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Perspektiven eines bioakustischen Monitorings, Berlin 11.2.2006
Struktur bioakustischer Signale, Probleme der Schallausbreitung und Aufzeichnung von Tierstimmen
Karl-Heinz FrommoltHumboldt-Universität zu Berlin
Museum für Naturkunde
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Komponenten eines bioakustisches Monitorings
A BC
Zielarten
Aufzeichnungstechnik
Akustisches Vergleichsmaterial
Algorithmen der Mustererkennung
Informations-infrastrukturen
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Fragestellungen
• Was kann überhaupt aufgezeichnet werden ?• Wie groß ist der Aktionsradius ?• Wieviel sollte/kann aufgezeichnet werden ?• Welche Signalverfälschungen und Störungen treten auf ?• Welche Anforderungen an das Signal werden von
Mustererkennung und Lokalisation gestellt ?
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Akustische Faktoren
Sender Kanal Empfänger
- Lauterzeugung - Schallausbreitung - Schallaufzeichnung
•Absorption•Reflexion•Beugung•Brechung•Hintergrund•Wind
•Frequenzbereich•Lautstärke•Richtcharakteristik
•Empfindlichkeit•Richtcharakteristik•Schallokalisation
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Beispiele von Lautäußerungen
1 2 3 4 5 6Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
1 2 3 4 5 6 7Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
1 2 3 4 5 6Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
1 2 3 4 5 6 7Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
1 2 3 4 5 6 7Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
1 2 3 4 5 6Time (sec)
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
BuchfinkRohrdommel
Feldschwirl Singdrossel
Tüpfelralle Zwergammer
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Frequenzbereich
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Time (sec)
123456789
1011
Freq
uenc
y (k
Hz)
Ringeltaube
Sumpfmeise SumpfmeiseRotkehlchenSumpfmeise
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Lautstärke
Umgebungsgeräusche
Atmen: 10 dB
Flüstern: 20 dB
Unterhaltung: 60 dB
Verkehr zur Hauptverkehrszeit: 80 dB
Mixer: 90 dB
Vorbeifahrender Zug: 100 dB
Kettensäge: 110 dB
Vorbeifliegendes Flugzeug: 120 dB
Schuss aus einer Schrotflinte: 140 dB
Schalldruckpegel biogener Laute in 1 m Entfernung
Haushund - Bellen: 110 dB
Opernsängerin (Sopran): 100 dB
Amsel - Gesang: 80-85 dB (A)
Nachtigall - Gesang: 77–91 dB (A)
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Akustischer Hintergrund
Spektren des akustischen Hintergrunds in zwei Nachtigallenterritorien. Dunkle Kurve Median 57 dB(A). Graue Kurve Median 45 dB(A). Aus Brumm 2004.
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Richtcharakteristik der Lautgebung
Unterschied des Schalldruckes von Lautäußerungen von Haushunden gemessen vor und hinter dem Tier (aus: Frommolt & Gebler, 2004)
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00
Frequency (Hz)
Diff
eren
ce in
SPL
(dB
)
ThorstenAmali
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Schallausbreitung(punktförmige Schallquelle im freien Feld)
Schall breitet sich gleichmässig in alle
Richtungen aus
p ∼ 1/r
Verdopplung der Distanz:
L = 20 lg (2p/p0) [dB]L = 20 lg 2+20 lg (p/p0) L = 20 * 0.301
+20 lg (p/p0)L = 6.02+ 20 lg (p/p0)
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Absorption
Bei der Schallausbreitung in Luft wird Schallenergie in Wärme umgewandelt. Die dadurch bedingte Schallpegelabnahme ist von Temperatur und Feuchte der Luft und sehr stark von der Frequenz abhängig. Diese Abnahme ist der Länge des Schallweges linear proportional.
Sutherland & Daigle 1998
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Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Schallausbreitung
Luftfeuchtigkeit
Däm
pfun
g
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Reflexionen
Wenn eine Schallwelle auf eine große, harte Oberfläche trifft, tritt eine Schallreflexion auf: Der Schall wird von der Oberfläche wie Licht von einem Spiegel reflektiert.
