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Bryobrain

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Bryobrain – Kurze Einführung

 

 

Bryobrain ist ein "neuronaler Klassifizierer", ein Programm, das mit Hilfe “künstlicher neuronaler Netze" (ANN) die Gattungen der beblätterten Lebermoose (Jungermanniales, Haplomitriales) Europas (inkl. Makaronesien) anhand morphologischer und biometrischer Daten erkennen kann. Es funktioniert damit ähnlich wie Programme für Buchstabenerkennung (OCR), Sprach-, Gesichts- oder Fingerabdruckerkennung, Vorhersage von Aktienkursen, industrielle Qualitätskontrolle u.a. Dinge.

Bryobrain erlaubt damit einen kleinen Einblick, wie Pflanzenbestimmung in Zukunft funktionieren wird und wovon die dichotomen Schlüssel des "Buchzeitalters" in Zukunft abgelöst werden. Neuronale Netze erlauben auch die Verwendung chemischer und molekularer Daten, wenn diese zur Bestimmung allgemein verfügbar sein sollten.

Neuronale Netze sind lernfähig (daher auch zur "Künstlichen Intelligenz" gehörend), wobei jedoch das Programm Bryobrain Netze enthält, die bereits auf das Erkennen der Gattungen trainiert wurden und bei denen die Lernfähigkeit entfernt wurde.

Die Ziele der Entwicklung von Bryobrain war zum einen der Nachweis, dass sich ANN zu Bestimmung von Moosen eignen und zum anderen festzustellen, welche Merkmale für die Bestimmung brauchbar sind. Für einige wenige kleinere Artengruppen wurde dies bereits getestet. Meines Wissens ist Bryobrain jedoch weltweit das erste eigenständig lauffähige und verteilbare Programm für die Bestimmung von Pflanzen oder Tieren.

Gegenüber Datenbanklösungen besitzen ANN mehrere Vorteile, vor allem:

  • ANN sind zu einem gewissen Grad fehlertolerant. Falls ein Merkmal geringfügig außerhalb der normalen Bandbreite der Gattung liegt finden ANN in den meisten Fällen dennoch die richtige Lösung, während Datenbanklösungen hier versagen.

  • Sogar wenn ein Merkmal völlig falsch angegeben wird findet das ANN oft die richtige Gattung oder zeigt diese in der Liste der Gattungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit an.

  • Unbekannte Arten einer bekannten Gattung werden in der Regel richtig klassifiziert.

  • ANN sind in der Lage, Beziehungen zwischen den Eingangsdaten zu erkennen während die Datenbanklösung nur die Daten mit denen der Datenbank vergleicht.

Gegenüber der letzten Version (Ver. 0.6) wurden folgende Punkte ergänzt oder verbessert:

  • es werden jetzt alle 73 europäischen Gattungen erkannt

  • der Erkennungsgrad wurde deutlich erhöht

  • die Qualität und Quantität der Trainings- und Testdaten wurde deutlich verbessert

  • Datenbanken können jetzt angelegt werden

  • alle Sätze einer Datenbank können mit einem Mausklick bestimmt werden

  • zu allen Gattungen wird eine Liste der Arten angezeigt

  • zu einigen Gattungen werden Abbildungen angezeigt (wird erweitert)

  • einige Merkmale werden durch Abbildungen erklärt (wird auf alle Merkmale erweitert)

  • Internet-Bildersuche wurde integriert

  • Update-Überprüfung auf der Bryobrain-Homepage

Die Zuverlässigkeit der Bestimmung wurde gegenüber der letzten Version deutlich erhöht. Der Erkennungsgrad liegt gegenwärtig zwischen 99 und 100 % bei relativ typischen Pflanzen und das, obwohl die Zahl der Gattungen deutlich erhöht wurde.

Bei der vorliegenden Version (Ver. 0.7) handelt es sich um eine Beta-Version, die natürlich noch einige Unzulänglichkeiten aufweist. Verbessert werden muss vor allem: 

  • die Qualität und Quantität der Trainingsdaten, die noch nicht die ganze Variationsbreite aller Gattungen abdecken und auch noch einzelne Fehler enthalten. Zwar wurde Quantität und Qualität der Trainingsdaten erheblich verbessert und der überwiegende Zahl der Gattungen wird ohne größere Probleme erkannt, dennoch sind einige Gattungen noch immer nur schwer bestimmbar. Dies betrifft vor allem Gattungen mit kleinen und variablen Unterblättern, deren Merkmale in den Trainings- und Testdaten noch nicht zufriedenstellend erfasst sind. Hier sind bis zur nächsten Version noch Verbesserungen geplant.

  • Menge und Auswahl der Merkmale für die Klassifizierung.

Es darf daher noch nicht erwartet werden, dass Bryobrain alle Belege richtig klassifiziert. Es wurden auch noch nicht alle Arten der artenreicheren Gattungen getestet.

Das Programm wird weiterentwickelt, wobei ich zur Zeit teste, ob es sinnvoll ist, das Programm auch auf die nordamerikanischen Gattungen auszudehnen, wozu nicht mehr viele Daten fehlen. Außerdem sind neuronale Netze für andere Gebiete (Südamerika) und Artengruppen geplant. Die Netze müssen bei jeder Änderung neu trainiert werden, was zeitaufwendig ist. Daher wird die Weiterentwicklung nur langsam vorangehen.

Bryobrain verwendet zur Zeit 31 Merkmale zum Erkennen der Gattungen, die leider noch per Hand eingegeben werden müssen (wird sich auch nicht so schnell ändern lassen). Die Daten müssen vollständig (!) eingegeben werden um unsinnige Bestimmungen zu vermeiden. In einigen Fällen wird aber auch mit einem Bruchteil der Daten bereits das richtige Ergebnis gefunden.

In der Liste der Merkmale sind auch zwei Perianthenmerkmale. Da diese jedoch nicht immer zu Verfügung stehen, werden zwei verschiedene Netze verwendet, eines mit 31 Merkmalen (inkl. Perianth) und eines mit 29 Merkmalen (exkl. Perianth). Das Netz mit den 31 Merkmalen bestimmt etwas besser, allerdings sind die Unterschiede in der Qualität der Bestimmung bei vielen Gattungen recht gering. Standardmäßig verwendet Bryobrain nur 29 Merkmale. Um alle 31 Merkmale zu verwenden, muss in der Checkbox “Perianthmerkmale verwenden” das Häkchen gesetzt sein.

Bryobrain besitzt außerdem einen Schnelltest, der nur 12-14 Merkmale, die alle mit der Handlupe erkennbar sind, für die Klassifizierung verwendet. Dieser Schnelltest ist jedoch weniger zuverlässig. Zur Zeit werden damit ca. 94 % der Testdatensätze richtig bestimmt.

Das Programm ist jetzt komplett zweisprachig (deutsch und englisch) und mit einem Mausklick kann die Sprache geändert werden.

Das Programm kann die eingegebenen Daten in einer Datenbank speichern. Außerdem wurde eine Datenbank mit Datensätzen, die die ANN nicht kennen, beigefügt, mit denen jeder das Programm ausprobieren kann ohne eigene Daten einzugeben. Natürlich können auch eigene Daten in die Datenbank eingefügt und das Netz damit getestet werden.

Gegenüber der letzten Version wurde das Programm mit einigen Internet-Fähigkeiten ausgestattet. Bryobrain kann jetzt:

  • mit Hilfe des Standartbrowers und einer Suchmaschine eine Bildersuche im Internet durchführen

  • auf der Bryobrain-Homepage überprüfen, ob eine neuere Version vorhanden ist.