KI schützt Robben und Belugawale

In den kalten Gewässern Alaskas hilft künstliche Intelligenz (KI) Forschern, gefährdete Tiere zu retten. Wissenschaftler arbeiten mit Umweltschützern und der lokalen Bevölkerung zusammen, um für das Überleben von Walen und Robben inmitten der zunehmenden Schifffahrt und des wachsenden Hafenbaus zu kämpfen.

Als Erin Moreland nur davon träumte, Zoologe zu werden, stellte sie sich vor, wie lange sie auf den Felsen sitzen und Skizzen von Robben und anderen Meerestieren anfertigen würde. Dies sollte ihr helfen, ihr Leben besser zu verstehen und ihre Umwelt zu schützen.

Stattdessen saß sie die ganze Zeit vor einem Computerbildschirm und musste Tausende von Luftbildern von Meereis betrachten, um Lebenszeichen in den Gewässern Alaskas zu finden. Sie und ihr Team verbrachten viel Zeit damit, die empfangenen Daten zu klassifizieren. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung waren diese Informationen bereits veraltet.

„Es muss eine effizientere Art geben, mit Informationen zu arbeiten“, erinnert sie sich an ihre Gedanken in diesem Moment. - Wissenschaftler sollten von dieser Routine befreit werden, damit sie sich auf die Untersuchung von Tieren und die Herausforderungen konzentrieren können, denen sich ihre Populationen möglicherweise gegenübersehen. Die Notwendigkeit, viel Zeit für solche arbeitsintensiven Aufgaben aufzuwenden, macht es schwierig, die Hauptsache zu erledigen. “


Erin Moreland. NOAA-Fotos

Ein effektiverer Weg wurde gefunden. Die Idee wurde auf völlig unerwartete Weise geboren - sie erschien aufgrund des Blicks aus dem Fenster des Büros in Moreland in Seattle und seiner Verantwortung in einer Jury. In diesem Frühjahr wird sie zusammen mit anderen Wissenschaftlern der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) künstliche Intelligenz einsetzen, um die gefährdeten Arten von Belugawalen, Walrossen, Eisbären und anderen Tieren zu überwachen. Jetzt sparen Sie jahrelange Arbeit an der Analyse von Informationen und konzentrieren sich darauf, sicherzustellen, dass diese Informationen zum Schutz der Tiere in die richtigen Hände gelangen.

Forschungsteams trainieren KI-Werkzeuge, um Robben von Steinen und Walpfeifen von Maschinengeräuschen zu unterscheiden. Dies bietet die Möglichkeit, das Verhalten von Meeressäugern zu verstehen, was bedeutet, dass sich ihre Überlebenschancen im schmelzenden Eis und die zunehmende Aktivität der Menschen erhöhen.

Morelands Projekt kombiniert KI-Technologie, fortschrittliche Kameras auf NOAA-Turboprops, die im April und Mai um die Beaufortsee im Norden Alaskas fliegen, Scannen und Klassifizieren von Fotos, um Personen in Robben- und Eisbärenpopulationen zu zählen. Jetzt können die Daten innerhalb weniger Stunden anstatt wie bisher nach Monaten angepasst werden. Ihr Kollege Manuel Castellot, ein Mitarbeiter der NOAA, wird in der Lage sein, ähnliche Algorithmen auf Aufzeichnungen von Geräten anzuwenden, die über den Boden der Cook Bay verstreut sind. Dies wird dazu beitragen, schnell zu verstehen, wie die rückläufige Population von Belugawalen den Winter verbracht hat.

Die Daten werden von Wissenschaftlern validiert, statistisch analysiert und an Spezialisten wie John Courland, stellvertretender Regionaladministrator des Ressourcenschutzes der NOAA Alaska, gesendet.


Der Wissenschaftler Manuel Castellot (rechts) fährt jeden Frühling und Herbst in die Cook Bay in Alaska, um Mikrofone vom Meeresboden zu sammeln. Mit ihrem Team waren sie die ersten, die das Gerät testeten und es entsprechend anpassten, damit das Mikrofon an die Oberfläche schwebte. Dann nehmen sie ihn an Bord, laden Daten von ihm herunter und schicken ihn zurück zum Meeresboden, wo das Mikrofon die nächsten sechs Monate lauschen wird. (Foto von Daniela Huson mit Ocean Conservation Research).

Das Büro von Courland in Juneau überwacht die Programme zur Erhaltung und Wiederherstellung von Meeressäugetieren im gesamten Bundesstaat und in den umliegenden Gewässern. Es hilft auch dabei, Bundesbehörden zu unterweisen, die verschiedene Genehmigungen ausstellen oder Maßnahmen ergreifen, die den Lebensunterhalt gefährdeter Säugetiere beeinträchtigen könnten.

