AI protegerá focas y ballenas beluga

En las aguas frías de Alaska, la inteligencia artificial (IA) ayuda a los investigadores a rescatar animales en peligro de extinción. Los científicos se están asociando con los ambientalistas y la población local para luchar por la supervivencia de las ballenas y las focas en medio del aumento de los envíos y la expansión de la construcción del puerto.

Cuando Erin Moreland soñó con convertirse en zoóloga, se imaginó cuánto tiempo se sentaría en las rocas, haciendo bocetos de focas y otros animales marinos. Se suponía que esto la ayudaría a comprender mejor su vida y proteger su medio ambiente.

En cambio, se sentó frente a la pantalla de una computadora todo el tiempo, obligada a ver miles de fotografías aéreas de hielo marino en un intento de encontrar signos de vida en las aguas de Alaska. Se invirtió una gran cantidad de tiempo con ella y su equipo para clasificar los datos recibidos, por lo que para el momento de la publicación, esta información ya no estaba actualizada.

"Debe haber una forma más eficiente de trabajar con la información", recuerda sus pensamientos en ese momento. - Los científicos deben ser liberados de esta rutina para que puedan concentrarse en estudiar animales y los desafíos que pueden enfrentar sus poblaciones. La necesidad de dedicar una gran cantidad de tiempo a tareas tan intensivas en mano de obra hace que sea difícil hacer lo principal ".


Erin Moreland. Fotos de NOAA

Se encontró una forma más efectiva. La idea nació de una manera completamente inesperada: apareció debido a la vista desde la ventana de la oficina de Moreland en Seattle y sus responsabilidades en un jurado. Esta primavera, ella, junto con otros científicos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), utilizará inteligencia artificial para monitorear las especies en peligro de extinción de las belugas, morsas, osos polares y otros animales. Ahora ahorrará años de trabajo en el análisis de información y se centrará en garantizar que esta información caiga en las manos adecuadas para proteger a los animales.

Los equipos de investigación entrenan herramientas de IA para distinguir las focas de las rocas y los silbatos de ballenas del ruido de las máquinas. Esto proporcionará una oportunidad para comprender el comportamiento de los mamíferos marinos, lo que significa que aumentará sus posibilidades de supervivencia entre el hielo derretido y la creciente actividad de las personas.

El proyecto de Moreland combina tecnología de inteligencia artificial, cámaras avanzadas en turbopropulsores NOAA que vuelan alrededor del mar de Beaufort en el norte de Alaska en abril y mayo, escaneo y clasificación de fotografías para contar individuos en poblaciones de focas y osos polares. Ahora los datos se pueden ajustar en unas pocas horas, en lugar de meses como antes. Su colega, Manuel Castellot, asociado de NOAA, podrá aplicar algoritmos similares a los registros de equipos dispersos en el fondo de la Bahía de Cook. Esto ayudará a comprender rápidamente cómo la población en declive de ballenas beluga pasó el invierno.

Los datos serán validados por científicos, analizados estadísticamente y enviados a especialistas como John Courland, Administrador Regional Asistente de NOAA Alaska's Resource Protection.


El científico Manuel Castellot (derecha) va a Cook Bay en Alaska cada primavera y otoño para recolectar micrófonos del fondo del mar. Con su equipo, fueron los primeros en probar el equipo, ajustándolo en consecuencia para que el micrófono flotara a la superficie. Luego lo llevan a bordo, descargan datos de él y lo envían de regreso al fondo del océano, donde el micrófono lo escuchará durante los próximos seis meses. (Foto de Daniela Huson con Ocean Conservation Research).

La oficina de Juneau de Courland supervisa los programas de conservación y restauración de mamíferos marinos en todo el estado y en las aguas circundantes. También ayuda a instruir a las agencias federales que emiten varios permisos o toman cualquier acción que pueda afectar los medios de vida de los mamíferos en peligro de extinción.

