Vergleich gängiger akustischer Nachweisverfahren

In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche technische Lösungen zum akustischen Nachweis von Fledermäusen entwickelt. Neben der Umwandelung in hörbaren Schall gibt es mittlerweile verschiedene digitale Speichermöglichkeiten. Die verwendete Technik entscheidet stark darüber, wie gut und sicher Arten erkannt werden können. Nur Zeitdehner- und Echtzeit-Aufnahmen erlauben die objektive Bestimmung und die spätere Nachkontrolle durch unabhängige Gutachter. Auch sind nur solche Systeme in sinnvoller Art und Weise für die Automatisierung der Erfassung geeignet, wenn genaue Art-Bestimmungen nötig sind.

Weiterführende Informationen zur akustischen Erfassung und ihrer Automatisierung finden Sie im Kapitel I der Dissertation von Dr. Volker Runkel (Stand der Technik: 2008). Weitere fundierte Tests und Infos zu neuen Lösungen finden sich unter anderem bei batecho.eu.

Die Anwesenheit von jagenden Fledermäusen lässt sich sehr gut durch akustische Methoden feststellen. Dabei wird ausgenutzt, das Fledermäuse regelmäßig (2 bis 20 Mal je Sekunde) einen Ortungslaut aussenden. So ist ein Ultraschall-Signal jedoch nicht für uns hörbar. Daher muss ein technisches Hilfsmittel eingesetzt werden, das den Nachweis erlaubt. Heute gibt es viele verschiedene Fledermaus-Detektoren, die Schall hörbar machen und/oder für spätere Betrachtung speichern. Die technischen Unterschiede wirken sich auf die Anwendung und vor allem die Nachweis-Sicherheit und Bestimmbarkeit von Fledermausarten aus. Nicht alle Geräte sind daher für alle Aufgaben gleich gut geeignet. Wir werden Ihnen kurz die gängigen Detektortypen vorstellen, die Einsatzmöglichkeiten erläutern und im Hinblick auf die automatische Erfassung und Bestimmung von Arten vergleichen. Dieser Text ist als grober Überblick gedacht. Die akustische Erfassung jagender Fledermäuse ist in ihrer Anwendung komplexer als hier dargestellt.