Von den vier im Beringmeer existierenden Robbenarten - Lahtak, Ringelrobbe, Seehund (Larga) und Streifenrobbe (Feuerfisch) - gehören die ersten beiden zu Arten, deren Anzahl abnimmt, dh in naher Zukunft in die Kategorie der vom Aussterben bedrohten Tiere fallen kann. Der Walwal, der in der Cookstraße lebt, ist bereits vom Aussterben bedroht. Die Bevölkerung beträgt nur 279 Personen, vor 30 Jahren waren es etwa tausend.

Der Walwal lebt in getrennten Gruppen, die voneinander isoliert sind; Diese Gruppen kreuzen sich nicht und verlassen ihre Lebensräume nicht. Daher ist, wie Castellot warnt, die Chance, dass eine andere Bevölkerung später das Aussterben ersetzen wird, nichtig. „Andere Belugas werden dort nicht überleben, weil sie mit der Gegend nicht vertraut sind. Wir können diese Artenvielfalt für immer verlieren “, sagt er.

Das Kurland-Büro hat Empfehlungen erarbeitet, um die negativen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Bevölkerung zu verringern, z. B. den Aufbau von Territorien oder Transportaktivitäten. Sie bestehen in der Weigerung, solche Arbeiten an bestimmten Orten während der Zeiträume der Kreuzung dieser Säugetiere und der Pflege von Nachkommen durchzuführen, aber diesen Anforderungen fehlen häufig zeitnahe Daten.

"Manchmal haben wir nicht einmal grundlegende Informationen. Wenn wir solche Daten erhalten, erhalten wir ein viel klareres Bild der möglichen Arten von Reaktionen zum Schutz dieser Bevölkerungsgruppen", sagte Kurland. "In beiden Fällen, sowohl bei Walen als auch bei Robben, wird diese Art von Informationen durch die fortschrittlichste Wissenschaft repräsentiert, die in der Lage ist, die Wissenslücken zu schließen."


Erin Moreland führte 2007 ihre erste Erkundung durch und flog mit einem Hubschrauber von einem Eisbrecher herum. Wissenschaftler sammelten 90.000 Fotos und verbrachten Monate damit, sie zu entziffern, um Bilder von 200 Siegeln zu erhalten. Es war eine äußerst mühsame und mühsame Aufgabe, ungenaue Daten zu liefern. (Foto mit freundlicher Genehmigung von NOAA).

Das KI-Projekt begann vor vielen Jahren, als Moreland im NOAA Seattle Marine Mammal Laboratory und auf der anderen Seite des Lake Washington vor einem Computerbildschirm saß und über die Microsoft-Zentrale in Redmond, Washington, nachdachte. Sie hatte das Gefühl, dass es eine technologische Lösung für ihr Problem geben musste, aber sie wusste nicht, an wen sie sich wenden sollte, um Hilfe zu erhalten.

Viel Glück hatte sie, als sie 2018 als Jurymitglied versehentlich zwei Jury-Richter über KI sprechen hörte. Sie erzählte ihnen von ihrer Arbeit und kam so von Microsoft AI for Earth zu Dan Morris. Er schlug vor, diese Aufgabe auf den Sommer-Hackathon zu übertragen, wenn Softwareentwickler und Ingenieure eine Woche lang mit Teams konkurrieren, die an bestimmten Projekten arbeiten. Vierzehn Microsoft-Ingenieure haben sich angemeldet, um an diesem Problem zu arbeiten.

"Auf dem Gebiet des Naturschutzes beschäftigen sich Tausende von Wissenschaftlern mit Routine, schauen sich Bilder an und hören sich Aufnahmen an", sagte Morris. - Mit Remote-Geräten können Sie eine Vielzahl von Daten erfassen, aber Wissenschaftler müssen sich noch überlegen, wie sie verwendet werden sollen. Die Jahre, in denen die Bilder mit Anmerkungen versehen wurden, sind nicht nur Zeitverschwendung, sondern auch eine Frage des Verlusts der Relevanz dieser Daten. “

Morelands Idee erwies sich als komplizierter als es zunächst erschien. Obwohl es viele Modelle gibt, um Personen auf den Bildern zu erkennen, konnte keines von ihnen Siegel finden, insbesondere bei Luftaufnahmen in Echtzeit. Dennoch haben Hunderttausende von Proben, die zuvor von NOAA-Experten klassifiziert wurden, das Modell trainiert, um zu erkennen, welche Fotos und Audioaufnahmen sich auf Säugetiere beziehen.

