看深度學(xué)習(xí)十九般武藝：它還能幫助保護(hù)瀕危動(dòng)物

本文作者：楊曉凡

2017-06-12 22:40

導(dǎo)語(yǔ)：借助深度學(xué)習(xí)，在野外用手機(jī)拍的照片就有可能貢獻(xiàn)力量

雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：瀕危動(dòng)物研究中一大難題是準(zhǔn)確估計(jì)它們的數(shù)量，想要追蹤以及詳細(xì)了解其中的個(gè)體更是難上加難。不過(guò)來(lái)自杜克尼古拉斯學(xué)院的兩位老師想到了辦法，居然可以用深度學(xué)習(xí)來(lái)幫忙做這件事。

傳統(tǒng)上，獲得野生動(dòng)物的信息只能靠專業(yè)的生物學(xué)家自己去野外尋找。但是野生動(dòng)物的活動(dòng)范圍很大，只靠小批量的專業(yè)生物學(xué)家所能研究到的范圍太有限。更重要的是，人們共同關(guān)心的瀕危野生動(dòng)物，因?yàn)榉N群太小、數(shù)量太少，野外很難遇到存活的個(gè)體，這就導(dǎo)致對(duì)他們的追蹤和準(zhǔn)確數(shù)量的估計(jì)非常困難。

現(xiàn)在隨著智能手機(jī)的普及，許許多多的普通人、愛(ài)好者都可以在野外拍攝到野生動(dòng)物和它們產(chǎn)生的痕跡。那能否也讓這些非專業(yè)生物學(xué)家采集的數(shù)據(jù)發(fā)揮作用呢？來(lái)自杜克尼古拉斯學(xué)院的Zoe Jwell和Sky Alibhai想了個(gè)辦法把這些數(shù)據(jù)也利用起來(lái)，下面就跟雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論一起來(lái)看看他們的故事。

WildTrack眾包識(shí)別足跡

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在幾十平方英里的非洲草原上找到一只獵豹是很難的，不過(guò)一只獵豹一天可以留下差不多20萬(wàn)個(gè)腳印，只是找到它的蹤跡的話就容易多了。而且研究人員發(fā)現(xiàn)，這些蹤跡除了能幫忙定位動(dòng)物以外，其實(shí)還能從里面挖掘出很多信息。

這些新發(fā)現(xiàn)很可能會(huì)給野生動(dòng)物保護(hù)帶來(lái)全新的方法，而這些新方法就可以通過(guò)深度學(xué)習(xí)和NVIDIA GPU跳躍性地得到。

Zoe Jwell和Sky Alibhai是WildTrack的聯(lián)合創(chuàng)始人，這是一個(gè)專注于觀察瀕危動(dòng)物的非營(yíng)利性組織。在世界環(huán)境日這天，他們啟動(dòng)了一個(gè)叫做ConservationFIT（保護(hù)性足跡識(shí)別）的項(xiàng)目，其中FIT的意思是足跡識(shí)別技術(shù)（footprint identification technology）。這個(gè)項(xiàng)目想要用眾包的方法處理動(dòng)物腳印的照片，然后用這些照片建立算法來(lái)識(shí)別留下這些腳印的動(dòng)物的種類、個(gè)體、性別和年齡段。

他們兩人的熱情來(lái)自1990年代時(shí)的一次2年期的旅行，那時(shí)候他們?cè)跒榻虬筒柬f和納米比亞政府觀察黑犀牛，當(dāng)時(shí)的偷獵行為非常猖獗。由于人類把黑犀牛的角砍下來(lái)做非法交易，它們的數(shù)量急劇下降。

政府把無(wú)線電項(xiàng)圈和除角作為保護(hù)黑犀牛的主要方法。但在草原上游蕩了10年之后，Jewell和Alibhai終于確認(rèn)了這些方法收效甚微。不只是因?yàn)闊o(wú)線電項(xiàng)圈經(jīng)常停止工作，還因?yàn)楸緛?lái)無(wú)線電項(xiàng)圈都是戴給雌性黑犀牛的，但現(xiàn)在它們開(kāi)始出乎意料地、破壞性地把它們的生育周期從每三年生一只小犀牛變成了每十年生一只小犀牛。

追著足跡走

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時(shí)間長(zhǎng)了，經(jīng)常帶著他們的向?qū)?wèn)他們?yōu)槭裁床桓鴦?dòng)物的腳印走。原來(lái)他們的向?qū)軓倪@些腳印里讀出來(lái)的除了直白的動(dòng)物去了哪，還有很多別的信息。

