Met AI maakt Team Epoch een wereldkaart van wierwouden

Voor maar liefst een kwart van de wereldwijde kustlijnen liggen uitgestrekte bossen die zelden door een mens worden gezien. Onder de zeespiegel strekken gigantische planten zich uit tot wel veertig meter hoog. Deze kelpbossen zijn toevluchtsoorden en voedingsbronnen voor talloze onderwaterdieren.

De wierwouden komen over de hele wereld voor: van de noordelijke tot de zuidelijke poolwateren. Naar schatting beslaan ze samen een oppervlakte ter grootte van Europa. Vooral de tientallen meters hoge reuzenkelp springt in het oog. Vrij letterlijk– aan het zee-oppervlak vormen ze een afdak voor het leven eronder.

Maar voor de Californische kust rest inmiddels weinig meer dan een woestijnachtige zeebodem, vertelt Derek Lomas. Hij onderzoekt sinds 2017 positieve AI op de TU Delft, ofwel: hoe kan AI de wereld mooier maken? Daarvoor woonde hij in het Amerikaanse San Diego. Voor de kust van die Californische kuststad zag hij in het afgelopen decennium negentig procent van alle kelpbossen verdwijnen.

Zonnebloemster

Reden voor de verdwijning: de massale sterfte van de zonnebloemster, een 24-armige zeester die jaagt op zee-egels. Door een onbekende ziekte verloor vrijwel de hele populatie in het gebied in enkele jaren tijd alle ledematen. Het door klimaatverandering opgewarmde zeewater is mogelijk de oorzaak. Wat overbleef waren zielige hoopjes pulp. Zonder het roofdier plantte hun prooi, de zee-egel, zich al kelp-etend voort.

Duikers voor de kust van Californië stuiten als gevolg daarvan niet langer op bijna ondoordringbare, oneindige bossen van reuzenkelp, maar op kale woestijnen vol zee-egels. Die gaan nergens heen, want ze kunnen jaren zonder eten. Kelp krijgt geen kans. In een poging het tij te keren, nemen zijn duikende vrienden een hamer mee de zee in, vertelt Lomas. Ze slaan er de zee-egels mee de kop in.

Inmiddels lopen er programma’s om de jagende zeester te re-introduceren. Dan kun je duikers steekproefsgewijs de zee in sturen om te kijken of het werkt, maar veel efficiënter is een methode om de kelpgroei grootschalig te monitoren. Toen Lomas zag dat een studententeam op notabene zijn eigen universiteit een model had ontwikkeld waarmee dat kan, maakte zijn hart dan ook een sprongetje.

Aan- of afwezigheid van kelpbossen

Het avontuur van Team Epoch begon vorig najaar, vertelt Suusje Helwegen, teamlid public relations in het studententeam. Toen schreven de studenten zich in voor de door het Woods Hole Oceanographic Institute uitgezette competitie. Het doel: een algoritme maken die de aan- of afwezigheid van kelpbossen voorspelt met behulp van satellietbeelden.

Die opdracht was het team, dat zijn competities expliciet uitzoekt op maatschappelijke relevantie, op het lijf geschreven. Hoewel de andere Dreamteams op de TU Delft die missie delen, onderscheidt Team Epoch zich omdat zij niet toewerken naar een fysiek product, zoals een auto of boot. De ontwikkelde algoritmes zijn hun eindproduct. Ook anders dan de andere teams: het team doet maar liefst vier keer per jaar mee aan een competitie, met elke keer een ander thema.

Biomassa van kelpbossen

Om de achtergrond van de competitie goed te begrijpen, zocht Team Epoch contact met kelponderzoeker Michael Mateus. Hij doet met een beurs van Kelp Forest Foundation onderzoek bij de Namibische organisatie Kelp Blue, die zich richt op de kweek van kelpbossen. Mateus meet biomassa van de kelpbossen voor de Namibische kust met gebruik van onder andere satellietbeelden en akoestische data.

Anders dan die bij Californië, zijn de kelpbossen voor de kust van Namibië nauwelijks in kaart gebracht. Mateus: “We weten eigenlijk niet goed hoe de kelpbossen er hier voor staan. Er zijn bijna geen studies naar gedaan.” Het AI-model kan dat veranderen.

Net als in Californië vormen de wieren in Namibië een belangrijk ecosysteem. Mateus lepelt de voordelen: “De kelpbossen zijn een carbon sink – ze nemen enorm veel CO₂ op. Ze vormen het leef- en voortplantingsgebied voor allerlei planten en dieren. Ze geven zuurstof af aan het water. Ze beschermen de kust tegen erosie. En ga zo maar door.” Ook de mens kan profiteren van het multi-inzetbare materiaal, voor bijvoorbeeld bioplastic, medicijnen en cosmetica.

Drie inlevermomenten per dag

Voor het team betekende deelname aan de kelpboscompetitie drie maanden hard werken. Tijd voor een moment rust was er nauwelijks want ze moesten drie keer per dag data aanleveren, om snel resultaat te kunnen zien van elke update in het algoritme. Op een groot scherm in hun ruimte in de Dreamhall hielden de teamleden de stand nauwlettend in de gaten.

Al snel behoorden de Delftenaren tot de top vijftig van de 671 deelnemers, om vanuit daar steeds hoger te kruipen en vlak voor het einde te belanden op plek 3. Toen werd het echt spannend, blikt Helwegen terug. “Voor de uiteindelijk uitslag wordt het model getest op een andere database dan waar we mee hadden gewerkt. Het is dan maar de vraag of je model ook dan goed is.” Dat bleek het geval; Team Epoch won.

In de competitie maakten de deelnemers gebruik van beelden van de Landsat-satellieten. Die fotograferen al sinds 1984 elke zestien dagen het hele aardoppervlak. Maar met alleen die beelden ben je er nog niet; het AI-model leunt ook sterk op de verzamelde resultaten van burgerwetenschap.

Tienduizenden classificaties

Via het platform Floating Forests konden vrijwilligers zich vanaf 2014 aanmelden om kelp te identificeren op de satellietbeelden. Op die manier lukte het kelponderzoekers om tienduizenden classificaties te verzamelen. Aangevuld met gegevens van duikers die steekproefgewijs op kelpexcursie gingen, waren methodes als deze lange tijd de standaard.

Met die bestaande gegevens is het AI-model van Team Epoch getraind. Het algoritme kan de resultaten vervolgens uitvergroten tot op wereldschaal. Voor kelpwetenschappers als Michael Mateus is het een droom die uitkomt. “Het kost nu nog veel tijd om de beelden handmatig te analyseren. AI doet het sneller, efficiënter, accurater en consistenter.” Het model van Team Epoch wordt open source beschikbaar gesteld door het Woods Hole Oceanographic Institute en kan door iedereen worden gebruikt.

Het studententeam is inmiddels alweer bezig met de volgende competitie. Hun nieuwe missie: het AI-model ontwikkelen waarmee schadelijke breinactiviteit het beste kan worden geclassificeerd. Hun voorgaande prestatie is echt indrukwekkend, benadrukt onderzoeker Positieve AI Derek Lomas nog maar eens. “Het opent zo veel deuren voor nieuw onderzoek. Ze hebben echt iets moois voor elkaar gekregen.”