Extreme Messtechnik Wärmebild-Kamera spürt Wale in Arktis und Antarktis auf

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Physiker haben ein Wärmebild-Kamerasystem auf einem Forschungsschiff installiert, um Wale auch unter extremsten Bedingungen beobachten zu können.

Messen im Extremen: Der Wärmebildgeber ist in einer Höhe von ca. 28 Metern über dem Wasser auf einer hochstabilisierten Plattform installiert. Der Sensorkopf rotiert mit 5 Umdrehungen pro Sekunde.
Messen im Extremen: Der Wärmebildgeber ist in einer Höhe von ca. 28 Metern über dem Wasser auf einer hochstabilisierten Plattform installiert. Der Sensorkopf rotiert mit 5 Umdrehungen pro Sekunde.
(Foto: Lars Kindermann, Alfred-Wegener-Institut)

Das Spannende an Technik ist die Tatsache, dass man sie für die unterschiedlichsten Anwendungen verwenden kann. Unter anderem auch für den Naturschutz. An Bord des Forschungsschiffes Polarstern haben Physiker des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, ein Wärmebild-Kamerasystem getestet. Damit wollen die Forscher Großwale sowohl am Tag und in der Nacht bis auf eine Entfernung von 5 km beobachten.

Die Forscher wissen, warum solch eine Kamera eine große Hilfe ist: Wenn man längere Zeit auf dem Meer unterwegs ist und die Umgebung beobachtet, ermüden die Augen sehr schnell und die Konzentration lässt nach. Um die großen Meerestiere beobachten zu können, kommt die Infrarot-Kamera „FIRST-Navy“ der Firma Rheinmetall Defence Electronics zum Einsatz. Die Kamera wurde zu einem Instrument für automatische Wal-Sichtungen weiterentwickelt und das High-Tech-System in den vergangenen vier Jahren auf sieben Polarstern-Expeditionen erfolgreich getestet.

Temperaturunterschiede von einem hunderstel Grad

Die Wärmebild-Kamera ist in einer Höhe von 28 Metern am Polarstern-Krähennest angebracht. Sie sitzt auf einem Stabilisator, der die Schiffsbewegungen ausgleicht, dreht sich fünf Mal pro Sekunde um die eigene Achse und erzeugt einen 360-Grad-Videostream der Schiffsumgebung, auf dem warme Regionen heller dargestellt werden als kältere. Der Wärmesensor ist so empfindlich, dass er Temperaturunterschiede von weniger als ein hundertstel Grad Celsius abbildet. Walblas, der zumindest in subpolaren und polaren Regionen deutlich wärmer ist als das Wasser, ist demzufolge auf den Aufnahmen als hellgraue oder weiße Fontäne zu erkennen

Die Auswertung der Bilddaten übernimmt eine selbst entwickelte Software. Die Walblas werden auf den Wärmebildaufnahmen mit einem ganz spezifischen Muster hell und wieder dunkler. Jedes der aufgezeichneten Bilder wird von der Software in 31.600 Kästchen eingeteilt und einzeln nach Helligkeitsunterschieden untersucht. Anschließend entscheidet der Rechner, ob die Dynamik eines wahrgenommenen Helligkeitsunterschiedes den Merkmalen eines Walblases entspricht oder nicht. So lassen sich auch jene Tiere entdecken, die nur für einen ganz kurzen Atemzug aufgetaucht sind.

Hohe Treffergenauigkeit des Messsystems

Die Treffergenauigkeit des Infrarot-Messsystems überzeugt: Auf einer der sieben Arktis- und Antarktis-Expeditionen, von denen die Forscher im Fachmagazin PLOS ONE berichten, verzeichnete die Kamera etwa doppelt so viele Wale in Schiffsnähe wie Wissenschaftler, die mit dem Fernglas nach den Tieren Ausschau gehalten hatten.

Die entscheidende Stärke des Systems liegt darin, dass rund um die Uhr und vor allem bei Dunkelheit Großwale wie Blau-, Finn-, Glatt- oder Grauwale mit hoher Genauigkeit lokalisiert werden können.

Bei Dunkelheit, so zeigten die Vergleichsmessungen, ist die Datenqualität der Wärmebildkamera wegen der fehlenden Lichtreflexionen auf der Wasseroberfläche sogar noch höher als am Tage. Und selbst bei Eiseskälte, rauer See und Windstärke 6 konnten sich die AWI-Forscher auf ihr System verlassen.

Fehleranfällig zeigte sich der Wal-Detektor lediglich, wenn viele Vögel gleichzeitig durch das Sichtfeld der Kamera flogen oder zahllose kleinere Eisbrocken auf der Wasseroberfläche trieben. Grund ist, dass die Auswertungssoftware bisher vor allem auf Fahrten im offenen Wasser zugeschnitten ist. Denn vor allem dort kommen Luftpulser für seismische Untersuchungen zum Einsatz

Die nächste Systemerweiterung folgt

In das Infrarot-System wurde eine zweite, normale Kamera integriert. Sie fotografiert vom Krähennest des Schiffs aus automatisch jeden vom System gemeldeten Wal. Der Wärmebild-Waldetektor gibt für jeden detektierten Wal auch die Standort- und Entfernungsdaten an. Mit deren Hilfe können die AWI-Wissenschaftler dann Bewegungsprofile der Tiere erstellen und ihr Verhalten bei Begegnungen mit Schiffen untersuchen.

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