De las cuatro especies de focas que existen en el Mar de Bering: lahtak, foca anillada, foca manchada (larga) y foca rayada (pez león), las dos primeras pertenecen a especies que están disminuyendo en número, es decir, en un futuro próximo pueden caer en la categoría de animales bajo amenaza de extinción. La ballena que vive en el estrecho de Cook ya es una especie en peligro de extinción; su población total es de solo 279 individuos, mientras que hace 30 años había alrededor de mil de ellos.

La ballena vive en grupos separados que están aislados unos de otros; Estos grupos no se cruzan y no abandonan sus hábitats. Por lo tanto, como advierte Castellot, la posibilidad de que otra población luego reemplace a la extinta es nula. “Otras belugas no sobrevivirán allí, porque no están familiarizadas con el área. Podemos perder esta biodiversidad para siempre ”, dice.

La Oficina de Kurland ha desarrollado recomendaciones para reducir el impacto negativo de la actividad humana en las poblaciones, por ejemplo, la construcción de territorios o la actividad de transporte. Consisten en la negativa a realizar dicho trabajo en ciertos lugares durante los períodos de cruce de estos mamíferos y crías en lactancia, sin embargo, estos requisitos a menudo carecen de datos oportunos.

"A veces ni siquiera tenemos información básica, por lo que obtener esos datos nos dará una imagen mucho más clara de los posibles tipos de respuestas para proteger a estas poblaciones", dijo Kurland. "En ambos casos, tanto con ballenas como con focas, este tipo de información está representada por la ciencia más avanzada, que puede llenar los vacíos en nuestro conocimiento".


Erin Moreland realizó su primera exploración en 2007, volando en helicóptero desde un rompehielos. Los científicos recolectaron 90,000 fotografías y pasaron meses descifrándolas solo para obtener imágenes de 200 focas. Fue una tarea extremadamente tediosa y laboriosa, dar datos inexactos. (Foto cortesía de NOAA).

El proyecto de IA comenzó hace muchos años cuando Moreland se sentó frente a la pantalla de una computadora en el Laboratorio de Mamíferos Marinos de la NOAA en Seattle y al otro lado del lago Washington, contemplando la sede de Microsoft en Redmond, Washington. Ella sentía que debía haber alguna solución tecnológica a su problema, pero no sabía a quién acudir para obtener ayuda.

La buena suerte llegó cuando, como miembro del jurado en 2018, escuchó accidentalmente a dos jueces del jurado hablando sobre IA. Ella les contó sobre su trabajo y, por lo tanto, se dirigió a Dan Morris de Microsoft AI for Earth. Sugirió poner esta tarea en el hackathon de verano, cuando durante una semana los desarrolladores e ingenieros de software compiten con equipos que trabajan en proyectos específicos. Catorce ingenieros de Microsoft se han inscrito para trabajar en este problema.

"En el campo de la conservación de la vida silvestre, miles de científicos están involucrados en una rutina, mirando fotos y escuchando notas", dijo Morris. - Los dispositivos remotos le permiten recopilar una variedad de datos, pero los científicos aún tienen que resolver cómo usarlos. Los años dedicados a anotar las imágenes no solo son una pérdida de tiempo, sino también una cuestión de perder la relevancia de estos datos ”.

La idea de Moreland resultó ser más complicada de lo que parecía. Si bien hay muchos modelos para reconocer a las personas en las imágenes, ninguno de ellos pudo encontrar sellos, especialmente cuando se trata de fotografías aéreas en tiempo real. Sin embargo, cientos de miles de muestras que han sido clasificadas por expertos de NOAA ayudaron previamente a entrenar al modelo para reconocer qué fotos y grabaciones de audio se relacionan con los mamíferos.

