Digitalisierung von Diatomeensammlungen: Herausforderungen und Lösungen

Diatomeen sind winzige Algen, die eine grosse Rolle in unseren aquatischen Ökosystemen spielen. Biologen untersuchen diese kleinen Organismen, um die Gesundheit von Flüssen, Seen und Ozeanen zu überprüfen. Historisch gesehen haben Wissenschaftler Diatomeenproben auf Glasplatten aufbewahrt und oft tausende dieser mikroskopischen Lebensformen auf eine Platte gedrückt. In letzter Zeit gibt es einen Trend, diese Sammlungen zu digitalisieren, was seine eigenen Herausforderungen mit sich bringt-hauptsächlich rund um die Metadaten, die mit der Digitalisierung kommen.

#Der Zweck dieser Forschung

Diese Studie konzentriert sich auf die Diatomiensammlungen an der Akademie der Naturwissenschaften der Drexel University. Das Hauptziel ist es, einen digitalen Teil ihres Diatomeenherbariums für Forscher weltweit verfügbar zu machen. Um dies zu erreichen, hat das Team eine dreigeteilte Studie durchgeführt: Überprüfung der aktuellen Metadatestandards, Zuordnung der in Diatomiensammlungen verwendeten Metadaten zu diesen Standards und Analyse der Risiken, die mit den aktuellen Datenpraktiken verbunden sind. Sie planen auch, die digitalen Folien auf eine zugänglichere Plattform namens DataFed zu übertragen.

#Bedeutung von Metadaten

Metadaten sind im Grunde „Daten über Daten.“ Sie bieten wichtigen Kontext, der es Wissenschaftlern ermöglicht, die Folien richtig zu nutzen und zu analysieren. Als das Diatomi-Team entschied, seine Sammlung zu digitalisieren, wurde schnell klar, dass die Erstellung und Verwaltung guter Metadaten entscheidend ist, um anderen zu helfen, ihre Daten effektiv zu nutzen. Das gilt besonders angesichts der schieren Grösse ihrer Sammlung, die über 300.000 Folien umfasst-von einem Speicheralbtraum reden wir hier!

#Der Digitalisierungsprozess

2009 begann das Diatomi-Team dank finanzieller Unterstützung mit der Digitalisierung eines Teils ihrer Sammlung, wobei der Fokus zunächst auf 6.000 Folien lag. Dieses Vorhaben sollte die Sammlung global zugänglicher machen, deckte aber auch verschiedene Probleme auf, wie die Daten und Folien organisiert waren.

#Die Herausforderung mikroskopischer Proben

Eine der grössten Herausforderungen bei der Arbeit mit Diatomeenfolien ist, dass sie keine gewöhnlichen biologischen Proben sind. Anders als ein einzelnes Blatt oder ein Insekt kann eine Folie Tausende einzelner Diatomeen enthalten. Die Software, die für die Verwaltung biologischer Proben verwendet wird, geht oft davon aus, dass jede Folie nur ein Organismus enthält. Das Team musste also ein einzigartiges Framework erstellen, um mit diesen unzähligen mikroskopischen Lebensformen umzugehen.

#Die neue Initiative

Anfang 2024 begann eine neue Initiative, um die Herausforderungen anzugehen, mit denen das Team bei der Verwaltung und dem Zugriff auf das Diatomeenherbarium konfrontiert war. Eine Zusammenarbeit von Informationswissenschaftlern und Diatomienspezialisten arbeitete gemeinsam daran, das Management der Sammlung zu verbessern und global zugänglicher zu machen. Diese Initiative steht auch im Zusammenhang mit einem grösseren Projekt, das darauf abzielt, eine Plattform für datenzentrierte Wissenschaft und Technik zu entwickeln.

#Übersicht der Metadatestandards

In den letzten 15 Jahren sind viele Metadatestandards in der wissenschaftlichen Gemeinschaft entstanden. Diese Standards helfen Forschern, die Reproduzierbarkeit ihrer Studien zu gewährleisten. Das Team hat mehrere Metadatenframeworks untersucht, wobei der Fokus speziell auf Mikroskopie lag, die drei Hauptarten von Metadaten umfasst:

1. Experimentelle und Probenmetadaten: Details zum Verfahren, das zur Vorbereitung der Probe verwendet wurde.
2. Mikroskopiemetadaten: Behandelt, wie die Bilder der Probe aufgenommen wurden.
3. Analysemeterdaten: Diskutiert, wie die Bilder nach der Aufnahme analysiert wurden.

Diese Kategorien halfen dem Team, ihre eigenen Bemühungen zur Metadatensammlung zu strukturieren, da jede digitalisierte Folie unter das Label „Imaging-Experiment“ fällt.

#Wichtige Metadatestandards

Während der Forschung identifizierte das Team mehrere wichtige Schemata, die mit Mikroskopie zu tun haben:

1. Open Microscopy Environment (OME): Dieser Standard passt zu den Bedürfnissen des Diatomi-Teams und konzentriert sich darauf, wie Bilder und ihre zugehörigen Daten gespeichert werden.
2. Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM): Obwohl dieser Standard robust ist, ist er nicht speziell auf die Diatomeenforschung zugeschnitten.
3. Darwin Core (DwC): Wird häufig für wissenschaftliche Proben verwendet und dient als grundlegender Standard für das Diatomeenherbarium.

