Hochauflösende Digitalisierung von fragilem Typenmaterial als Schutz und präventive Konservierung

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1 Hochauflösende Digitalisierung von fragilem Typenmaterial als Schutz und präventive Konservierung Alexander S. Kroupa & Martin Pluta 26 Ausgangssituation Entomologische Sammlungen und besonders die darin enthaltenen Typen, stellen für die Forschung eine unentbehrliche Grundlage dar (Wissenschaftsrat 2011). Diese Sammlungen spielen vor allem in der Evolutions-, Klima- und Biodiversitätsforschung eine herausragende Rolle und sind eine Grundvoraussetzung für die taxonomische Forschung. Rechnet man alle in deutschen naturwissenschaftlichen Museen und Universitätssammlungen befindlichen entomologischen Einzelobjekte zusammen, so ergibt sich mit über 70 Millionen (eigene Recherche) eine beachtliche Zahl an Objekten. Diese, zumeist genadelten Objekte, verteilen sich sehr ungleich über die deutschen Museen und in einem guten Dutzend der naturwissenschaftlichen Museen befinden sich 90% der Objekte, mit Sammlungsgrößen von bis zu 20 Millionen Exemplaren. Damit gehören die großen deutschen Sammlungen zu den größten entomologischen Sammlungen der Welt. Als Beispiel seien die beiden entomologischen Sammlungen an der Zoologischen Staatssammlung in München mit 20 Millionen Objekten 1 (deutlich über Typusexemplare) und die am Museum für Naturkunde in Berlin mit ca. 15 Millionen Objekten 2 (ebenfalls mehr als Typusexemplare) genannt. Ob es sich um besonders große entomologische Sammlungen oder Sammlungen mit nur wenigen tausenden Objekten handelt, die Gefahren denen die Sammlungen ausgesetzt sind, sind stets die gleichen. Hierzu zählen zum Beispiel Fraßschädlinge, wie z B. Museumskäfer und Kleidermotten (Händel 2001), die ganze Sammlungen vernichten können, aber auch Licht, Temperaturschwankungen und eine hohe Luftfeuchtigkeit (Alten 1999) können den Objekten zusetzen. Damit die Schäden so gering wie möglich gehalten werden können und die genadelten Insekten weitere Jahrhunderte in den Sammlungen unbeschadet überdauern, sind präventive Maßnahmen unumgänglich. So können Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf einem optimalen Level gehalten werden und die genadelten Insekten werden dem Licht nur zu wissenschaftlichen Forschungszwecken ausgesetzt. Dem Fraß kann unter anderem vorgebeugt werden, indem alte, undichte Kästen gegen neue und dicht schließende Kästen ausgewechselt werden - eine sehr kostenintensive, aber ebenso effektive Maßnahme. Darüber hinaus können Chemikalien in den Kästen eingesetzt oder die Kästen in regelmäßigen Abständen tiefgefroren werden. Das Einschleppen von Schädlingen mit neuem Material kann durch die letztgenannte Maßnahme ebenfalls verhindert werden. Auch mit einem entsprechenden Monitoring der Sammlung kann ein Befall frühzeitig erkannt und damit die Schäden minimal gehalten werden. Für viele taxonomische Arbeiten muss auf das Typusmaterial zurückgegriffen werden, um beispielsweise neue Arten in das bestehende taxonomische System einzuordnen und Revisionen durchführen zu können. Hierfür müssen Wissenschaftler entweder persönlich zu den Museen reisen, die Abb. 1: Aufbau zur Erstellung eines 360 -Objektes. A) Insekt B) Balgen C) Digitalkamera D) beweglicher Schlitten E) Drehteller mit Schrittmotor. Foto: B. Schurian, MfN zoologie/

