看深度学习十八般武艺:它还能保护濒临绝种动物!

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看深度学习十八般武艺:它还能保护濒临绝种动物!

传统上,获得野生动物的资讯只能靠专业的生物学家自己去野外寻找。但是野生动物的活动範围很大,只靠小批量的专业生物学家所能研究到的範围太有限。更重要的是,人们共同关心的濒临绝种野生动物,因为种群太小、数量太少,野外很难遇到存活的个体,这就导致对他们的追蹤和準确数量的估计非常困难。

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现在随着智慧手机的普及,许许多多的普通人、爱好者都可以在野外拍摄到野生动物和它们产生的痕迹。那能否也让这些非专业生物学家採集的数据发挥作用呢?来自杜克尼古拉斯学院的 Zoe Jwell 和 Sky Alibhai 想了个办法把这些数据也利用起来。

WildTrack 群众参与识别足迹
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在几十平方英里的非洲草原上找到一只猎豹是很难的,不过一只猎豹一天可以留下差不多 20 万个脚印,只是找到它的蹤迹的话就容易多了。而且研究人员发现,这些蹤迹除了能帮忙定位动物以外,其实还能从里面挖掘出很多资讯。

这些新发现很可能会给野生动物保护带来全新的方法,而这些新方法就可以通过深度学习获得。

Zoe Jwell 和 Sky Alibhai 是 WildTrack 的共同创办人,这是一个专注于观察濒临绝种动物的非营利性组织。在世界环境日这天,他们啓动了一个叫做 ConservationFIT的计画,其中 FIT 的意思是足迹识别技术。这个计画想要用群众参与的方法处理动物脚印的照片,然后用这些照片建立算法来识别留下这些脚印的动物的种类、个体、性别和年龄段。

他们两人的热情来自 1990 年代时的一次为期 2 年的旅行,那时候他们在为辛巴威和纳米比亚政府观察黑犀牛,当时的偷猎行为非常猖獗。由于人类把黑犀牛的角砍下来做非法交易,它们的数量急剧下降。

政府把无线电项圈和除角作为保护黑犀牛的主要方法。但在草原上游蕩了 10 年之后,Jewell 和 Alibhai 终于确认了这些方法收效甚微。不只是因为无线电项圈经常坏掉,还因为本来无线电项圈都是戴给雌性黑犀牛的,但现在它们开始出乎意料地、破坏性地把它们的生育週期从每三年生一只小犀牛变成了每十年生一只小犀牛。

追着足迹走
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时间长了,经常带着他们的嚮导问他们为什幺不跟着动物的脚印走。原来他们的嚮导能从这些脚印里读出来的除了动物的行走路线以外,还有很多别的资讯。

「让我们很惊讶的是,这些土着专家不仅能分辨出来是什幺物种,还能分辨出不同的个体,只看脚印就可以。」Alibhai 说,「经常性地,他们看到一个脚印,然后他们就能说出那头犀牛的名字,然后找到那头犀牛来向我们证明他说的没错。」

Jewell 和 Alibhai 两人花了好几年的时间进行了刻苦的尝试,他们用醋酸盐或者一卷卷的赛璐珞来追蹤动物脚印。然后 90 年代中期的两项发现改变了一切,一项是数位相机的发明,他们借此发现了 JMP 软体;另一项是 SAS 研究院的统计分析软体。靠着这两项工具,他们两人开始建立複杂的统计学模型。

这些技术孕育了 FIT,今天的 FIT 已经可以用脚印的照片分辨出种类、个体、性别和年龄段。

「从图像处理,到分析,到绘制分布图,它什幺都能做」,Alibhai 说。

为了达到目的,还需要更多算法

目前,WildTrack 已经为 15 种动物开发了 FIT 算法,然后由于想要加速对濒临绝种生物的观察监控,全世界用于野外研究的 FIT 需求也爆发性地增长。

ConservationFIT 计画的上线就是用身在野外的生物学家、追蹤者和普通科学家们通过智慧手机拍的照片更快地建立算法。所以后来 Jewell 和 Alibhai 和 SAS 进行协作,运用 NVIDIA GPU,发掘用深度学习来处理可能越来越多的照片、越来越多照片内嵌资讯的可能性。

「我们现在做的事情还很初阶,研究脚印、动物毛皮模式、毛髮结构和其它一些形态学特徵,但初级的结果就可以远超了我们的预期」,Jewell 说,「我们期待用 NVIDIA GPU 可以提高速度,这样我们就可以处理好几项数据」。

Jewell 和 Alibhai 的终极目标是能让前往保护区的 80 亿人次游客,都能为野生动物尽上一份心力。

「想象一下,只要 1% 的游客带了智慧手机、採集了一些足迹数据」,Jewell 说。「这就已经给深度学习和 FIT 提供了八千万笔的数据量可以用来判断种群分布和识别个体。」

ConservationFIT

ConservationFIT 想把已经全世界普及的智慧手机,以及灵活方便的无人机也利用起来,採集更多资讯,获得物种地域、群体大小、分布情况的更多数据。

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通过 iNaturalist 也可以上传自己拍的照片,还可以和全球的照片进行对比。其中有一项重大的意义就是统计野生熊猫的数量,现在这些生物学家们并不知道确切的数目,也还没办法从脚印分辨出来熊猫的性别。不过现在杜克大学尼古拉斯环境学院李彬彬博士已经有了新的方法能以 95% 的确定性判断出熊猫的性别,这就给中国的研究人员在统计熊猫数量时提供了一个非常有力的工具。

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ConservationFIT 的潜力还不止于此。据 Alibhai 介绍,东北虎生活的区域可能会覆盖半公尺厚的积雪,人力进入观测很难。但是如果用无人机进行拍摄,最起码可以发现老虎的蹤迹;接下来的目标就是确认老虎的种类,无人机拍摄的照片可以交给 ConservationFIT 平台进行分析,甚至无人机可以到地面附近拍下清晰的老虎脚印照片,这样可以获得更多关于这只老虎的资讯。

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