“讓我們很驚訝的是，這些土著專家不僅能分辨出來(lái)是什么物種，還能分辨出不同的個(gè)體，只看腳印就可以?！盇libhai說(shuō)，“經(jīng)常性地，他們看到一個(gè)腳印，然后他們就能說(shuō)出那頭犀牛的名字，然后找到那頭犀牛來(lái)向我們證明他說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)?！?/p>

Jewell和Alibhai兩人花了好幾年的時(shí)間進(jìn)行了刻苦的嘗試，他們用醋酸鹽或者一卷卷的賽璐珞來(lái)追蹤動(dòng)物腳印。然后90年代中期的兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)改變了一切，一項(xiàng)是數(shù)碼相機(jī)的發(fā)明，他們借此發(fā)現(xiàn)了JMP軟件；另一項(xiàng)是SAS研究院的統(tǒng)計(jì)分析軟件?？恐@兩項(xiàng)工具，他們兩人開(kāi)始建立復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。

這些技術(shù)孕育了FIT，今天的FIT已經(jīng)可以用腳印的照片分辨出種類、個(gè)體、性別和年齡段。

“從圖像處理，到分析，到繪制分布圖，它什么都能做”，Alibhai說(shuō)。

為了達(dá)到目的，還需要更多算法

目前，WildTrack已經(jīng)為15種動(dòng)物開(kāi)發(fā)了FIT算法（15種動(dòng)物里包括最開(kāi)始引發(fā)了后面這些故事的黑犀牛），然后由于想要加速對(duì)瀕危生物的觀察監(jiān)控，全世界用于野外研究的FIT需求也爆發(fā)性地增長(zhǎng)。

ConservationFIT項(xiàng)目的上線就是用身在野外的生物學(xué)家、追蹤者和普通科學(xué)家們通過(guò)智能手機(jī)拍的照片更快地建立算法。所以后來(lái)Jewell和Alibhai和SAS進(jìn)行協(xié)作，運(yùn)用NVIDIA GPU，發(fā)掘用深度學(xué)習(xí)來(lái)處理可能越來(lái)越多的照片、越來(lái)越多照片內(nèi)嵌信息的可能性。

“我們現(xiàn)在做的事情還很初級(jí)，研究腳印、動(dòng)物毛皮模式、毛發(fā)結(jié)構(gòu)和其它一些形態(tài)學(xué)特征，但初級(jí)的結(jié)果就可以遠(yuǎn)超了我們的預(yù)期”，Jewell說(shuō)，“我們期待用NVIDIA GPU可以提高速度，這樣我們就可以處理好幾個(gè)維度的數(shù)據(jù)”。

Jewell和Alibhai的終極目標(biāo)是能讓休閑旅游游客們前往保護(hù)區(qū)的80億人次瀏覽都發(fā)揮作用。

“想象一下，加入只有1%的游客帶了智能手機(jī)、采集了一些足跡數(shù)據(jù)”，Jewell說(shuō)。“這就已經(jīng)給深度學(xué)習(xí)和FIT提供了八千萬(wàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以用來(lái)判斷種群分布和識(shí)別個(gè)體?！?/p>

ConservationFIT

ConservationFIT想把已經(jīng)全世界普及的智能手機(jī)，以及靈活方便的無(wú)人機(jī)也利用起來(lái)，采集更多維度的信息，獲得物種地域、群體大小、分布情況的更多數(shù)據(jù)。

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通過(guò)iNaturalist也可以上傳自己拍的照片，還可以和全球的照片進(jìn)行對(duì)比。其中有一項(xiàng)重大的意義就是統(tǒng)計(jì)野生熊貓的數(shù)量，現(xiàn)在這些生物學(xué)家們并不知道確切的數(shù)目，也還沒(méi)辦法從腳印分辨出來(lái)熊貓的性別。不過(guò)現(xiàn)在杜克大學(xué)尼古拉斯環(huán)境學(xué)院李彬彬博士已經(jīng)有了新的方法能以95%的確定性判斷出熊貓的性別，這就給中國(guó)的研究人員在統(tǒng)計(jì)熊貓數(shù)量時(shí)提供了一個(gè)非常有力的工具。

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ConservationFIT的潛力還不止于此。據(jù)Alibhai介紹，東北虎生活的區(qū)域可能會(huì)覆蓋半米厚的積雪，人力進(jìn)入觀測(cè)很難。但是如果用無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝，最起碼可以發(fā)現(xiàn)老虎的蹤跡；接下來(lái)的目標(biāo)就是確認(rèn)老虎的種類，無(wú)人機(jī)拍攝的照片可以交給ConservationFIT平臺(tái)進(jìn)行分析，甚至無(wú)人機(jī)可以到地面附近拍下清晰的老虎腳印照片，這樣可以獲得更多關(guān)于這只老虎的信息。

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