2 das entsprechende Typusmaterial beherbergen oder müssen sich das Typusmaterial auf dem Postweg zusenden lassen. Zwar birgt das Handling vor Ort ein gewisses Risiko für das Objekt, der Versand des Materials hingegen kann nicht nur zu Beschädigungen am Objekt führen sondern bis zu dessen Totalverlust. Auch hier können präventive Maßnahmen durchgeführt werden, wie der bereits von einigen Museen umgesetzte Verzicht auf den Versand des Typusmaterials. Der Verzicht auf den Versand von Typusmaterial mag die Objekte vor Zerstörung und Verlust schützen, gleichzeitig wird mit einer solchen Maßnahme aber auch die wissenschaftliche Forschung, insbesondere die taxonomische Forschung, deutlich eingeschränkt. Wissenschaftler in Ländern bzw. Instituten, die nicht über die für eine Reise ausreichenden finanziellen Mittel verfügen, werden in ihren Forschungsarbeiten hierdurch deutlich beeinträchtigt Objekt Die digitale, hochauflösende Erfassung von Einzelobjekten kann eine mögliche Alternative darstellen, um das Objekt gleichzeitig zu schützen und wissenschaftliche Arbeit mit dem Objekt zu ermöglichen. In einer Kooperation mit dem TET- Projekt 3 (Technology Enhanced Textbook) am Didaktik Lehrstuhl der Physik an der Freien Universität Berlin wurde diese 360 -Aufnahmetechnik entwickelt. Bei dieser Technik geht es um die automatisierte Erstellung von 360 -Objekten mit einem Balgengerät für die Makrofotografie. Die erstellten 360 -Digitalisate können als eine Maßnahme zur digitalen Konservierung verstanden werden. Dies bedeutet, dass selbst bei Verlust des originalen Objektes immer noch ein digitales Duplikat des Originals vorhanden ist, welches zwar nicht als vollkommener Ersatz angesehen werden kann, aber dennoch eine Vielzahl der ansonsten verlorenen Eigenschaften des Objekts erhalten kann. Mit einer geeigneten Strategie zur Langzeitarchivierung erhält man eine parallele, digitale Sammlung, der bei Verlust der Originale eine bedeutende Funktion zukommt. Gleichsam kann die digitale Sammlung als präventive Maßnahme zum Erhalt der originalen Sammlungsobjekte beitragen. Betrachtet man die Digitalisierung im Hinblick auf präventive Konservierung, so ist das Ziel den Versand von Typusmaterial zu reduzieren und die damit verbundenen Risiken stark zu minimieren. Über die Verfügbarkeit in frei zugänglichen Internetportalen (wie z. B. die institutseigenen Webauftritte) kann jeder Wissenschaftler auf die digitalen 360 -Objekte zugreifen, wodurch einige der wissenschaftlichen Fragestellungen möglicherweise bereits beantwortet werden können. Um die Vorteile der 360 -Technik auch für Wissenschaftler verfügbar zu machen, für die keine Möglichkeit zur persönlichen Anreise gegeben ist, sollten die Objekte in den Internetportalen frei zugänglich sein. Für die Erstellung der 360 -Objekte benötigt man außer einer Digitalkamera, einem Balgen, einem Drehteller und einem Objektiv, vor allem eine sehr gute Beleuchtung (Abb. 1). Die Beleuchtung sollte je nach Objekt und Oberfläche des Objektes angepasst werden und ist entscheidend für die Aufnahmequalität. Damit die manuellen Arbeitsschritte für die einzelnen Bildaufnahmen so weit als möglich reduziert werden können, wird eine Software benötigt die sowohl den Schrittmotor des Drehtellers, als auch den beweglichen Schlitten, auf der die Kamera sitzt, steuert. Hierzu bietet sich die Adruino-Technologie an. Eine Arduino- Platine verfügt über einen Mikrocontroller sowie über Ein- und Ausgänge, über die Kamera und Drehteller angesprochen