Ny teknik hjälper forskarna att kartlägga havsbottnen

Maskininlärning och AI skapar helt nya förutsättningar för att kartlägga våra hav. Ett projekt med forskare från Göteborgs universitet har visat på nya sätt att bedriva marin forskning. Matthias Obst, forskare på marina ekosystem, menar att detta skänker hopp för helt nya möjligheter att på stor skala undersöka havens ekologi. 

Sedan restriktioner infördes på trålfisket i Kosterhavet har många av de bottenlevande arterna blivit mer livskraftiga. Det unika projektet har med hjälp av maskininlärning kunnat kartlägga 17 vanliga arter av ryggradslösa djurs förekomst under 26 år. En bergssluttning under ytan har agerat studieobjekt när en maskininlärningsmodell har tränats att känna igen och räkna de olika djuren.  

– Idén om att göra detta har funnits. Det som har saknats är ett konkret exempel och det har vi lyckats med. Det här blir en viktig pusselbit när det kommer till att visa hur det här ska gå till, säger Matthias Obst.

Matthias Obst berättar att det tydligt går att visa att djur som är kända som trålkänsliga har återhämtat sig. Livet i nationalparken visar sig dock inte vara fritt från mänsklig påverkan; klimatförändringarna har en stark påverkan och vissa större och värmekänsliga arter har minskat tydligt. Stigande vattentemperatur är också ett fortsatt hot och de större bottenlevande ryggradsdjuren är känsliga för förändringar i temperatur. Om temperaturen fortsätter att öka kan vi förvänta oss att vissa av dessa arter försvinner helt från de skyddade områdena i Kosterhavet. Trots de positiva effekterna av ett trålningsstopp understryker studien behovet av att de skyddade områdena i Kosterhavet och i andra djupa regioner i Skagerrak behöver utvidgas för att säkra dessa djurs framtid.

– Det som studien inte har lyckats göra är att jämföra områden som tidigare har blivit trålade med områden som inte har blivit det. Detta hade behövts för att verkligen undersöka trålningens effekter. Det vi kan se är en bred övergripande positiv trend, säger Matthias Obst.

Trålningsfiske och framför allt bottentrålning är en kritiserad fiskemetod. Samtidigt som det är en förutsättning för det storskaliga fisket skapar bottentrålningen stora miljömässiga efterverkningar. Fiskemetoden river upp havsbottnarna och de ryggradslösa djur som lever på bottnarna påverkas mycket negativt. Arter som musslor, mjukkoraller och anemoner filtrerar bottensediment för att hitta näring och drabbas hårt av effekterna på bottnen. Bottentrålningen i Kosterhavet är numera starkt begränsad. Att studien inte är komplett är enligt Matthias Obst ett mindre problem:

– Nu har vi en metod för att undersöka detta systematiskt. Det är väldigt sällan en studie svarar på alla frågor.

De bottenlevande ryggradslösa djuren utgör 92 % av alla marina arter, men det finns stora kunskapsluckor om hur de påverkas av förändringar i sin livsmiljö. De spelar en viktig roll i de ekosystem de verkar inom och bidrar till att näringsämnen cirkulerar, att vattnet renas och att skapa livsmiljöer för andra marina livsformer. Minskningar i dessa arters bestånd är tydliga indikatorer på att ett ekosystem är utsatt för påverkan. I regel har vi bättre uppfattning om artbestånd som går att exploatera kommersiellt. Det går att följa förändringar i data från fiskeriföretag för att studera förändringar av deras utbredning. Motsvarande gäller inte för de ryggradslösa bottendjuren. Arbetet för att stärka biologisk mångfald i haven pågår men insatserna riskerar att begränsas av bristen på data. Insamlings- och analysprocessen har hittills varit kostsam och långsam. Forskningen, och i förlängningen arbetet för biologisk mångfald, skulle stärkas om orsakssambanden tydligare kan beskrivas. 