Grundlagen der Detektor-Techniken und des Einsatzes

Techniken zur Fledermaus-Detektion

  • Heterodyn oder Mischer-Detektor: Der Mischer-Detektor ist ein sehr einfaches Gerät, dass Ultraschall für uns hörbar machen kann. Zum Mikrofonsignal wird eine wählbare Frequenz hinzugemischt. Daraus resultiert eine Addition und Subtraktion des Mikrofonsignals und der gewählten Frequenz. Die Subtraktion ist das, was dann für uns hörbar wird. Ruft zum Beispiel eine Zwergfledermaus bei 45 kHz und wählt man am Detektor 40 kHz als Mischfrequenz, ergibt sich ein Ton bei 5 kHz (hörbar) und einer bei 85 kHz (nicht hörbar). Die meisten Mischerdetektoren haben ein Fenster von ca. ±5 kHz um die eingestellte Frequenz. So kann man die Ruffrequenz der Fledermaus besser einengen. Dies ist wichtig, um neben dem Rhythmus der Ruffolge ein Merkmal für die Artbestimmung zu haben. Mischer- und Teilerprinzip
  • Teilerdetektor: Das Prinzip dieses Detektors ist es, das Mikrofonsignal um den Faktor 10 zu teilen und so den Ultraschall hörbar zu machen (manche Geräte haben auch 8-, 14- oder 20fache Teilung). Ein Zwergfledermausruf bei 45 kHz wird in 4,5 kHz umgewandelt. Während der Mischerdetektor nur einen kleinen Frequenzbereich abbildet, bietet der Teilerdetektor eine Breitband-Umwandelung. Das Teilen des Mikrofonsignals hat jedoch auch Tücken, so werden zum Beispiel manchmal Amplituden verändert. Aufnahmen mit Teilerdetektoren können auch am Rechner analysiert werden.
  • Anabat SD1/2: Das Anabat SD1 System beinhaltet einen Anabat Teilerdetektor und das ZCAIM-Modul. Dieses Modul berechnet die Nulldurchgänge der geteilten Schwingungen und speichert diese stark reduzierten Informationen auf CF-Karte. Das Tonsignal wird nicht aufgezeichnet.
  • Zeitdehner-Detektor: Zeitdehner speichern das Tonsignal digital in einem Ringspeicher (meist geringere Amplitudenauflösung und niedrigere Samplerate als Echtzeitsysteme). Das gespeichert Signal kann mit einer Verlangsamung um den Faktor 10 (manchmal auch 20) analog ausgegeben werden. Zeitdehner sind immer mit einem Mischer und/oder einem Teilerdetektor gekoppelt, um eine direkte Mithörkontrolle der Fledermausrufe zu haben. Wird eine Aufnahme getätigt, kann diese als verlangsamtes Signal mit herkömmlichen Audiogeräten (44,1 kHz Samplerate und 16 bit Amplitudenauflösung) gespeichert und am Rechner ausgewertet werden. Nachteilig auf die Signalqualität wirken sich u.a. die mehrfachen Umwandelungen zwischen analogem und digitalem Signal aus (AD / DA Umwandelungen).
  • Echtzeit-System: Es handelt sich bei Echtzeit-Systemen nicht um herkömmliche Fledermausdetektoren. Diese neuartigen Geräte dienen der digitalen Aufnahme von Fledermauslauten ohne Veränderung der Signale. Dazu weisen sie eine Digitalisierungsrate von 500000 Werten je Sekunde (500 kHz) auf. Wie Zeitdehner müssen sie im Feld beim aktiven Monitoring mit Mischer- oder Teilerdetektor eingesetzt werden, da sie keine Umwandelung des Ultraschalls in den hörbaren Bereich vornehmen. Solche Systeme sind jedoch meist primär für die automatische Aufnahme von Ortungsrufen konzipiert. Dann werden sie ohne weiteren Detektor eingesetzt. Der batcorder ist ein Echtzeit-Aufnahmesystem speziell für den automatischen Einsatz entwickelt.

Vergleich der Lösungen

Mischer-/ Teilerdetektor Anabat SD1 Zeitdehner Echtzeit batcorder
Technische Eigenschaften
Typ Analog Digital Digital
Amplituden-Auflösung --- 8 bit 16 bit 16 bit
Abtastrate --- 300-350 kHz 500 kHz 500 kHz
Tonsignal verändert, reduziert nur Nulldurchgänge leicht verändert original original
Aufnahmequalität -- - + ++ ++
Speicherung extern, analog intern extern, analog intern, digital intern, digital
Robustheit +, nicht wetterfest +, nicht wetterfest -, nicht wetterfest -/+, nicht wetterfest ++, wetterfest
Einsatz / Bedienung
Typ. Laufzeit < 24 Std. < 12 Std. 6 Std. - 1 Woche ca. 1 Woche
Kalibriert bedingt ja
Reichweite hoch mittel mittel
Omnidirektionalität --/- ++
Bedienung einfach mittel mittel - schwierig einfach
Aufnahmesteuerung keine / Amplitude Amplitude + einfache Parameter Ruferkennung
automatische Erfassung - + - +(+) ++
Zubehör, Preis etc.
Zubehör Eigenbau meist Eigenbau, Fernübertragung, PDA, ... Eigenbau Eigenbau Aufbauhilfe,
WKA-Modul, Dauermonitoring
Preis (incl. MwSt.) < 400€ ca. 1700€ 900-1500€ 1700-5000€ 2850€

Wozu werden Detektoren eingesetzt?