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Brechung
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Schallausbreitung in Waldhabitaten
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Schallausbreitung über Gewässern
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Schallausbreitung am Boden (1)
Treffen direkte und reflektierte Schallwelle mit einem zeitlichen Unterschied entsprechend der Laufzeit von ½, 1 ½, 2 ½ ... der Wellenlänge ein, so werden die entsprechenden Frequenzen abgeschwächt.
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Schallausbreitung am Boden (2)
Bradbury & Vehrencamp (1998)Embleton (1996)
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Schallausbreitung im offenen Gelände
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Schallübertragung im offenen HabitatSignal – Weisses Rauschen, Aufzeichnung mit omnidirektionalem Messmikrofon
1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0-9 0
-8 0
-7 0
-6 0
-5 0
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
Rel
ativ
er S
chal
ldru
ckpe
gel (
dB)
S c h a llü b e rtra g u n g ü b e r G ra s la n d in 1 m H ö h e
1 m F re ife ld1 2 m2 4 m4 8 m9 6 m
Frequenz (Hz)
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Schallübertragung im offenen HabitatEntfernung 480 m, Aufzeichnung mit Hundekunstkopf
2 4 6 8Time (sec)
2
4
6
8
10
Freq
uenc
y (k
Hz)
2 4 6 8Time (sec)
2
4
6
8
10
Freq
uenc
y (k
Hz)
2 4 6 8Time (sec)
2
4
6
8
10
Freq
uenc
y (k
Hz)
Testsignal, ca. 95 dB auf 1 m Entfernung
Lautsprecher und Kunstkopf auf 1 m Höhe
Lautsprecher und Kunstkopf auf 50 cm Höhe
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Erfassung des Artenspektrum – Pilotstudie am Bogensee
Anliegen: Machbarkeitsstudie für ein bioakustisches Monitoring
Lageskizze Bogensee
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Datenerfassung Bogensee 10.05.2003
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Schalltrichter
Übertragungsfunktion eines Elektret-Mikrofons, das in einem Trichter montiert ist
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Automatisches Triggern von Tonaufzeichnungen
Das Programm AROMA wurde speziell zur akustischen Registrierung von Vögeln im Offshore-Bereich entwickelt. Das Programm erkennt Vogelrufe automatisch anhand der Peaks in ihremLeistungsspektrum, wohingegen Wind- und Regengeräusche weitestgehend unbeachtet bleiben. Die erkannten Rufe werden automatisch als Wave-Dateien abgespeichert
O. Hüppop, Vogelwarte Helgoland
AROMAAvisoft-Recorder
Das Programm Avisoft-Recorder (© Raimund Specht) wurde für Belange des HD-Recordings von Tierstimmen entwickelt. Es erlaubt eine mehrkanalige Aufzeichnung und Triggerung.