– När man etablerar ett skyddsområde i havet frågar man sig ständigt om hur man veta att saker blir bättre eller sämre? Det finns ofta en emotionell underton i detta. Vi har genom denna undersökning kunnat visa, med ett dataunderlag, vilka delar som har blivit bättre och vilka som har blivit sämre, säger Matthias Obst.

Projektet blev möjligt på grund av att stora mängder videomaterial från havsbottnen har sparats på gamla hårddiskar ute på Tjärnö marina laboratorium. Det var egentligen en ren tur att allt fanns sparat.

– Ute på Tjärnö bedriver man undervisning och då har man filmat havsbottnen när man åker samma väg och sen har detta material sparats. Då fanns det ett jättefint datamaterial som sträckte sig över 26 år. Vi kunde sen plocka ut en del av detta som var filmat på samma plats, säger Matthias Obst. 

Materialet var enormt. En stor utmaning var att hitta standardiserat material, alltså ett material som var så enhetligt att det gick att göra rimliga jämförelser över tid. Kort sagt behöver det vara filmat på samma plats och på samma sätt. Denna faktor är en stor utmaning när det kommer till forskning inom ekologi, menar Matthias Obst:

– Rent historiskt, om vi ser ungefär 50 år tillbaka, har denna forskning bestått av väldigt nischade experiment och insamlingar. Det har inte funnits möjlighet att analysera stora datamängder och då har det varit svårt att utforska större samband. Man har fokuserat på en specifik fråga.

Projektet visar på stora möjligheter att bedriva en ny typ marinekologisk forskning. När forskare kan analysera stora mängder datamaterial öppnar det upp för att på en mer övergripande nivå beskriva påverkan och förändringar i marina ekosystem. Marinekologin skulle potentiellt kunna bli en stor datadisciplin. 

– Vi har, utan att egentligen varit medvetna om det, samlat in en stor mängd data och sen kunnat ställa frågor till materialet. Det blir en omvänd process och öppnar helt nya möjligheter för framtida forskning, säger Matthias Obst.   

Det finns tydliga paralleller till andra forskningsdiscipliner; inom astronomi eller fysik samlas stora mängder data in genom observation och forskarna kan sedan i nästa steg ställa frågor till materialet. Verktyg för maskininlärning och analys av stora datamängder gör att detta förhållningssätt blir verklighet även inom andra fält. Studien kan verka som ett exempel på hur maskininlärningsmodeller och AI kommer att förändra arbetet med att kartlägga artbestånd på stor skala. 

– Resultet är för mig ett tecken på att marinekologin kan bjudas in i finrummet för “Big data science”, säger Matthias Obst.

Havet är en resurs som alla vill använda. Farleder för fraktfartyg, turism, vindkraftparker och fiske trängs med ambitionen om en bred biologisk mångfald. Nuförtiden måste projekt som hamnar och vindkraftparker inte bara visa att det biologiska livet inte påverkas utan också att mångfalden gynnas. Med stationära kameror skulle områden kunna övervakas och artbestånden analyseras i realtid. 

Matthias Obst ser att maskininlärningens potential skulle kunna utvecklas ytterligare i kombination med AI och utveckling inom robotteknik. Drönare kan redan idag utföra uppgifter med hjälp av människor. I framtiden skulle autonoma drönare kunna skickas ut på “patrull” och enligt förbestämda rutter samla in videomaterial:

– Nästa steg är att dessa robotar, med hjälp av AI, kan fatta egna beslut. Roboten skulle kunna upptäcka en förändring och sen fatta ett eget beslut om vad nästa steg ska vara. Men där är vi inte än. 

Sammantaget kommer forskningen att få tillgång till mycket mer högupplöst data som visar hur ekosystem påverkas av människan. I framtiden skulle vi kunna övervaka haven och i realtid implementera justeringar inom till exempel var och när man bedriver storskaligt fiske.  

– Frågan om trålning är väldigt känslig. På ett politiskt och ekonomiskt plan är det svårt att föreställa att vi skulle sluta med trålning. Det är inte realistiskt. Var och hur vi trålar kan vi påverka, och här finns det stor potential för förbättring. Vi skulle kunna påverka ekosystemen mycket mindre, säger Matthias Obst.