werden können. Über die Software kann der Drehteller, auf welchem sich das Objekt befindet, bewegt werden. Nach jeder Drehung, im Normalfall zwischen 3 und 6, werden 12 bis 15 Bilder erstellt. Für die Erstellung der Bilder aus einem Winkel wird die Entfernung der Kamera zum Objekt über den beweglichen Schlitten in definierten Schritten verändert und damit Bilder erzeugt, die unterschiedliche Bereiche des Objekts, von der vordersten Ebene bis zur hintersten Ebene, scharf abbilden. Für ein in allen Ebenen scharfes Bild ist dieser Schritt notwendig, da ein einziges Bild durch die begrenzende Schärfentiefe immer nur einen Teil des Objektes in voller Bildschärfe abbilden kann. Im Folgenden werden die entstandenen Bilder eines Einstellungswinkels mit Hilfe einer Software (z. B. das frei verfügbare combinez 4 oder auch das kommerzielle, aber kostengünstige Helicon Focus 5 ), welche aus jedem Bild ausschließlich die scharf abgebildeten Teile html

3 28 extrahiert und zu einem einzelnen Bild verrechnet (Stacking). Die Auflösung eines Bildes liegt bei etwa 18 Megapixel, kann aber mit einer verbesserten Kameratechnik weiter erhöht werden. Für einen kompletten 360 Umlauf werden im Verlauf des beschriebenen Verfahrens ungefähr 1800 Einzelbilder bei einer Schrittweite von 3 und 15 Bildern pro Winkel erzeugt. Für die Erstellung einer Darstellung eines Objekts wird für den gesamten Umlauf circa eine Stunde benötigt. Das anschließende Stacking der Einzelbilder erfordert ungefähr weitere sechs Stunden und ist abhängig von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Hardware. Mit entsprechender Hardware und Rechenleistung kann die Zeit für das Stacking deutlich optimiert werden, wobei die Nutzung von Hochleistungsrechnern und die rasante Entwicklung der Computertechnologie zu berücksichtigen sind. Das Stacking kann als Batch-Prozeß über Nacht gleich für mehrere Objekte durchgeführt werden und benötigt damit keine zusätzliche Arbeitskraft, sondern ausschließlich genügend Rechnerleistung. Die generierten 360º-Objekte lassen sich vom Betrachter über geeignete Eingabegeräte (Maus, Trackpad, Touchscreen oder Gestenerkennung) anfassen. Sie sind ohne wahrnehmbare Latenzen um eine vertikale Achse drehbar. Die 360 -Darstellung kann unter Verwendung von HTML/JavaScript oder Adobe Flash umgesetzt werden (Abb. 2). Abhängig vom Anwendungsbereich, bietet jede Lösung eigene Vorteile. Für die Darstellung im Browser bietet die HTML/JavaScript Lösung den Vorteil, dass außer der Aktivierung von JavaScript keine weiteren Voraussetzungen an das System des Benutzers gestellt werden. Allerdings erlaubt die derzeitige Umsetzung eine fehlerfreie Darstellung im Internet Explorer erst ab Version 9. Die Flash Anwendung bietet für die Browserdarstellung den Vorteil, dass sie mit allen Systemen kompatibel ist und nur eine installierte Version des Flash Players benötigt. Ein weiterer Vorteil der Flash Anwendungen ist das komfortablere und zuverlässigere Preloading der Bilddaten. Durch das Einbetten der Bilddaten in die Flash Anwendung, kann dies sogar ganz vermieden werden, wodurch die Möglichkeit besteht, die 360 -Darstellung in ein PDF Dokument einzufügen und ohne weitere Datenverbindung anzuzeigen. Die Einbettung des Flash Films in ein PDF Dokument kann unter zwei Bedingungen stattfinden. Acrobat Reader ab Version 9 verfügt über einen integrierten Flash Player, der für die Wiedergabe verwendet