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    3. 【新京報】北京監測鳥(niǎo)類(lèi)用上人工智能,科技助力生物多樣性調查:聲紋智能監測黑科技可識別800種鳥(niǎo)鳴

      今年8月,北京麋鹿苑一塊草坪上,鳥(niǎo)的種類(lèi)被鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統識別了出來(lái)。A10-A11版圖片/受訪(fǎng)者供圖

      鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統對翠湖國家城市濕地公園的鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行識別。

      蒼鷺的叫聲轉為頻譜后的可視化聲紋圖。

      基于聲紋與影像的生態(tài)智能感知系統,實(shí)時(shí)感知、實(shí)時(shí)識別、實(shí)時(shí)分析。

      布設在野外的聲紋智能監測設備。

        北京麋鹿苑的一片草坪上,停落著(zhù)十幾只鳥(niǎo)。扎堆兒的鴻雁埋著(zhù)頭認真覓食,體型碩大的東方白鸛邁著(zhù)兩條長(cháng)長(cháng)的紅腿優(yōu)雅地散步,灰色羽毛的蒼鷺伸長(cháng)了脖子東張西望。這樣一幅畫(huà)面出現在中科院半導體所研究員鑒海防的電腦屏幕中,每只鳥(niǎo)都被一個(gè)紅框圈住,上方是人工智能識別出來(lái)的鳥(niǎo)的種類(lèi)。

        在溫榆河公園的雁鳴島,幾聲清脆的鳴叫聲劃破天際,不遠處的濕地蘆葦叢在不停搖擺,從中飄出嘰嘰喳喳的聲音。游客舉目循聲卻看不見(jiàn)它們的蹤影,而在中科院動(dòng)物研究所林聰田博士的監控大屏上,已經(jīng)滾動(dòng)彈出“蒼鷺”和“棕頭鴉雀”字樣。原來(lái),這些聲音已經(jīng)被布設在溫榆河公園的聲紋傳感器探測到,并實(shí)時(shí)識別、回傳到了云端監測系統。

        北京市是世界上生物多樣性最豐富的大都市之一,由于處在東亞-澳大利西亞候鳥(niǎo)遷徙通道上,每年春秋兩季,大量的候鳥(niǎo)在遷徙時(shí)會(huì )途經(jīng)這里。眼下正值候鳥(niǎo)遷徙季,新京報記者了解到,最近一年,一大批智能監測設備已在北京各區鋪開(kāi),通過(guò)科技手段助力鳥(niǎo)類(lèi)監測。

        智慧監測系統將鳥(niǎo)類(lèi)生活習性納入考慮

        位于海淀區的翠湖國家城市濕地公園,現在迎來(lái)了一年中最美麗的季節。成群的候鳥(niǎo)飛掠水面,以彩葉林為背景留下倩影。目前這里觀(guān)測記錄到的鳥(niǎo)類(lèi)達到278種之多。

        公園一、二期面積為157公頃,為了更好開(kāi)展監測和保護,監測員每天都要掛著(zhù)沉甸甸的望遠鏡、拿著(zhù)計數器和錄音筆走上2-3公里,記錄鳥(niǎo)類(lèi)的種類(lèi)和數量。在海淀區濕地和野生動(dòng)植物保護管理中心的支持下,從去年開(kāi)始,軟硬件一體化的智能監測設備在這里啟用,通過(guò)連接公園攝像頭,實(shí)現用人工智能識別鳥(niǎo)類(lèi)。

        中國鳥(niǎo)類(lèi)超過(guò)1400種,北京野生鳥(niǎo)類(lèi)已達到503種之多。這些美麗的精靈中,不乏樣子獨特、讓人過(guò)目難忘的種類(lèi),但也有一些鳥(niǎo)外觀(guān)相似,只有鳥(niǎo)類(lèi)專(zhuān)家才能將它們一一分清。那么,它們會(huì )難住人工智能嗎?

