Bureau Waardenburg brengt vogelkolonies in kaart met GIS en drones

Het verschil tussen een zwartkopmeeuw en een kokmeeuw is subtiel. Een iets andere kopkap en zwarte of witte vleugelpunten. Met het blote oog heel lastig waar te nemen. Toch is het van belang het onderscheid te maken en de aantallen vogels en nesten bij te houden om te zien hoe het met de vogelkolonies gaat in verschillende natuurgebieden in Nederland. Om dit proces te versnellen is door Bureau Waardenburg een pilot uitgevoerd met drones en objectdetectie in Esri’s ArcGIS Image Analyst for ArcGIS Pro. Hiermee worden de vogelsoorten automatisch van elkaar onderscheiden. Zo worden vogelkolonies van duizenden vogels met Deep Learning veel sneller geteld en geclassificeerd.

De Waterdunen in Zeeuws-Vlaanderen is een nieuw natuurgebied met enkele broedeilanden: speciaal aangelegde eilanden waar kustbroedvogels in alle rust kunnen nestelen. Om te zien hoe het gaat met de vogelkolonies werden tot voor kort de vogels met een telescoop handmatig geteld. Sinds vorig jaar maakt Bureau Waardenburg, in opdracht van Rijkswaterstaat en Stichting Het Zeeuwse Landschap dronebeelden van de eilanden. Hierop worden de vogels door het handmatig zetten van stippen geteld en geclassificeerd. In de pilot kwam daar het tellen met behulp van Deep Learning bij. Dankzij deze technologie worden de vogels automatisch geteld en onderscheiden, wat uiteraard vele malen sneller is dan handmatig tellen.

Vliegen en classificeren

Drones vliegen eerst hoog over de broedeilanden om te zien waar de nesten precies zitten. Aan de hand daarvan wordt een vliegplan gemaakt en vliegen de drones op een hoogte van 20 meter over het gebied met de nesten, zodat er een dekkende foto op hoge resolutie van het gebied gemaakt kan worden. Het is op de videobeelden te zien dat de vogels totaal niet reageren op de drones en de methode diervriendelijk is.  

Vervolgens worden de verschillende vogels handmatig geclassificeerd. De grote stern, zwartkopmeeuw, kokmeeuw en visdief vormen de grootste groepen. Het onderscheid zit in kleine details. Zo heeft de kokmeeuw zwarte vleugelpunten en de zwartkopmeeuw niet. Daarnaast moet ook bijgehouden worden welke vogels op een nest zitten en welke niet. De kolonie in Waterdunen werd eerst handmatig geteld. Daarbij kreeg iedere vogel een stip met kleurcode. Die dataset bleek het perfecte hulpmiddel om de Deep Learning-modellen te trainen en testen. Job de Jong, GIS- en Remote Sensing-specialist bij Bureau Waardenburg: “Aan de hand van die data hebben we een subset gemaakt van een deel van de kolonie. Vervolgens is het een kwestie van op een paar knoppen drukken, en dan classificeert het algoritme de rest van de vogels zelf.”

In eerste instantie wilde De Jong alle acht klassen laten classificeren, gebaseerd op de verschillende soorten en wel of niet op een nest. Maar daar kwam het algoritme niet goed uit. De verschillen tussen de klassen waren vaak te klein voor een betrouwbaar onderscheid. “Toen hebben we de klassen geclusterd tot alleen de grote sterns, zwartkopmeeuwen en kokmeeuwen, de meest voorkomende soorten. Dat ging eigenlijk heel goed. Zo’n 90% van de soorten werd juist geclassificeerd,” vertelt De Jong.

Tijdswinst

De eerste resultaten zijn zeer positief, hoewel het classificeren met het algoritme nog niet zo nauwkeurig is als met de hand. De Jong. “De verschillen tussen het gedrag en de soorten zijn op de dronefoto's zo minimaal dat er meer trainingsdata nodig is om een algoritme dat goed aan te leren. Maar wanneer we de trainingsdataset aanvullen met nieuwe beelden wordt het algoritme steeds beter. Dus de komende jaren neemt de nauwkeurigheid snel toe.”

Het grootste voordeel van de kolonietelling door Deep Learning is volgens De Jong tijdwinst. “Met een paar drukken op de knop heb je een resultaat. Dat scheelt enorm veel tijd vergeleken met op iedere vogel handmatig een stip zetten. In een kolonie als de Waterdunen zitten bij elkaar wel meer dan 13.000 vogels. Het handmatig nalopen van al deze vogels kost al snel enkele dagen. Door slechts een deel van de kolonie te hoeven tellen voor een trainingsset, en de rest automatisch te laten classificeren met de Deep Learning-modellen, kan in een halve dag al een heel goed resultaat worden behaald. Ook wanneer we het resultaat nog met de hand moeten corrigeren, is het nog steeds aanzienlijk sneller. Dat is een kwestie van de afwijkingen nalopen.” Op basis van deze bevindingen heeft Bureau Waardenburg besloten de komende jaren vogelkolonies te blijven tellen met drones en Esri ArcGIS Image Analyst for ArcGIS Pro.

Eenvoudig beginnen

Willem Vlot, analytics consultant bij Esri Nederland. “Wij hadden zelf nog nooit eerder een project gedaan waarbij we Deep Learning inzetten om vogels te tellen. Samen met Bureau Waardenburg hebben we het proces doorlopen in ArcGIS Pro, met als doel dat ze aan het einde van de dag er zelf mee verder konden. Met het ontwikkelen van een Deep Learning-model is het zaak om eenvoudig te beginnen. De eerste vraag die we onderzocht hebben is of we überhaupt een vogel konden detecteren. Dat doet de technologie aan de hand van kleur, vorm en het contrast met de achtergrond, zoals we dat met het menselijk brein ook doen. Van daaruit zijn we het model gaan uitbreiden tot het detecteren van verschillende soorten. Dat is uiteindelijk dus goed gelukt. Een paar weken na de start van de pilot waren de resultaten al zodanig goed dat er besloten werd om ermee te blijven werken.”