wird, wohingegen Acrobat Reader ab Version 8 auf einen externen Flash Player zugreift. Installationen von Acrobat Reader bis inklusive Version 8 verfügen nicht über einen integrierten Flash Player und können Inhalte, die für diesen konzipiert sind, nicht darstellen. Bei einer Einbettung der Anwendung in das PDF Dokument sollte daher darauf geachtet werden, dass Acrobat Pro bis Version 8 verwendet wird, um eine versionsübergreifende Kompatibilität zu erzielen. Für die Darstellung der 360 -Objekte im Ausstellungsbereich, können sowohl die HTML/ JavaScript Anwendung, als auch die Flash Anwendung genutzt werden. Abb. 2: Eines von 120 Bildern, aus denen ein 360 -Objekt zusammengesetzt wird. Unter folgendem Link kann das Objekt interaktiv betrachtet werden. Foto: TET Projekt, Freie Universität Berlin

4 Abb. 3: Mock-up für die Verwendung eines 360 -Objekts im Ausstellungsbereich. Foto: H. J. Goetz, MfN, modifiziert Im wissenschaftlichen Bereich könnte diese Form der hochauflösenden Darstellung von entomologischen Objekten sehr sinnvoll bei Erstbeschreibungen eingesetzt werden und vor allem für den Holotypus in Betracht kommen. Ein einziges 360 -Objekt kann somit viele einzelne Bilder eines Typusexemplars ersetzen, da jeder Leser des PDF Dokuments das 360 -Objekt aus den verschiedensten Perspektiven anschauen und über die Zoomfunktion auch kleine Details betrachten kann, die für die Klassifizierung benötigt werden. Die Technik bietet darüber hinaus eine zusätzliche Möglichkeit zur Integration von ergänzendem Bildmaterial, wie beispielsweise. ganzer Typenserien. Hierzu können der Darstellung Schaltflächen hinzugefügt werden, über welche weitere Bilder angezeigt werden können. Die erste Publikation die von dieser Technik Gebrauch macht, wird die Erstbeschreibung einer Wespe aus der Familie der Rhopalosomatidae sein (Lohrmann et al. in Vorbereitung). Eine weitere mögliche Verwendung der Objekte findet sich im Ausstellungsbereich von naturhistorischen Museen (Abb. 3). Werden die 360 -Objekte mit einer Schrittweite von 3 6 aufgenommen, können die 360 -Objekte auf kompatiblen Bildschirmen als 3D-Objekte 6 dargestellt werden, indem zwei aufeinanderfolgenden Bilder der Sequenz überlagert warden (Side by Side). Mit dem momentanen Stand der Technik benötigt man für diese Betrachtungsweise allerdings entweder einen aktiven 3D Monitor oder eine aktive 3D Brille. Es gibt bereits erste Monitore mit denen man den 3D-Effekt ohne passende Brille erreichen kann, doch diese Technik ermöglicht die Umsetzung des 3D-Effekts bisher nur von bestimmten Winkeln des Betrachters zur Bildfläche. Hier bleibt die technische Entwicklung noch abzuwarten und sobald 3D-Effekte ohne die Benutzung einer passenden Brille und in guter Qualität erzielt werden können, öffnet sich auch im Ausstellungsbereich für den Besucher eine neue Welt. Eine Mikrowelt, welche dem Besucher bisher nur über einzigartige Modelle (z. B. die von Alfred Keller geschaffenen Modelle von Insekten am MfN 7 ) erschlossen werden kann. Crowdsourcing von Specimen Label Die Erfassung und wissenschaftliche Erschließung einer Sammlung sind Grundvoraussetzungen, um ihr wissenschaftliches Potential sichtbar zu machen und einen adäquaten Zugriff für die Forschung zu ermöglichen (Wissenschaftsrat 2011). Dazu gehört auch die Erschließung der Metadaten zu den Einzelobjekten und damit die Informationen, die sich auf den Etiketten der genadelten Insekten befinden D-Objekte sind stereoskopische 360º-Objekte und 3D-Monitore erlauben die stereoskopische Wiedergabe der 360º-Objekte (ohne Brille: autostereoskopisch) 7 kellers-modelle/

