and dominant wind direction. Furthermore, the effect of meteorological parameters on the transition from dispersed individuals to tightly grouped huddles was investigated. Huddling is an emergent behavior which allows Emperor penguins to conserve energy during the breeding period. From time lapse recordings, the state of the colony was determined and the dependence on environmental parameters was investigated. This allows for the identification of the individual environmental parameters contribution to an apparent temperature, which in turn describes the Emperor penguins’ cold perception. The fraction of penguins in a huddle depend on the apparent temperature and follows a sigmoidal function. The inflection point characterizes a transition temperature at which both states are equiprobable. A shift of this transition temperature could be used as an integrated measure of the foraging success and the environmental strain experienced during the breeding period. Furthermore, it was examined how the observatories complement existing methods, to determine abundance and phenology, and whether the recordings provide sufficient quality to supplement previous studies on a single penguin level, which were limited by insufficient available data. Finally, the feasibility of an automated visual tracking of penguins in their natural habitat was studied based on antaviaSPOT recordings of Adélie penguins. In summary, this thesis presents an integrated, videography-based approach for ecological studies in the Antarctic. The feasibility of remote controlled or autonomous observatories based on consumer-grade components for biophysical and ecological studies is evaluated. 2Designed for the exceptionally harsh environmental conditions of Antarctica, the observatories are suitable to be used for other tasks and locations with minor modifications. Videographybased studies provide the spatial and temporal resolution to fill the gap between satellite or aerial remote sensing and bio-logging methods. This work provides the foundation for future research, by overcoming the lack of available data, the limited tools for time series evaluation, and moreover presents novel analysis approaches. Continued data acquisition over the next years will allow for an extension of the initial studies presented here, incorporating data over multiple years and from multiple colonies across Antarctica. This will enable the identification of seasonal and location dependent variations, and will provide statistically robust models to contribute to determining the effects of global change on the Southern Ocean ecosystem and Emperor penguins in particular.

Abstract

Bedingt durch den globalen Wandel werden in den nächsten Jahrzehnten drastische Veränderungen im Ökosystem des Südlichen Ozeans erwartet. Das sich erwärmende Klima, die reduzierte Meereisbildung und die erhöhte Aktivität des Menschen beeinflussen die Verfügbarkeit von Nahrung und erfordern die Adaption einheimischer Arten an die veränderten Gegebenheiten. Die Geschwindigkeit und Art der Veränderungen im Ökosystem und die langfristigen Auswirkungen sind jedoch schwer identifizierbar. Daher werden Sentinel-Arten (engl. sentinel species), zum Beispiel der Kaiserpinguin in der Antarktis, als sensible Indikatoren für diese Veränderungen herangezogen. Um jedoch Unterschiede im Verhalten zu erkennen und Anpassungen an ihre Umgebung zu identifizieren, ist ein grundlegendes Verständnis des Ausgangsverhaltens erforderlich. Der schwierige Zugang zu den entlegenen Gebieten und die rauen Umweltbedingungen in der Antarktis, insbesondere während des antarktischen Winters, erschweren jedoch umfassende und langfristige Studien. Bisherige Erkenntnisse sind auf wenige zugängliche Kolonien in der Nähe von ganzjährig besetzten Stationen und opportunistische Aufnahmen beschränkt. Angesichts eines prognostizierten Rückganges der Kaiserpinguin-Population von bis zu 50% bis zum Ende des Jahrhunderts sind weiterführende Studien zeitnah erforderlich. Ein ganzheitliches Modell der Kaiserpinguinkolonien würde es ermöglichen, Verhalten vorherzusagen, Abweichungen von diesem Grundverhalten zu erkennen und mögliche Ursachen abzuleiten. In den letzten Jahren wurde die satellitengestützte Fernerkundung erfolgreich zur Erkennung von Brutplätzen entlang der antarktischen Küstenlinie eingesetzt, und BioLogging-Ansätze haben sich bewährt, um Informationen über zirkumpolare Migration und Lebensgeschichten von Individuen zu ermitteln. Jedoch fehlen Methoden, um das Verhalten von Individuen und Kolonien auf Zeitskalen von Minuten bis Monaten zu untersuchen. Diese Zeitskalen sind entscheidend, um Verhaltensänderungen innerhalb kurzer Zeiträume hinweg zu erkennen und zu verstehen, z.B. die Neuordnung und Verlagerung der Kolonie als Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen oder die Verschiebung der Bedingungen, die zur Huddle-Bildung führen. In dieser Arbeit wird ein umfassender Ansatz für bildgebungs-gestützte Studien von Tieren in abgelegenen Gebieten und unter schwierigen Umweltbedingungen vorgestellt und auf Pinguine in der Antarktis angewandt. Der Ansatz verbindet die Bereiche Ingenieurwesen, Infor- 5ZUSAMMENFASSUNG matik, Physik und Biologie zu einem ganzheitlichen Ansatz, der alle notwendigen Schritte von der Datenerfassung, Datenauswertung und -analyse bis zur Interpretation der Ergebnisse umfasst. Physikalische Modelle und Methoden werden eingesetzt, um Beobachtungen zu interpretieren und auf biophysikalische und ökologische Forschungsfragen anzuwenden. In dieser Arbeit wurden drei neuartigen Observatorien entwickelt und im Feld eingesetzt, um geeignete Daten zu erhalten. Das micrObs - eine erschwingliche Zeitrafferkamera, atkaSPOT