"Ein Teil des Problems bestand darin, dass bereits 20 Terabyte Eisfotodaten gesammelt wurden und es nicht möglich war, mit einem solchen Array auf einem Laptop zu arbeiten", sagt Morris. "Wir haben die Festplatten täglich nach Seattle und Redmond transferiert." Aber die Cloud ermöglichte es uns, mit all diesem Array gleichzeitig zu arbeiten und KI-Modelle zu trainieren. Mithilfe der Azure-Technologie haben wir das Datenproblem bewältigt. “


Können Sie auf diesem Luftbild von Robben (links) unterscheiden? Schauen Sie sich das Wärmebild (rechts) an und kehren Sie dann zum ersten Foto zurück - sehen Sie sie jetzt? AI hilft NOAA-Wissenschaftlern beim Sortieren der Bilder (Foto von NOAA, basierend auf Beobachtungen in der Kotzebue Bay an der Küste Alaskas während des Eisschmelzens, wodurch Robben gezwungen werden, sich mehr als gewöhnlich zu gruppieren).

Die erste Hubschrauberaufklärung für Robben wurde 2007 per Hubschrauber durchgeführt. Wissenschaftler haben etwa 90.000 Bilder gesammelt und sie monatelang gescannt, um nur 200 Siegel zu entdecken. Der Prozess war sehr mühsam und die Ergebnisse waren ungenau.

Siegel leben getrennt, was es schwierig macht, sie auf den Bildern zu erkennen. Die Aufklärung ist auch keine leichte Aufgabe, da das Flugzeug hoch genug fliegen muss, damit die Tiere keine Angst bekommen und ins Wasser tauchen, aber niedrig genug, um hochauflösende Aufnahmen zu machen, mit denen Wissenschaftler beispielsweise Ringelrobben von gewöhnlichen Robben unterscheiden können. Alaskas regnerisches und bewölktes Wetter macht die Datenerfassung noch schwieriger.

Nachfolgende Beobachtungen wurden durch den gleichzeitigen Einsatz von Wärme- und Farbkameras in modifizierten Flugzeugen in höheren Lagen signifikant verbessert. Aber selbst in dieser Situation machte es der Einfluss von schmutzigem Eis und Reflexionen schwierig, einzelne Tiere auf dem Bild zu unterscheiden.

Ein weiteres Problem war die Personalabteilung. Als Ergebnis der Überwachung im Jahr 2016 wurden eine Million Paare von Wärme- und Farbbildern erhalten, die die vorherige Software auf 316.000 aktive Stellen reduzierte. Wissenschaftler mussten sie manuell sortieren und klassifizieren. Für drei Mitarbeiter dauerte es sechs Monate.


Die gestreifte Robbe oder der Feuerfisch kommt selten an Land. Wenn das sommerliche Schmelzen des Eises beginnt, schweben sie in den Arktischen Ozean, bis sich im Herbst wieder ein Eisfeld bildet (Foto von NOAA).


Lahtaks verdienen ihren Lebensunterhalt auf dem Meeresboden, und Eisenablagerungen beflecken ihre Gesichter (Foto von NOAA).


Die Ringelrobbe baut Eishöhlen, um ihre Jungen vor Eisbären zu verstecken. Der Zugang zu solchen Unterständen ist nur vom Wasser aus möglich (Foto von NOAA).


Larga oder das bunte Seehund ähnelt einem Inselrobben, aber im Gegensatz zu letzterem bringen sie Nachkommen hervor und verbringen Zeit damit, auf schwimmenden Eisschollen und nicht auf dem Boden zu häuten (Foto von NOAA).

Als Moreland ihren Kollegen Informationen über die Fähigkeiten des Projekts zur Verwendung von KI zur Lösung seiner Probleme mitteilte, stellte sich heraus, dass Castellot mit ähnlichen Problemen konfrontiert war.


, . , : , , . , : , -. ( Daniela Huson with Ocean Conservation Research).

Jeden Frühling und Herbst fliegt Castellot von Seattle nach Anchorage, nimmt ein Boot zum Meer, holt an 15 Punkten am Grund der Cook Bay montierte Mikrofone heraus, entlädt Daten von ihnen und wirft diese Ausrüstung zurück ins Meer. Für den Rest des Jahres verbringen sie und das Team damit, jedes Geräusch zu klassifizieren, um festzustellen, welche Pfeifen und Schreie zu Belugas gehören, welche Buckelwale und welche Killerwale, ob das Brüllen von einem fliegenden Flugzeug oder von einem Segelschiff kam und ob sie vom Eis brechen oder knistern von Bauarbeiten.

Natürlich bleibt fast keine Zeit mehr für die Analyse und Dekodierung der Walkommunikation.
Wale werden von Geräuschen geleitet und nutzen die Echolokalisierung, um sich zu bewegen, insbesondere in Cook Bay, wo es fast das ganze Jahr über dunkel ist und schmelzende Gletscher das Wasser noch wolkiger machen. Das Geräusch, das unter Wasser mehrmals verstärkt wird, kann Tiere desorientieren und dazu führen, dass nicht festgestellt werden kann, wo sich der Boden befindet, der Herde folgt, Beute fängt oder ein Raubtier, beispielsweise einen Killerwal, hört. Wenn das Junge die Klicks und Pfeifen der Mutter nicht hört, kann es zurückbleiben und sterben.