5 30 Zur Erfassung der Labelinformationen sind verschiedene Verfahren zielführend. Eine Möglichkeit ist das Abschreiben der Labeldaten direkt vom Objekt. Hierzu muss die Person Zugang zur Sammlung haben und direkt vor Ort die Daten erfassen. Es können sich also nur Personen an der Transkription beteiligen, die in der Nähe der Sammlung wohnhaft sind. Um den potentiellen Personenkreis an freiwilligen Helfern zu erweitern, kann der Ansatz des Crowdsourcing sehr hilfreich sein. Crowdsourcing kann als Schwarmauslagerung übersetzt werden und wurde das erste Mal 2006 in einer Publikation von Howe artikuliert. Eine Definition bietet Martin et al. (2008): Crowdsourcing ist eine interaktive Form der Leistungserbringung, die kollaborativ oder wettbewerbsorientiert organisiert ist und eine große Anzahl extrinsisch oder intrinsisch motivierter Akteure unterschiedlichen Wissensstands unter Verwendung moderner IuK- Systeme auf Basis von Web 2.0 einbezieht. Leistungsobjekt sind Produkte oder Dienstleistungen unterschiedlichen Innovationsgrades, welche durch das Netzwerk der Partizipierenden reaktiv aufgrund externer Anstöße oder proaktiv durch selbsttätiges Identifizieren von Bedarfslücken bzw. Opportunitäten entwickelt werden.. Um über das Internet freiwillige Helfer für die Transkription von Labels zu bekommen, benötigt man zu aller erst Bildmaterial der zu transkribierenden Labels. Werden von genadelten Insekten 360 -Bilder erzeugt, müssen die Label zuvor von der Nadel abgestreift werden und bei diesem Schritt bietet es sich an diese gleich zu fotografieren. Ein Internet-Portal, welches bereits Crowdsourcing als Mittel zur Erfassung von Label-Informationen entwickelt hat, ist das Biodiversity Volunteer Portal 8 des Projekts Atlas of Living Australia 9. Hier wird eben jener Weg beschritten, bei dem die Fotos der Labels zusammen mit dem Bild des zugehörigen Insekts von freiwilligen Helfern transkribiert werden. Der Erfolg des Portals zeigt sich in den 300 aktiven Mitgliedern, die bereits im Verlauf des ersten halben Jahres seit bestehen der Online-Präsenz mehr als Aufgaben abgearbeitet hatten. Diese Technik sollte ebenfalls in Deutschland eingeführt werden, um die Erfassung der 70 Millionen Objekte an genadelten Insekten voranzubringen und zu beschleunigen. Mit dieser Technik können große Datenmengen effizient erschlossen und gleichsam der Bezug der freiwilligen Mitarbeiter zum Museum und dessen Sammlungen gestärkt oder auch neu geschaffen werden. Ein Crowdsourcing Portal kann über die online- Mitarbeit für Freiwillige auch das Interesse an naturwissenschaftlichen Sammlungen wecken und dazu führen, dass diese Interesse an der haptischen Wahrnehmung der digitalen Objekte bekommen. Hierdurch können möglicherweise Mitarbeiter gewonnen werden, die sich direkt an der Aufarbeitung von Sammlungen beteiligen. Publizieren Die gesammelten Biodiversitätsdaten können über mehrere Wege publiziert werden. Hier möchte ich nur auf zwei internationale Internetportale eingehen, die sich für die Publikation der Daten besonders gut eignen. Die eigentlichen primären Biodiversitätsdaten mit Art, Fundort, Datum und Sammler können über GBIF (Global Biodiversity Information Facility) veröffentlicht werden. Aktuell erlaubt dieses Portal den