  • Die einfachste Fragestellung, bei der ein Fledermausdetektor verwendet wird, ist der Nachweis von Fledermausaktivität (keine Artinformation gefragt!). Hierzu eignet sich eigentlich jeder Detektor-Typ gleich gut. Beim Mischerdetektor muss sicher gestellt sein, dass der gesamte Frequenzbereich überwacht wird (andauerndes Wechseln der Mischerfrequenz von 20 bis 55 kHz bzw. bis 105 kHz).
  • Semi-Quantitative Erfassung: Messung der Aktivität in Form von zum Beispiel bat passes mit dem Ziel, eine Beurteilung der Aktivität vorzunehmen. Hierbei wird keine Artunterscheidung vorgenommen.
  • Quantitative Erfassung: Messungen mit dem Ziel des Vergleichs der Aktivität an Standorte oder in Nächte. Subjektive Verfahren eignen sich hier nur bedingt, da am besten über einen längeren Zeitraum jedes Ereignis gezählt werden muss. Bei objektiven Verfahren ist darauf zu achten, dass möglichst der gesamte Flugraum überwacht wird. Dies ist nur dann möglich, wenn das Mikrofon des Detektors von jeder Seite gleich gut Schall aufnehmen kann. Am besten sind die Daten solcher Erfassungen als Fledermausdichte zu beurteilen, da keine Individuen-Unterscheidung stattfindet.
  • Semi-Qualitative Erfassung: Etwas aufwendiger ist die Frage, welche Arten aktiv sind. Hier muss der Detektor die Arterkennung erlauben. Bei Mischer- und Teilerdetektor erfordert dies eine gewisse Übung, außerdem ist es hinderlich, wenn sehr viele Arten gleichzeitig fliegen. Manche Arten lassen sich auch mit viel Übung nur kaum bis nicht unterscheiden. Findet nur ein kurzer Durchflug statt, ist es sehr schwierig, die Art sicher zu bestimmen. Werden Rufe am Rechner als Sonagramme ausgewertet, spielt ebenso die Erfahrung des Bearbeiters eine große Rolle. Jeder Ruf kann jedoch so in Ruhe betrachtet und vermessen werden. Der Vergleich mit Referenzrufen ist ebenso möglich. Objektive Verfahren zur automatischen Artbestimmung sind zusätzlich möglich und empfehlenswert. Die semi-quantitative Erfassung wird nur auf Gattungsniveau durchgeführt. Leicht zu bestimmende Arten werden explizit ermittelt.
  • Qualitative Erfassung: Soll jeder Kontakt auf Artniveau bestimmt werden, dann ist ein Echtzeit-Aufnahmesystem (unter Umständen auch ein Zeitdehner-System) unumgänglich. Nur mittels statistischer Verfahren kann ein annähernd ausreichendes Bestimmungsniveau erzielt werden. Auch kann nur so eine objektive Datengrundlage geschaffen werden.
  • Quantitative-Qualitative Erfassung: Häufig ist es in der Praxis erforderlich, Aktivität auf Artniveau zu erfassen und mehrere Standorte zu vergleichen. Insbesondere im Rahmen von Gutachten für saP, FFH, UVS und UVP erwartet der Auftraggeber, ebenso wie die Öffentlichkeit, diese Form der Untersuchung.

Bestimmbarkeit von Arten

Am subjektiven Höreindruck im Feld

Die lange Zeit einzige Möglichkeit der Bestimmung von jagenden Fledermäusen im Feld waren Mischer- und Teilerdetektoren. Der Höreindruck, also primär Ruffrequenz und Rhythmus, dienen dabei zusammen mit Sichtbeobachtungen als Merkmale für die Artbestimmung. Dieses Vorgehen ist für einige Arten in den üblichen Situationen gut durchführbar. Es gibt jedoch einige Gattungen, z.B. Myotis, oder Flugsituationen, in denen diese Methode genaue Bestimmungen nicht zulässt. Handelt es sich nur um einen kurzen Durchflug eines Tieres oder nutzt eine Fledermaus untypische Rufe, dann kann sehr leicht eine Fehlbestimmung stattfinden. Auch erfahrene Detektor-Nutzer kennen diese Probleme und sind nur bedingt davor gewappnet. Ein unerfahrener Nutzer wird deutlich häufiger eine Fehlbestimmung vornehmen. Da es sich um ein rein subjektives Vorgehen handelt und die Nachweise nicht in Form von Aufnahmen archiviert werden, ist ein Nachweis nur durch Mischer- oder Teilerdetektor immer kritisch zu bewerten. Die Stärke dieser Geräte liegt darin, dass sie sehr schnell etwas über die Anwesenheit von Fledermäusen auszusagen erlauben.