"Parte del problema era que ya había 20 terabytes de datos de fotografías de hielo acumulados y no era posible trabajar con ese conjunto en una computadora portátil", dice Morris. "Transferíamos los discos duros diariamente a Seattle y Redmond". Pero la nube nos permitió trabajar con toda esta matriz a la vez y entrenar modelos de IA. Entonces, con la ayuda de la tecnología Azure, enfrentamos el problema de los datos ”.


¿Puedes distinguir en esta fotografía aérea de focas (izquierda)? Mire la imagen térmica (a la derecha) y luego regrese a la primera foto. ¿Las ve ahora? AI ayuda a los científicos de NOAA a clasificar las imágenes (foto proporcionada por NOAA, basada en observaciones en la Bahía de Kotzebue en la costa de Alaska durante la fusión del hielo, lo que obliga a las focas a agruparse más de lo habitual).

El primer reconocimiento de helicópteros para focas se realizó en helicóptero en 2007. Los científicos han recolectado alrededor de 90,000 imágenes y pasaron meses escaneándolas para descubrir solo 200 sellos. El proceso fue muy laborioso y los resultados fueron inexactos.

Las focas viven separadas, lo que las hace difíciles de reconocer en las imágenes. Realizar el reconocimiento tampoco es una tarea fácil, ya que el avión debe volar lo suficientemente alto para que los animales no se asusten y se sumerjan en el agua, pero por otro lado, lo suficientemente bajo como para obtener disparos de alta resolución que permitan a los científicos, por ejemplo, distinguir las focas anilladas de las focas comunes. El clima lluvioso y nublado de Alaska hace que la recopilación de datos sea aún más difícil.

Las observaciones posteriores se mejoraron significativamente por el uso simultáneo de cámaras térmicas y de color en aviones modificados a altitudes más altas. Pero incluso en esta situación, la influencia del hielo sucio y sus reflejos dificultan la distinción de animales individuales en la imagen.

Otro problema fueron los recursos humanos. Como resultado del monitoreo en 2016, se obtuvieron un millón de pares de imágenes térmicas y en color, que el software anterior redujo a 316,000 sitios activos. Los científicos tuvieron que clasificarlos y clasificarlos manualmente. Para tres empleados que trabajan en esto, tomó seis meses.


La foca rayada, o pez león, rara vez llega a tierra. Cuando comienza el derretimiento del hielo en el verano, flotan en el Océano Ártico hasta que se forma un campo de hielo nuevamente en otoño (foto proporcionada por NOAA).


Los lahtaks se ganan la vida en el fondo del mar y los depósitos de hierro manchan sus rostros (foto proporcionada por NOAA).


El sello anillado construye cuevas de hielo para ocultar sus cachorros de los osos polares; el acceso a tales refugios solo es posible desde el agua (foto proporcionada por NOAA).


Larga, o el sello multicolor, es similar al sello de una isla, pero a diferencia de este último, producen descendencia y pasan tiempo mudando en témpanos de hielo flotantes, y no en el suelo (foto proporcionada por NOAA).

Cuando Moreland compartió con sus colegas información sobre las capacidades del proyecto para usar la IA para resolver sus problemas, resultó que Castellot enfrentaba problemas similares.


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

Cada primavera y otoño, Castellot vuela desde Seattle a Anchorage, toma un bote hacia el mar, saca micrófonos montados en 15 puntos en el fondo de Cook Bay, descarga datos de ellos y arroja este equipo de vuelta al mar. Durante el resto del año, ellos y el equipo pasan tratando de clasificar cada sonido, determinando qué silbidos y gritos pertenecen a las belugas, qué ballenas jorobadas y qué orcas, si el rugido provino de un avión volador o de un velero, y crepitaron por romper hielo o de trabajos de construcción.

