Technisches Whitepaper: Das NEXUS-System

Erzeugte KML-Route

Automatisierte Korrelation von Bioakustik und komplexen meteorologischen Parametern im Fledermaus-Monitoring

Datum: 29. Dezember 2025

Autor: Jochen Roth

Systemversion: 2.4.0 (Full Visual Suite)

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1. Einleitung

Die Analyse von Fledermausaktivitäten erfordert eine präzise Kenntnis der lokalen Umweltbedingungen, da Faktoren wie Windgeschwindigkeit und Niederschlag das Jagdverhalten maßgeblich beeinflussen. Das NEXUS-System bietet eine integrierte Lösung, die hochfrequente bioakustische Daten mit einem umfassenden Spektrum meteorologischer Parameter verknüpft. Durch die Nutzung dualer GPS-Referenzsysteme wird eine fehlerfreie zeitliche und räumliche Korrelation der autarken Messeinheiten gewährleistet.

2. Hardware-Spezifikationen

2.1 Akustische Erfassungseinheit (TeensyBat)

• Funktion: Hochauflösende Aufzeichnung von Ultraschallsignalen.

• Hardware: Basierend auf dem Teensy-Mikrocontroller (Cortex-M7).

• Konfiguration: Aufnahmezyklen von 30 Sekunden, gefolgt von einer 2-sekündigen Latenzzeit zur Datensicherung auf 256 GB Speichermedien.

• Zeitbasis: GPS-Referenzierung via Beitian-220, um eine absolute Synchronität ohne Clock-Drift zu garantieren.

2.2 Meteorologische Erfassungseinheit (NEXUS)

Der NEXUS fungiert als multifunktionale Umweltmessstation und nutzt eine spezialisierte Sensor-Suite zur Erfassung atmosphärischer Dynamiken:

• Atmosphärische Sensorik (BME680): Hochpräzise Messung von Temperatur ($^\circ$C), relativem Luftdruck (hPa) und Luftfeuchtigkeit (%). Zusätzlich werden flüchtige organische Verbindungen (VOCs) zur Bewertung der Luftqualität erfasst.

• Kinematische Wetterdaten (Sparkfun SEN-15901): Integration einer professionellen Wetterstation zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Niederschlagsmengen.

• Zeit- und Positionsreferenz (AIR530): Dieses GPS-Modul liefert den Master-Timestamp für alle Umweltmessungen und stellt die zeitliche Deckungsgleichheit mit der akustischen Einheit sicher.

• Interne Berechnungslogik: Das System berechnet autonom den Sonnen- und Mondstand (Elevation/Phase) basierend auf den GPS-Koordinaten und stellt diese Daten unmittelbar in der CSV-Struktur zur Verfügung.

3. Analyse-Software und Klassifizierung

3.1 BatDetect2

Zur objektiven Auswertung wird die Software BatDetect2 (MacAodha et al.) eingesetzt. Diese nutzt Deep-Learning-Algorithmen (CNN), um Fledermausrufe in den Audiodaten zu detektieren und auf Artebene zu klassifizieren. Jede Detektion wird mit einem Konfidenzwert versehen, der im weiteren Prozessverlauf zur Qualitätssicherung dient.

3.2 Die NEXUS-Pipeline (Post-Processing)

Die Zusammenführung der Daten erfolgt über ein elfstufiges Framework:

1. Segmentierung: Aufteilung der Rohdaten in 2-Sekunden-Intervalle zur Maximierung der zeitlichen Auflösung.

2. Multivariater Merge: Synchronisation der BatDetect2-Ergebnisse mit den NEXUS-Daten (BME680 & SEN-15901) via GPS-Zeitstempel.

3. ISO 9613-1 Validierung: Nutzung der BME680-Daten zur Berechnung der frequenzabhängigen Schalldämpfung, um die Detektionsreichweiten physikalisch zu validieren.

4. Empirische Ergebnisse und Visualisierung

In Validierungsläufen (Dezember 2025) wurde die Zuverlässigkeit des Systems unter Beweis gestellt. Trotz mobiler Datenerfassung konnten komplexe Datensätze generiert werden, die Artnachweise (z. B. Pipistrellus pipistrellus) direkt mit Windgeschwindigkeiten, Temperaturgradienten und astronomischen Kontextdaten verknüpfen. Die Ausgabe erfolgt unter anderem in hochauflösenden KML-Dateien zur räumlichen Analyse der Habitate.

5. Wissenschaftliche Relevanz (EUROBATS / LBV)

Das NEXUS-System erfüllt die strengen Anforderungen für ein modernes Fledermaus-Monitoring. Insbesondere die Einbeziehung von Wind- und Niederschlagsdaten gemäß der Sparkfun SEN-15901 Spezifikationen ermöglicht eine Bewertung der Aktivität nach den Standards der EUROBATS-Richtlinien (z. B. für Windenergie-Gutachten). Durch die Bereitstellung der Daten im GUANO-Format ist eine nahtlose Integration in internationale Datenbanken wie das Tierstimmenarchiv möglich.

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Fazit

Die Kombination aus präziser Sensorik (BME680, AIR530, SEN-15901) und einer automatisierten Analyse-Pipeline macht den NEXUS zu einem hocheffizienten Instrument für die quantitative Ökologie. Die technologische Unabhängigkeit von manuellen Zeitabgleichen setzt neue Maßstäbe in der Datenintegrität des akustischen Monitorings.