Das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) ist das bundesweit größte und eines der international führenden Forschungszentren für Binnengewässer. Die Vision des IGB ist das Verständnis aller grundlegenden Prozesse in Gewässern und deren Lebensgemeinschaften, einschließlich ihrer Biodiversität, ihrer Ökosystemleistungen und ihrer Reaktionen auf den globalen Wandel. Das Forschungswissen des IGB hilft somit, den globalen Umweltveränderungen zu begegnen und Maßnahmen für ein nachhaltiges Gewässermanagement zu entwickeln.

Hintergrund: Biodiversität in Süßgewässern nicht ausreichend erforscht

Die Aufbereitung von Geodaten in Fließgewässern ist oft aufwändig: Flussökosysteme sind äußerst komplex. Flüsse sind sowohl lateral, als auch longitudinal stark mit der Landschaft vernetzt; zudem kennen sie weder nationale noch internationale Grenzen. Diese Komplexität stellt besondere Herausforderungen an Wissenschaft und Naturschutz. Auf jeden ersten Blick mag es unproblematisch erscheinen, einen Artnachweis, etwa zu Fischen, Libellen oder Pflanzen, einem bestimmten Flussabschnitt zuzuordnen. Im Einzelfall mag das auch stimmen – geht es allerdings um Tausende oder Millionen von Beobachtungen, stoßen selbst Computer schnell an ihre Grenzen.

Im Vergleich zu terrestrischen und marinen Lebensräumen ist die Biodiversität in Süßgewässern in ihrer ökologischen Bedeutung und Besonderheit daher noch nicht ausreichend erforscht, was dazu führt, dass es oftmals an Schutzmaßnahmen auf regionaler wie globaler Ebene fehlt.

Die Idee: Ein Tool, das die Verarbeitung großer Datenmengen vereinfacht

Ein Team des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) wollte hier Abhilfe schaffen und ein Tool entwickeln, das einfache Funktionen zur Verfügung stellt, um die oftmals großen Datenmengen verarbeiten zu können. Ziel war dabei, dass die Daten nicht erst in R geladen werden müssen, da die Funktionen des Tools direkt verschiedene Open-Source-Software ansteuern, die die Daten außerhalb von R prozessieren.

Geleitet wird die Junior Research Group von Sami Domisch, der am IGB die Biodiversität von Süßgewässern erforscht. Seinen Fokus legt Sami Domisch dabei auf räumliche Biodiversitätsmuster, die Makroökologie und die Entwicklung von Instrumenten zur Bewertung der Biodiversität von Süßgewässern auf großen räumlichen Skalen.

Zahlreiche neuartige Funktionen für Anwender:innen

Um Nutzenden die Arbeit zu erleichtern, hat das Projektteam des IGB das R-Paket hydrographr entwickelt, das die Süßwasserdimensionen aus den Konsortien NFDI4Earth und NFDI4Biodiversity kombiniert. Gefördert wurde die Fertigstellung des Tools zum Teil aus NFDI4Biodiversity-Mitteln im Rahmen einer Flexfund-Förderung.

Das R-Paket bietet seinen Anwender:innen eine Reihe neuartiger Analysefunktionen:

• Durchführung süßwasserbezogener Konnektivitätsanalysen
• Annotation bestehender Punktdaten entlang des Netzwerks mit räumlichen Konnektivitäts- und Umweltattributen (z.B. Entfernung eines Vorkommens zur Quelle des Flussen oder zur Mündung)
• Generierung analysefertige Daten für nachfolgende Anwendungen

Mit dem Schwerpunkt auf Open-Source-Sprachintegration und Skalierbarkeit bietet Hydrographr so einen wesentlichen Baustein zur Berücksichtigung der Konnektivität in räumlichen, gewässerspezifischen Anwendungen.

Hintergrund und Vorarbeiten

Die Leibniz-Nachwuchsgruppe unter der Leitung von Sami Domisch hat die Umsetzung dieses Tools ermöglicht, indem sie hochmoderne globale georäumliche Analysen anwendet:

• Eine neue Lebensraumtypenabgrenzung unter Verwendung des neu entwickelten Hydrography90m-Datensatzes, der Fließgewässer weltweit mit einer räumlichen Auflösung von 90 m abbildet
• Modernste Modelle des maschinellen Lernens zur Kartierung der Vielfalt aquatischer Insekten, der artenreichsten Gruppe von Süßwassertieren, auf der Grundlage der neuen EPTO-Datenbank, in der die weltweiten Vorkommen von Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera und Odonata zusammengestellt wurden
• Anwendung von Regionalisierungsanalysen, um die Verfügbarkeit und Variabilität von Süßwasserlebensraumtypen über nationale Grenzen hinweg aufzuzeigen.

Die kombinierte Anwendung dieser Kernelemente auf globaler Ebene, gleichzeitig jedoch mit hoher räumlicher Auflösung, ermöglicht bahnbrechende, standardisierte und vergleichende Analysen in der räumlichen Süßwasser-Biodiversitätsforschung. Hydrographr bietet Funktionen, die eine skalierbare hydrographische Datenextraktion und Analyse-Workflows ermöglichen. Die R-Funktionen sind Wrapper um die Open-Source Geospatial GDAL und GRASS-GIS-Software, die in der Linux-Umgebung laufen und eine schnelle und speichereffiziente Datenverarbeitung ermöglichen.

https://glowabio.org/project/hydrographr/