#Das OME-Dateiformat

Das Team verwendet hauptsächlich ein Dateiformat, das als OME-TIFF bekannt ist, das Bildinformationen und Metadaten in einem Paket kombiniert. Jüngste Aktualisierungen haben zu einem neuen Dateiformat namens OME-Zarr geführt, das eine bessere Speicherung und Abrufung von Daten ermöglicht, insbesondere beim Umgang mit komplexen Bildern aus mehreren Proben.

#Grundlegende Ausrichtung der Metadaten

Um die gesammelten Metadaten sinnvoll zu gestalten, unterteilte das Team die verschiedenen Arten in Kategorien, die alles von Probenmetadaten bis zu den technischen Spezifikationen der verwendeten Mikroskope detailliert aufschlüsseln. Jede Art von Metadaten spielt eine Rolle dabei, sicherzustellen, dass zukünftige Forscher die digitalisierten Folien verstehen und effektiv verwenden können.

#Probenmetadaten

Das umfasst viele wichtige Details über die Wasserproben, die für Diatomenstudien gesammelt wurden. Zum Beispiel wird aufgezeichnet, wo und wann das Wasser gesammelt wurde, wer es gesammelt hat und andere wesentliche Merkmale.

#Mikroskop-Hardware-Spezifikationen

Das beschreibt die Details der Mikroskope, die zum Scannen der Folien verwendet wurden. Diese Informationen sind entscheidend, da sie erheblichen Einfluss darauf haben können, wie Diatomeen später betrachtet und analysiert werden.

#Bildakquisitions-Einstellungen

Beim Scannen können Experten Einstellungen wählen, die die Qualität der erfassten Bilder beeinflussen. Dies erfasst verschiedene Komponenten, die sicherstellen, dass jede Folie klar digitalisiert wird.

#Bildstrukturmetadaten

Während Folien digitalisiert werden, werden mehrere Bilder aufgenommen und zu einer grösseren Ansicht zusammengesetzt. Nachverfolgung, wie diese einzelnen Bilder zusammenpassen, ist ein weiterer Teil des Metadatenpuzzles.

#Scanning-Metadaten

Das umfasst, wann Scans initiiert werden und erstellt ein Protokoll darüber, welche Folien gescannt wurden. Zunächst verwendete das Team dafür ein sehr einfaches Excel-Dokument, das jedoch nach Beginn der Zusammenarbeit aktualisiert wurde, um mehr Details zu enthalten.

#Risikoanalyse der Metadaten

Während das Projekt Fortschritte macht, hebt es auch Risiken hervor, die mit der aktuellen Handhabung von Metadaten verbunden sind.

#Speicherbeschränkungen

Jeder Folien-Scan kann ziemlich gross sein und benötigt eine erhebliche Menge an Speicherplatz-oft über 20 Gigabyte! Mit Plänen, 6.000 Folien zu digitalisieren, summiert sich das schnell auf etwa 100 Terabyte. Als das Team keinen Platz mehr hatte, mussten sie auf externe Laufwerke zurückgreifen, was das Risiko der Datei-Korruption erhöhen kann.

#Verlust von Metadaten während der Konversion

Um Bilder in ein nutzbareres Format wie OME-TIFF zu konvertieren, sind technische Arbeiten erforderlich. Unglücklicherweise verlor das Team während dieses Prozesses einige wichtige Metadaten, was die Notwendigkeit besserer Protokolle hervorhebt.

#Menschliches Versagen

Im Laufe der Zeit änderten sich die Namenskonventionen für Ordner mit Folien-Daten. Auch wenn das keine grossen Veränderungen sind, macht diese Inkonsistenz es schwer, die Daten in Zukunft zuverlässig zu suchen und zuzugreifen.

#Schlechte Benutzeroberfläche

Der Zugriff auf und die Aktualisierung der Metadaten-Datenbank kann aufgrund veralteter Software-Schnittstellen herausfordernd sein. Dieses Problem kann die ordnungsgemässe Pflege wichtiger Informationen behindern.

#Fehlende Metadaten

Bei der Überprüfung der Metadaten bemerkte das Team, dass mehrere wichtige Details nicht erfasst wurden. Zum Beispiel hatten sie nicht die genaue Marke und das Modell der verwendeten Mikroskope erfasst, was für zukünftige Forscher wichtige Informationen sein könnten.

#Fazit und nächste Schritte

Dieses Papier beschreibt die Arbeit des Teams zur Verbesserung des Managements und der Zugänglichkeit ihrer Diatomiensammlung. Effektive Metadaten sind der Schlüssel, um Forschern den Kontext zu geben, den sie benötigen, um die digitalen Folien optimal zu nutzen. Die nächsten Schritte bestehen darin, administrative Aspekte des Datenaustauschs zu klären und die Software für die Bildkonversion zu verbessern.

Während das Team voranschreitet, haben sie sich zum Ziel gesetzt, die Kopfschmerzen, die durch Missmanagement von Metadaten verursacht werden, zu reduzieren und Forscher sowohl lokal als auch global zu unterstützen. Mit diesem Gedanken sind sie bereit, neue Strategien umzusetzen, um eine reibungslose Zukunft zu gewährleisten-hoffentlich mit weniger Stolpersteinen auf dem Weg!