        “研究人工智能計算機視覺(jué)的人,通常把鳥(niǎo)類(lèi)識別作為驗證算法的一個(gè)手段。因為鳥(niǎo)的種類(lèi)多,相似度高,能夠很好地體現算法的水平和能力?!辫b海防說(shuō),他的團隊較早地將研究應用到實(shí)際中,基于A(yíng)I技術(shù)開(kāi)發(fā)了鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統,并首先在翠湖國家城市濕地公園開(kāi)展了應用驗證。

        與拍一張清晰照片上傳進(jìn)行識別不同,系統要對自然環(huán)境中的鳥(niǎo)進(jìn)行長(cháng)周期實(shí)時(shí)識別,這并非易事。鳥(niǎo)的動(dòng)作姿態(tài)、是否被樹(shù)葉草叢遮擋、距離遠近、光線(xiàn)明暗等,都會(huì )對識別精度造成影響?!拔覀冇脙煞N方法提升精度。一是收集更多的數據對模型進(jìn)行訓練,再就是和國內研究鳥(niǎo)類(lèi)的專(zhuān)家合作,將他們的經(jīng)驗和知識融合到算法中。很多鳥(niǎo)的外表差異并不明顯,就結合它們的行為特征等進(jìn)行多模態(tài)識別。

        他舉例說(shuō),普通鸕鶿和蒼鷺外觀(guān)上有幾分相似,對其進(jìn)行識別時(shí),系統會(huì )將它們的生活習性納入考慮。比如,蒼鷺經(jīng)常停棲在水邊“靜候捕食”,而普通鸕鶿喜歡在水中“游泳潛水”?!拔覀儾粩喟褎?dòng)物的知識融入系統中,讓數據和知識雙輪驅動(dòng)?!辫b海防笑稱(chēng),由于天天看鳥(niǎo)、請教鳥(niǎo)類(lèi)專(zhuān)家,研究芯片的他仿佛也成了半個(gè)專(zhuān)家。

        每天,監測系統會(huì )自動(dòng)向管理人員發(fā)送一份監測日報。過(guò)去一天中,監測到的鳥(niǎo)的種類(lèi)、數量、分布情況一目了然,大大降低了人工成本,提高了工作效率。

        最近,在懷柔區園林綠化局的支持下,這套系統也在懷柔水庫上線(xiàn),用來(lái)監測在北京過(guò)冬的大天鵝等候鳥(niǎo),記錄它們的生活習性和遷徙規律。鑒海防說(shuō),目前在一些示范點(diǎn),科研人員會(huì )對景區原有攝像頭進(jìn)行升級,提升其分辨率和變焦的倍數,使其看得更清楚。大多數景區信息化建設比較完善,有現成的網(wǎng)絡(luò ),只需要將攝像頭接入設備即可,一臺設備可以接入景區的8個(gè)攝像頭,系統識別的準確率可以達到90%以上。

        “黑科技”為生物多樣性調查提供幫助

        有的鳥(niǎo)類(lèi)匆匆掠過(guò),沒(méi)有留下有效影像,或者藏在林中,只聞其聲。針對這種情況,科研人員還開(kāi)發(fā)了聲紋智能監測系統,適用于更加復雜的場(chǎng)景。

        在密云區臨近白河峽谷的龍云山景區,一個(gè)灰色設備掛在3米多高的桿子上。設備中的聲音傳感器收錄環(huán)境中的聲音,傳到邊緣計算設備,通過(guò)模型識別出聲音類(lèi)別,再回傳結果到服務(wù)器,由服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步的分析應用。如果鳥(niǎo)鳴聲響亮,設備可以識別200米范圍內的鳴叫聲。

        聲紋智能監測系統研發(fā)團隊的負責人是中科院動(dòng)物所博士林聰田。他向記者展示了兩段10秒的錄音,蒼鷺的叫聲洪亮、脆生生的,中華攀雀的叫聲則“秀氣”很多,尖銳短促。兩種鳥(niǎo)類(lèi)的叫聲聽(tīng)起來(lái)有很大差異,將聲音轉為頻譜后,可視化的聲紋圖也迥然不同。

        今年5月,林聰田團隊與密云區園林綠化局建立了監測示范點(diǎn),該點(diǎn)已經(jīng)錄制了接近2萬(wàn)條有效聲音,初步識別出80多種鳥(niǎo)類(lèi)?!耙酝?,鳥(niǎo)類(lèi)監測人員每隔兩天進(jìn)行樣線(xiàn)調查,在這一區域只監測到了60多種鳥(niǎo)?!泵茉茀^園林綠化局調查隊隊長(cháng)張德懷說(shuō),智能識別是密云鳥(niǎo)類(lèi)調查手段的重要補充。

        除了密云龍云山這樣的林地生境,研究人員還在翠湖濕地公園北邊的農田生境、永定河公園和溫榆河公園濕地布設了10多套設備?!坝绕涫窃跍赜芎庸珗@朝陽(yáng)示范區,目前有3臺聲紋設備在進(jìn)行監測,為前不久剛剛做完的公園生物多樣性調查提供了很大幫助?!绷致斕镎f(shuō)。