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Akustisches Monitoring - Einpunktsystem
omnidirektionales Referenzmikrofon
Richtmikrofon-Array
PC mit Mehrkanal-Messkarte und Erkennungs-software
Feuerwachturm
(a)
(b)(c)
Funktionsprinzip
Über Laufzeit- und Pegelunterschiede an den Richtmikrofonen wird die Richtung der Schallquelle bestimmt
Das Referenzmikrofon dient zur Unterstützung der Entfernungsabschätzung auf der Grundlage von Laufzeitunterschieden zu den Richtmikrofonen
(a),( b), (c) – Schallwege vom Tier zumMikrofon
Akustisches Monitoring von einem stationären Punkt ausomnidirektionales Referenzmikrofon
Richtmikrofon-Array
PC mit Mehrkanal-Messkarte und Erkennungs-software
Feuerwachturm
(a)
(b)(c)
Funktionsprinzip
Über Laufzeit- und Pegelunterschiede an den Richtmikrofonen wird die Richtung der Schallquelle bestimmt
Das Referenzmikrofon dient zur Unterstützung der Entfernungsabschätzung auf der Grundlage von Laufzeitunterschieden zu den Richtmikrofonen
(a),( b), (c) – Schallwege vom Tier zumMikrofon
Akustisches Monitoring von einem stationären Punkt aus
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Akustisches Wolfsmonitoring
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System zur mehrkanaligen Erfassung
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Perspektiven eines bioakustischen Monitorings, Berlin 11.2.2006
Sechskanal-Aufzeichnung
Time (sec)5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
Time (sec)5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
Time (sec)5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
Time (sec)5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)Time (sec)
5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
Time (sec)5
2
4
6
Freq
uenc
y (k
Hz)
Mönchsgrasmücke
NachtigallZaunkönig
Nachtigall
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Akustisches Monitoringmittels Linien-Array
Mikrofon-array
Mehrkanalrekorder
A B
C
Mik 1 Mik 2 Mik 3 Mik 4
Entfernung von Frosch A zuMikrofon 1 und Mikrofon 4
Entfernung von Frosch C zuMikrofon 1 und Mikrofon 4
Funktionsprinzip:Am Gewässerrand werden auf einer Linie mehrere Mikrofone aufgestellt. Die Rufe werden simultan mit einem Mehrkanalrekorder aufgezeichnet. Die unterschiedlichen Entfernungen der Mikrofone zu den Tieren führen zu Laufzeitunterschieden der akustischen Signale. Die Auswertung der Laufzeitunterschiede soll dann Auskunft über Anzahl und Position rufender Tiere geben
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Akustische Ortung
Grünfrosch Blessralle Bachstelze
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Perspektiven eines bioakustischen Monitorings, Berlin 11.2.2006
Vorzüge eines bioakustischen Monitorings
• Minimierung des subjektiven Faktors. Das Ergebnis ist unabhängig von Gehör und Stimmenkenntnissen des Erfassers.
• Langzeiterfassung in Abwesenheit eines Beobachters. Daher eignet sich das Verfahren zur Erfassung selten oder zu ungünstigen Zeiten (nachts) rufender Arten. Desweiteren ist die Methode insbesondere dort zu empfehlen, wo Störungen der Brutvögel während der Erfassung so minimal wie möglich gehalten werden sollen.
• Einsatz in schwer zugänglichen Gebieten (z.B. in Röhrichtbeständen) bzw. in Gebieten, die sonst nicht von Ornithologen abgedeckt werden könne.
• Verifizierbarkeit der Daten. Im Zweifelsfall besteht die Möglichkeit, die Daten auch noch nach Jahren zu überprüfen, da hier die „rohen“ Beobachtungsdaten und nicht die bereits gewichtete Information des geschulten Ornithologen gespeichert werden.
• Nach Entwicklung von Erkennungsalgorithmen können bestimmte Aufgaben zumindest halbautomatisiert durchgeführt werden. Für Monitoringaufgabenkönnen dann auch Personen mit weniger guten Stimmkenntnissen herangezogen werden.
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Perspektiven eines bioakustischen Monitorings, Berlin 11.2.2006
Nächste Schritte (zur Diskussion)
• Klärung von Anwendungsszenarien– Günstigste Bedingungen in offenen Landschaften oder an Gewässern, die
nicht unmittelbar an Autobahnen oder stark befahrenen Bundesbahnen liegen
– Gute Chancen zur Erfassung nachtaktiver Tiere• Test unter praxisrelevanten Aspekten
– Inventarisierung von Störgrößen, u.a. auch kontiniuerliche Erfassung des Hintergrundpegels
• Vergleich mit anderen Methoden– Parallele Erfassung mit Punkt-Stopp-Zählung und/oder Linienkartierung
• Entwicklung von Soft- und Hardware– Mustererkennung, Lokalisationsalgorithmen– Robuste preiswerte HD-Recorder mit Mikrofonverstärkern und
Triggersoftware
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Danke für IhreAufmersamkeit