  • ein energetisch autarkes und ferngesteuertes Observatorium, und antaviaSPOT - ein System zur kontinuierlichen Langzeitüberwachung. Alle drei Observatorien wurden über mehrere Jahre hinweg erfolgreich in der Antarktis betrieben. Zusätzlich wurde Software für ein effizientes Datenmanagement und die Auswertung großer Zeitreihen-Datensätze entwickelt. ClickPoints - ein Python-basiertes wissenschaftliches Bildbetrachungs- und Analysetool - bietet grundlegende Funktionen für manuelle Auswertungen, die Annotation von Datensätzen für maschinelle Lernansätze und eine Add-On-Schnittstelle zur Erweiterung der Funktionalität für halb- und vollautomatische Auswertungen. Schließlich werden die von den Observatorien aufgezeichneten Daten verwendet, um das kollektive Verhalten von Kaiserpinguinen zu untersuchen und weitere Bausteine für ein ganzheitliches Kaiserpinguinmodell beizusteuern. Die treibenden Faktoren für die Fortbewegung von Individuen und Kolonien während der Brutzeit wurden untersucht, um kürzlich beobachtete Veränderungen im Brutverhalten zu interpretieren. Die Studie zeigt eine starke Korrelation zwischen Windrichtung und Koloniebewegungsrichtung. Dies deutet darauf hin, dass die beobachtete Verlagerung von Brutpinguinen vom Meereis auf das Schelfeis nicht zwangsläufig eine Anpassung an ein weniger stabiles Meereis ist, sondern eine Folge von vermehrten Niederschlägen und dominanter Windrichtung. Darüber hinaus wurde der Einfluss von meteorologischen Parametern auf die Umformung der Kolonie von verstreuten Individuen zu dicht gedrängten Ansammlungen (Huddle) untersucht. Huddling ist ein emergentes Verhalten, das es Kaiserpinguinen ermöglicht, während der Brutzeit Energie zu sparen. Aus Zeitrafferaufnahmen wurde der Zustand der Kolonie ermittelt und die Abhängigkeit von Umweltparametern untersucht. Dies erlaubt es, den Beitrag einzelner Umweltparameter zu einer gefühlten Temperatur zu identifizieren und die Kältewahrnehmung der Kaiserpinguine zu charakterisieren. Der Anteil der Pinguine in einem Huddle hängt von dieser gefühlten Temperatur gemäß einer sigmoiden Funktion ab, deren Inflektionspunkt eine Übergangstemperatur charakterisiert, bei welcher sich die Hälfte der Tiere in einem Huddle befindet. Eine Verschiebung dieser Übergangstemperatur könnte als integriertes Maß für den Erfolg der Nahrungssuche und die Belastung durch Umweltbedingungen während der Brutzeit verwendet werden. Darüber hinaus wurde untersucht, wie die Observatorien bestehende Methoden ergänzen, um die Abundanz und Phänologie der Kaiserpinguine zu bestimmen, und ob die gewonnen Daten hinreichende Qualität bieten, um frühere Studien über das Verhalten von Individuen zu 6ergänzen, die durch unzureichend verfügbare Daten begrenzt waren. Schließlich wurde die Machbarkeit einer automatisierten visuellen Verfolgung von Pinguinen in ihrem natürlichen Lebensraum anhand von Aufnahmen des antaviaSPOT Observatoriums von Adélie-Pinguinen untersucht. Diese Arbeit präsentiert einen integrierten, bildgebungs-gestützten Ansatz für ökologische Studien in der Antarktis und untersucht die Tauglichkeit von ferngesteuerten und autonomen Observatorien auf Basis von handelsüblichen Komponenten für biophysikalische und ökologische Studien. Obwohl sie für die außergewöhnlich rauen Bedingungen der Antarktis konzipiert sind, ist zu erwarten, dass die Observatorien mit geringen Modifikationen für andere Aufgaben und Standorte adaptiert werden können. Lokale bildgebungs-gestützte Verfahren liefern die räumliche und zeitliche Auflösung, um die Lücke zwischen Satelliten- oder Luftbildfernerkundung und Bio-Logging-Methoden zu füllen. Diese Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Studien, indem sie den Mangel an verfügbaren Daten sowie die begrenzten Werkzeuge für die Zeitreihenauswertung überwindet und darüber hinaus neue Analyseansätze präsentiert. Die kontinuierlich weitegeführte Datenerfassung in den nächsten Jahren wird eine Erweiterung der hier vorgestellten Studien ermöglichen. Basierend auf Daten über mehrere Jahre und von mehreren Kolonien in der Antarktis können saisonale und ortsabhängige Schwankungen identifiziert und statistisch robuste Modelle erstellt werden, welche es uns erlauben, die Auswirkungen des globalen Wandels auf das Ökosystem des Südlichen Ozeans und insbesondere auf die Kaiserpinguine zu bestimmen.
DOI
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