Automatische Analyse von Elefantenlauten

Durch die zunehmende Fragmentierung des Lebensraumes der Elefanten aufgrund expandierender Siedlungen und Agrarwirtschaft kombiniert mit stark wachsenden Elefantenpopulationen in den Schutzgebieten, kommt es immer häufiger zu Konflikten zwischen Mensch und Elefant. In Südafrika liegen knapp 80% des ursprünglichen Verbreitungsgebietes der Elefanten außerhalb der heutigen Schutzgebiete. Wir, ein Team bestehend aus Biologen und Informatikern wollen diesen Konflikt durch die Schaffung der wissenschaftlichen Grundlagen eines akustischen Frühwarnsystems, für die an den Grenzen der Reservate und Korridoren lebenden Menschen, entschärfen. Ein solches System erfordert eine verlässliche und robuste automatische Erkennung und Kategorisierung von Elefantenlauten. Es existiert derzeit kein System welches die Anforderungen der automatischen Detektion von Elefantenlauten erfüllt. Die Ziele des eingereichten Projektes sind (i) die komplexen Lautäußerungen der Elefanten zu analysieren und (ii) automatische Analysemethoden zu entwickeln, welche dann die Grundlage für zukünftige automatische Früherkennungs- und Informationssysteme bilden. Elefanten eigenen sich für die akustische Detektion besonders gut, da ihre niederfrequenten Laute Grundschwingungen im Infraschallbereich enthalten und sich über mehreren Kilometer verbreiten. Dies ermöglicht Elefanten anhand ihrer Lautäußerungen zu detektieren, selbst wenn sie außer Sichtweite sind. Dennoch werden wir, dort wo es sinnvoll, ist eine visuelle Detektion untersuchen (zum Beispiel bei offenen Habitaten wie Wasserlöchern). Wir untersuchen und evaluieren automatische (statistische) Methoden für die Identifikation von Elefanten, Klassifikation von Lauttypen und die Bestimmung der Größe der vorbeiziehenden Herde. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der manuellen und automatischen Einteilung von Altersklassen aufgrund strukturspezifischer Unterschiede in den Lautäußerungen. Ferner wollen wir familienspezifische akustische Signaturen (vokale Dialekte) innerhalb einer Elefantenpopulation erforschen. Das dreijährige Projekt wird in Zusammenarbeit von dem Department für Kognitonsbiologie der Universität Wien und dem Institut für Softwaretechnik und Interactive Systeme der Technischen Universität durchgeführt, wobei ein Postdoc zu 50% und zwei Doktoranden zu je 60% daran arbeiten werden. Wir haben eine klare Einteilung der Arbeitsschritte und der Aufteilung der Verantwortung zwischen den Projektpartnern. Am Ende des Projekts wird ein großer annotierter und analysierter Datenbestand sowie deren statistische Auswertungen existieren. Zusätzlich werden neue Analysemethoden zur Verfügung stehen mit deren Hilfe Elefantenlaute aus dem Freiland automatisch detektiert und klassifiziert werden können.

Durch die zunehmende Fragmentierung des Lebensraumes der Elefanten aufgrund expandierender Siedlungen und Agrarwirtschaft, kommt es immer häufiger zu Konflikten zwischen Mensch und Tier in Afrika und Asien. Der Mensch-Elefant-Konflikt ist neben der anhaltenden Wilderei das schwerwiegendste Problem für den Fortbestand der größten Landsäugetiere dieser Erde! Wir, ein Team bestehend aus Biologen und Informatikern wollen diesen Konflikt durch die Schaffung eines akustischen Frühwarnsystems, für die nahe der Reservate und Korridoren lebenden Menschen, entschärfen. Das Ziel unseres Forschungsprojektes mit dem Titel Automatische Analyse von Elefantenlauten war es, die wissenschaftlichen Grundlagen für ein automatisches Überwachungssystem zu schaffen. Dazu mussten zwei Teilziele erarbeitet werden: (1) Die komplexen und variablen Lautäußerungen der Elefanten mussten analysiert werden um besser verstanden zu werden und (2) automatische Analysemethoden mussten entwickelt werden, welche dann die Grundlage für zukünftige automatische Früherkennungs- und Informationssysteme bilden. Elefanten sind für ihre Infraschall-Laute (unter der Hörschwelle des Menschen) bekannt. Mit Hilfe dieser tieffrequenten Rumbles ist es Elefanten möglich, sich über mehrere Kilometer hinweg zu verständigen und bieten für uns eine Möglichkeit sie aus größerer Entfernung frühzeitig zu detektieren. In unserem Projekt wurde erstmals die Produktion von Infraschalllauten untersucht. Im Zuge des Projektes wurden automatische Analysemethoden entwickelt, die es ermöglichen Elefantenlaute mit hoher Genauigkeit in einer kontinuierlichen Aufnahme (z.B. von einem Überwachungsmikrophon), trotz zahlreicher Nebengeräusche wie z.B. Wind, Regen und Geräuschen von Menschen und anderen Tieren, zu erkennen. Darüber hinaus gelang es den Forschern auch unterschiedliche Lauttypen, sowie das Alter von Elefanten automatisiert zu erkennen. Schließlich wurde im Zuge dieses Projekts ein erster Prototyp zur visuellen Erkennung von Elefanten in Videos (z.B. Überwachungsvideos) entwickelt, mit dessen Hilfe Elefanten nicht nur detektiert werden können, sondern auch über der Zeit verfolg werden können. Die entwickelten Methoden stellen die Grundlage für ein zukünftiges automatisches Überwachungs- und Früherkennungssystem für Elefanten dar. Über das Projekt hinaus wurden bereits mehrere Kooperationen mit Partnern geschlossen, mit dem Ziel ein günstiges praxistaugliches Frühwarnsystem zu bauen und somit dem Elefant-Mensch Konflikt nachhaltig entgegenzuwirken.