        被網(wǎng)友們稱(chēng)為“網(wǎng)紅公園”的溫榆河公園是北京重點(diǎn)生態(tài)工程,肩負著(zhù)生態(tài)系統修復重任,因而對生物多樣性非常重視。林聰田說(shuō),此次示范區生物多樣性調查中,除了傳統的人工調查外,還布設了聲紋和影像監測設備,進(jìn)行24小時(shí)監測,僅靠3臺聲紋設備就采集了4萬(wàn)多條有效聲音記錄,識別出94種鳥(niǎo)類(lèi),占此次本底調查鳥(niǎo)類(lèi)總數(175種)的54%。

        與在深山老林中監測鳥(niǎo)鳴聲不同,城市公園中的雜音會(huì )影響設備識別的精度?!傍B(niǎo)類(lèi)聲音多種多樣,什么樣的傳感器適合于監測鳥(niǎo)類(lèi)聲音?在設備研發(fā)上,我們前期做了大量研究工作,與設備生產(chǎn)企業(yè)深度合作,才研發(fā)出了適用于復雜環(huán)境中錄制鳥(niǎo)類(lèi)聲音的傳感器?!?/p>

        和圖片識別類(lèi)似,聲音識別在遇到叫聲相似的鳥(niǎo)類(lèi)時(shí)也存在識別困難。除了采用傳統方法對相似物種加大訓練樣本、提取更加精細特征外,動(dòng)物所研究團隊還創(chuàng )新地提出生態(tài)領(lǐng)域模型和聲紋模型一起構建聯(lián)合模型的識別方案?!斑@可以大幅提升識別準確率,但需要針對不同位點(diǎn)進(jìn)行模型定制?!绷致斕镎f(shuō)。

        他說(shuō),目前系統可以識別的鳥(niǎo)類(lèi)物種超過(guò)800種,基本滿(mǎn)足對常見(jiàn)鳥(niǎo)種的監測。對于不在識別模型中的物種,聲紋模型首先會(huì )識別出是不是鳥(niǎo)類(lèi)聲音,經(jīng)過(guò)專(zhuān)家確認物種種類(lèi)后,再放回到系統中進(jìn)行進(jìn)一步的訓練升級。

        識別系統可用于“云科普”和“云觀(guān)鳥(niǎo)”

        張懷德已經(jīng)在園林行業(yè)工作了29年,在他看來(lái),科技手段解決了一線(xiàn)監測人員遇到的難題?!耙酝斯けO測依賴(lài)于經(jīng)驗,但有的一線(xiàn)人員專(zhuān)業(yè)水平不足,無(wú)法直接識別看到的鳥(niǎo)類(lèi)或者聽(tīng)到的鳥(niǎo)鳴,還可能出現識別錯誤的情況。智能系統則給出了標準化的監測方法?!?/p>

        他說(shuō),以往紅外相機拍到的照片有上千張,很多是沒(méi)有拍到動(dòng)物的“廢片”,智能系統則可以將含有動(dòng)物的照片篩選出來(lái),大大節省了人力。

        北京市海淀區濕地和野生動(dòng)植物保護管理中心副主任劉穎杰說(shuō),設備能夠24小時(shí)源源不斷回傳有效數據,即便刮風(fēng)下雨也不間斷。受限于財力和人力,這是人工監測很難做到的。另外,對于監測員劃船才能到達的鳥(niǎo)島等地點(diǎn),如能布設設備進(jìn)行智能監測,顯然將更加便利。

        “人工智能和專(zhuān)業(yè)人員相輔相成?!辫b海防說(shuō),如果系統發(fā)現稀有或者識別不出來(lái)的鳥(niǎo)類(lèi),會(huì )拍攝視頻并進(jìn)行事件報警,通過(guò)專(zhuān)家進(jìn)行人工二次校驗,經(jīng)過(guò)校驗的數據又可以幫助系統優(yōu)化性能?!跋∮形锓N經(jīng)過(guò)時(shí),很難恰巧偶遇監測人員在工作,所以,系統的全天候監測,對于珍稀物種的發(fā)現將起到非常關(guān)鍵的作用?!?/p>

        林聰田說(shuō),目前他們已經(jīng)監測到了一種在南方分布的鳥(niǎo)類(lèi)的鳴叫?!叭绻罄m可以拍到這種鳥(niǎo)的圖片,就可以確定這種鳥(niǎo)確實(shí)已經(jīng)在北京出現?!?/p>