Einfache Aufnahmen: Teiler

Das Tonsignal eines Teilerdetektors lässt sich mit herkömmlichen Audiogeräten aufnehmen und erlaubt so die nachträgliche Analyse von Aufnahmen. Man kann daher, im Gegensatz zur Bestimmung im Feld, Aufnahmen in Ruhe anhören oder mit einem Rechner analysieren. Die Reduktion der originalen Tondaten wirkt sich jedoch nachteilig aus. Es stehen deutlich weniger Schwingungen für die Analyse zur Verfügung. Für viele schwierig zu unterscheidende Arten ist dieses Verfahren nicht hinreichend.

Anabat SD1/2: Teiler + Nulldurchgangsanalyse

Das Anbat SD1/2 System erfreut sich großer Beliebtheit, vor allem im englischsprachigem Raum. Es entstand vor einigen Jahren als System zum Dauermonitoring und für den automatischen Einsatz. Das Tonsignal wird bei diesem System zuerst geteilt, um die Datenmenge zu reduzieren. Liegt ein überschwelliges Signal vor (Amplitudentrigger), wir anschließend eine Nulldurchgangsanalyse berechnet und das Ergebnis dieser Analyse auf CF-Karte gespeichert. Dieses Verfahren bietet keine ausreichend gute Aufnahmequalität, um schwierig zu unterscheidende Arten zu erkennen. Im Gegensatz zum normalen Teiler werden alle Toninformationen verworfen und nur das Ergebnis der Nulldurchgangsanalyse steht später zur Verfügung. Das System ist in Bezug auf die Bestimmbarkeit von Arten Zeitdehner- und Echtzeit-Systemen meist deutlich unterlegen.

Zeitdehner

Zeitdehner-Systeme werden seit Anfang der 90er Jahre eingesetzt. Das Aufzeichnungsverfahren erlaubt in der Regel eine genaue Bestimmung der Laute am Computer. Die meist niedrige Abtastrate (ca. 300 kHz) und die geringe Amplitudenauflösung (8 bit) erschwert die Analyse mancher Rufe. Die Bedienung im Feld ist recht aufwendig, da nach Aufnahme der Signale mit dem Detektor eine Übertragung auf ein herkömmliches Audiogerät notwendig ist. Dies geschieht 10fach langsamer, als die originale Aufnahme. D.h. bei einem Detektor mit 3 Sekunden Ringspeicher dauert die Übertragung 30 Sekunden.

Echtzeit-Systeme

Seit wenigen Jahren gibt es Echtzeit-Aufnahme-Systeme, die mit hoher Samplerate Ton digital speichern. Zwei der verfügbaren Geräte sind speziell für den automatischen Einsatz konzipiert (Pettersson D500x, ecoObs batcorder). Zwei andere Systeme erlauben das Mithören (Pettersson D1000x; Avisoft UltraSoundGate muss an einen PC angeschlossen werden!). Generell ist die Aufnahmequalität dieser Systeme sehr hoch, sodass die Bestimmung vieler auch schwierig zu ermittelnder Arten mit statistischen Verfahren recht gut möglich ist.

Dennoch: Immer Probleme!

Dennoch geht auch mit den zuletzt genannten Echtzeitsystemen die Artbestimmung nicht immer problemlos. Variabilität der Rufe und vor allem auch die Aufnahme-Bedingungen erschweren die Artbestimmung teils stark. Anhand des batcorder Systems zeigen wir ein paar der Tücken auf. Diese gelten auch für andere Systeme, eine allgemeine Übersicht der Probleme ist geplant.