Zugriff auf 405 Millionen Datensätze, von denen mehr als 350 Millionen georeferenziert und damit mit Koordinaten ausgestattet sind. Das GBIF Portal 10 bietet vielseitige Möglichkeiten Biodiversitätsdaten zu filtern und zu visualisieren. Die nach Ländern, Arten, Jahren und/oder Zeiträumen - darüber hinaus existieren noch viele weitere Filtermöglichkeiten - gefilterten Daten werden sowohl auf Karten dargestellt, als auch im Detail aufgelistet. Die gefilterten Daten können exportiert und Funktionalitäten von GBIF können über vorhandene Services in andere Webseiten integriert werden, wie zum Beispiel die Kartendarstellung. Das zweite zu erwähnende internationale Portal ist Europeana 11, welches das kulturelle und wissenschaftliche Erbe Europas sowohl erschließt als auch vereint und darüber hinaus der breiten Öffentlichkeit zugänglich macht. Der Fokus im naturwissenschaftlichen Bereich liegt auf multimedialen Daten, wie zum Beispiel Bildmaterial von Tieren und Pflanzen oder auch Tonsequenzen von Tierstimmen. Beispiele sind GloBIS (Global Butterfly Information System) mit Bildmaterial zu Typen

6 zweier Schmetterlingsfamilien 12 und Sounddateien des Tierstimmenarchivs vom MfN 13. Die Anbindung der Daten an diese beiden Portale geschieht in beiden Fällen über die Provider Software BioCASe 14. Der große Vorteil dieser Software beruht in der Verknüpfung der Provider-Daten und den Portalen ohne dass die Arbeitsabläufe bei der Erfassung der Daten auf der Providerseite geändert werden muss. Die einzige Voraussetzung ist die Online-Verfügbarkeit der Daten. Die zwei wesentlichen Schritte bis zur Publikation der Daten in diesen beiden Portalen sind die Installation der BioCASe-Software auf einem Server mit Zugriff auf die Datenbank der Biodiversitätsdaten und ein Mapping der Provider-Daten auf ein Datenaustauschformat, wie z. B. ABCD 15 (Access to Biological Collections Data), welches im Projekt GBIF-D bevorzugt verwendet wird. Danach müssen die neuen Daten-Provider bei den Portalen registriert werden, bevor die Daten für die breite Öffentlichkeit zur Verfügung stehen. Literatur Alten, H. (1999): How temperature and relative humidity affect collection deterioration rates. In: Collections Caretaker 2 (2), (online via Abfrage am ). Händel, J. (2001): Lindan in der Insektensammlung Risiken und Alternativen. In: Mitt. Thür. Entomologenverband, Bd. 8 (2), S Howe, J. (2006): The Rise of Crowdsourcing. In: Wired Magazine Issue (online via archive/14.06/crowds_pr.html, Abfrage am ). Martin, N., Lessmann, S. & VoSS, S. (2008): Crowdsourcing: Systematisierung praktischer Ausprägungen und verwandter Konzepte. Institut für Wirtschaftsinformatik, Universität Hamburg. Wissenschaftsrat (2011): Empfehlungen zu wissenschaftlichen Sammlungen als Forschungsinfrastrukturen. 73 S. Danksagung Wir möchten uns besonders beim Team vom Projekt TET (Freie Universität Berlin) bedanken, das mit seiner Arbeit die 360 -Objekte erst ermöglichte und beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Forschungsprojektes GBIF-D (Förderkennzeichen 01 LI 1001 D) europeana_dataprovider%3a%22globis+%2f+museum +f%c3%bcr+naturkunde+berlin% Tierstimmenarchiv Alexander S. Kroupa Museum für Naturkunde Leibniz-Institut für Evolutionsund Biodiversitätsforschung Invalidenstr Berlin alexander.kroupa@mfn-berlin.de Martin Pluta Museum für Naturkunde Leibniz-Institut für Evolutionsund Biodiversitätsforschung Invalidenstr Berlin 31