        科研人員和智能系統的使用者雙方都強調了一點(diǎn):長(cháng)時(shí)間監測能夠真正反映生物多樣性隨時(shí)間變化的情況。以往工作人員在候鳥(niǎo)遷徙季集中進(jìn)行生物多樣性調查,數據并不完整,而智能系統長(cháng)期運行,監測結果自然可以更準確地反映鳥(niǎo)類(lèi)的遷徙規律和生活習性。

        識別系統也可以用于“云科普”和“云觀(guān)鳥(niǎo)”?!拔覀冊?jīng)拍到了很有意思的畫(huà)面,比如普通鸕鶿叼著(zhù)很長(cháng)的柳樹(shù)枝在水面玩耍;鴻雁繁殖季時(shí),鴻雁‘爸爸媽媽’帶著(zhù)‘小寶寶’覓食的溫馨場(chǎng)景?!辫b海防說(shuō),由于系統有識別功能,沒(méi)有鳥(niǎo)類(lèi)知識的游客在景區大屏幕或者微信公眾號上看到視頻,就可以了解這些鳥(niǎo)類(lèi)的名稱(chēng),“而不是簡(jiǎn)單看個(gè)熱鬧”。

        智能設備監測種類(lèi)將擴展到鳴蟲(chóng)、兩棲類(lèi)

        未來(lái),智能系統的應用范圍還將拓展。

        鑒海防說(shuō),除了北京,鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統還在江西鄱陽(yáng)湖、云南昆明、山東黃河三角洲國家級自然保護區開(kāi)展應用示范。

        鄱陽(yáng)湖是當今世界上最大的白鶴、鴻雁、小天鵝種群越冬地,是東方白鸛、白枕鶴主要越冬地,也是大量珍稀候鳥(niǎo)的重要遷徙通道和停歇地。每年10月,大批候鳥(niǎo)陸續到此過(guò)冬棲息,隨著(zhù)候鳥(niǎo)數量的不斷增加,候鳥(niǎo)監測壓力增大。此時(shí),智慧監測系統就可以助力關(guān)鍵大群候鳥(niǎo)的數量統計和白鶴等珍稀物種的活動(dòng)節律研究,提升候鳥(niǎo)監測效率。

        “近年來(lái),大家說(shuō)每年有4萬(wàn)只紅嘴鷗飛到昆明越冬,但數量具體是多少?在云南的昆明翠湖公園,我們和中科院昆明動(dòng)物所的李維薇團隊開(kāi)展合作,使用鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統,可以實(shí)時(shí)監測鳥(niǎo)類(lèi)數量,相當于每天給居民提供類(lèi)似天氣預報的觀(guān)鳥(niǎo)預報?!彼f(shuō),這個(gè)設備今年冬天即將上線(xiàn),游客在公園門(mén)口就能了解到園內有多少只紅嘴鷗。

        山東黃河三角洲是國家一級保護動(dòng)物——東方白鸛在全球最大的繁殖地,為了讓它們更好地在這里“安家落戶(hù)”,人們建起了高大的人工巢。通過(guò)人工巢上的高清攝像頭和鳥(niǎo)類(lèi)智慧監測系統,可以更準確地監測候鳥(niǎo)種群變化和遷徙動(dòng)態(tài),并實(shí)時(shí)掌握東方白鸛等的完整成長(cháng)過(guò)程和生活行為節律。

        林聰田告訴記者,截至目前,聲紋智能監測系統已經(jīng)在北京多個(gè)區采集了近10萬(wàn)條有效聲音數據,監測并記錄到200多種鳥(niǎo)類(lèi)的鳴叫聲,這將有力支撐這些區域的生物多樣性本底調查與長(cháng)期監測活動(dòng)。下一步,系統將擴大識別類(lèi)型,從監測鳥(niǎo)類(lèi)逐步擴展到蟋蟀等鳴蟲(chóng)、青蛙等兩棲類(lèi)和獸類(lèi),以覆蓋更多物種。

        另外,系統還將擴展應用范圍,比如通過(guò)聲音監測了解物候,即動(dòng)植物和天氣等隨季節變化的周期性自然現象?!斑@是一個(gè)很重要的應用場(chǎng)景,比如北京的布谷鳥(niǎo)什么時(shí)候開(kāi)始叫?什么時(shí)間逐漸不叫了?以此就能得出物候規律。聲紋識別是未來(lái)生物多樣性和動(dòng)物物候監測的新方向和新突破,有著(zhù)廣闊的應用前景?!绷致斕锉硎?。

      (來(lái)源:《新京報》2022年10月25日 第A(yíng)10:北京新聞 新京報記者 張璐)

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