„Geräusche, die aus menschlichen Aktivitäten resultieren, maskieren die Schlüsselsignale, mit denen Wale nach Nahrung oder untereinander suchen. Es wirkt sich auch negativ auf die Fortpflanzung aus. Wenn sie keine Nachkommen essen, paaren und produzieren können, ist es unmöglich, die Population zu erhöhen “, sagt Castellot.

Das Problem ist, dass Anchorage ein wichtiger Knotenpunkt für Frachtschiffe sowie für militärische und kommerzielle Flüge ist. Hafenerweiterung bedeutet auch, für neue Docks in den Boden der Pfähle zu fahren. In Cook Bay gibt es jetzt siebzehn Ringölpipelines. Darüber hinaus müssen Gletscherausgänge gereinigt werden, damit die Versandkanäle betriebsbereit sind. Das Geräusch übertönt Pfeifen und Schreie von Walen.


Belugas werden manchmal Seekanarien genannt, weil sie einen großen Stimmumfang haben. (Foto von David Merron Photography / Getty Images).

In Zusammenarbeit mit Microsoft gelang es Castellot, einen zuverlässigen Satz von Algorithmen zu entwickeln, die eine 99% ige Übereinstimmung mit der manuellen Klassifizierung in Datensatzprotokollen zeigten. Die Gruppe entwickelt eine neue Technologie, die diesen Prozess noch effizienter machen soll.
Da der Klimawandel laut Castellot die Ausweitung menschlicher Aktivitäten weiter nach Norden ermöglicht, werden solche Arbeiten erforderlich sein, um Schutzmaßnahmen für andere Walpopulationen zu ergreifen, die in den kommenden Jahrzehnten ebenfalls Lärmbelästigung ausgesetzt sein dürften.

„Cooks Belugas bilden eine sehr kleine Bevölkerung, die sich in der Nähe des Wohnortes der Menschen in Alaska konzentriert. Daher können Aktivitäten im Zusammenhang mit Entwicklung und Entwicklung eine große Bedrohung für sie darstellen, sagt Kurland. „Robben leben in größeren Freiflächen, in denen die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten geringer sind. Daher stellt der Klimawandel die größte Gefahr für sie dar, die natürlich schwieriger zu reduzieren ist.“ 

„Die untersuchten Robbenarten ernähren und pflegen ihre Nachkommen auf Eisschollen, wo sie jeden Frühling dort häuten, sodass diese Tiere in hohem Maße vom Zustand des Eises abhängig sind. Feuerfische oder gestreifte Robben gehen selten an Land, und wenn das Eis im Sommer schmilzt, schwimmen sie ins Meer, bis sich im Herbst wieder Eis bildet. Die globale Erwärmung wirkt sich daher am negativsten auf die arktischen und subarktischen Regionen aus “, sagt Morris.

Ihrer Meinung nach wird eine Analyse der Daten über die Robbenpopulation und ihre Verbreitung es ermöglichen, den ersten Schritt zu tun, um zu verstehen, wie sie versuchen, mit Umweltveränderungen umzugehen und was sie zum Überleben benötigen.


Der Walwal lebt nur im Arktischen Ozean und in den nahe gelegenen Meeren, beispielsweise im Beringmeer (Foto von David Merron Photography / Getty Images).

„Wir leben in einer Zeit des Wandels und brauchen all unsere Kraft, um unsere natürlichen Ressourcen zu schützen“, sagt Tom Gray, ein Vertreter eines lokalen Stammes, der Belugawale im östlichen Beringmeer durch Netze fängt. Mit seinem Wissen und seiner Erfahrung unterstützte er das Castellot-Team beim Fangen von Walen in Cook's Bay und beim Installieren von Saugnapfsensoren.

Als Gray klein war und in Nome (Alaska) lebte, sagte er: „In der Nordwestpassage fuhren keine Schiffe an uns vorbei. "In einem Jahr fahren Hunderte von Schiffen vorbei, und höchstwahrscheinlich werden es in naher Zukunft Tausende sein."

„In Alaska haben wir Belugawale, Elche, kanadische Hirsche und all diese einzigartigen Tiere, über die wir oft sprechen. Aber ich bin nicht sicher, ob unsere Leute alles Notwendige haben, um die Gesundheit der Populationen dieser Tiere zu erhalten. Jetzt verlieren wir den Kampf und es ist wahrscheinlich, dass diese Arten für immer verschwinden werden. Wir brauchen Wissenschaftler und Innovatoren, um diese Tiere zu schützen und zu verhindern, dass sie vom Erdboden verschwinden. “