Naturalmente, casi no queda tiempo para el análisis y la decodificación de la comunicación de las ballenas.
Las ballenas son guiadas por el sonido, utilizando la ecolocalización para moverse, especialmente en Cook Bay, donde está oscuro la mayor parte del año y los glaciares que se derriten hacen que el agua esté aún más turbia. El sonido, que se amplifica varias veces bajo el agua, puede desorientar a los animales y conducir a la incapacidad de determinar dónde está el fondo, seguir a la bandada, atrapar presas o escuchar a un depredador, por ejemplo, una orca. Si el cachorro no escucha los clics y silbidos emitidos por la madre, puede quedarse atrás y morir.

“Los sonidos que resultan de las actividades humanas enmascaran las señales clave que las ballenas usan para buscar comida o entre sí. También afecta negativamente la reproducción, y si no pueden comer, aparearse y producir descendencia, es imposible aumentar la población ", dice Castellot.

El problema es que Anchorage es un centro importante para buques de carga, así como para vuelos militares y comerciales. La expansión del puerto también significa conducir al fondo de las pilas de muelles nuevos. Ahora hay diecisiete oleoductos de anillo en Cook Bay; Además, las salidas de los glaciares requieren limpieza para que los canales de envío estén operativos. El ruido ahoga silbidos y gritos de ballenas.


Las belugas a veces se llaman canarios marinos debido a la gran variedad vocal de los sonidos que emiten. (Foto de David Merron Photography / Getty Images).

En colaboración con Microsoft, Castellot logró desarrollar un conjunto confiable de algoritmos que mostraban un 99% de correspondencia con la clasificación manual en registros de registros. El grupo está desarrollando una nueva tecnología que debería hacer que este proceso sea aún más eficiente.
A medida que el cambio climático permita que las actividades humanas se expandan más al norte, según Castellot, dicho trabajo será necesario para implementar medidas de protección para otras poblaciones de ballenas que también puedan encontrar contaminación acústica en las próximas décadas.

“Cook's Belugas conforman una población muy pequeña, que se concentra cerca de donde vive la gente en Alaska. Por lo tanto, las actividades relacionadas con el desarrollo y el desarrollo pueden representar una gran amenaza para ellos, dice Kurland. "Las focas viven en espacios abiertos más amplios donde el impacto de la actividad humana es menor, por lo que el cambio climático plantea el principal peligro para ellos, que, por supuesto, es más difícil de reducir". 

“Las especies de focas estudiadas se alimentan y cuidan de sus crías en témpanos de hielo, donde pasan su muda cada primavera, por lo que estos animales dependen en gran medida del estado del hielo. El pez león, o las focas rayadas, rara vez llegan a tierra, y cuando el hielo se derrite en verano, nadan hacia el océano hasta que se forma hielo nuevamente en otoño. Por lo tanto, el calentamiento global tiene el impacto más negativo en las regiones árticas y subárticas ", dice Morris.

En su opinión, un análisis de los datos sobre la población de focas y su distribución permitirá dar el primer paso para comprender cómo están tratando de hacer frente a los cambios ambientales y lo que necesitan para sobrevivir.


La ballena solo vive en el Océano Ártico y los mares cercanos, por ejemplo, en el Mar de Bering (foto de David Merron Photography / Getty Images).

"Vivimos en una época de cambios y necesitamos toda nuestra fuerza para proteger nuestros recursos naturales", dice Tom Gray, un representante de una tribu local que captura ballenas beluga en el este del mar de Bering a través de redes. Con su conocimiento y experiencia, brindó asistencia sustancial al equipo de Castellot para atrapar ballenas en la Bahía de Cook e instalar sensores de ventosa en ellas.

Cuando Gray era pequeño y vivía en Nome (Alaska), dijo, "no había barcos que pasaran junto a nosotros en el Pasaje del Noroeste". “Cientos de barcos pasan en un año, y lo más probable es que en el futuro cercano haya miles.

“En Alaska, tenemos ballenas beluga, alces, venados canadienses, todos estos animales únicos de los que a menudo hablamos. Pero no estoy seguro de que nuestra gente tenga todo lo necesario para mantener la salud de las poblaciones de estos animales. Ahora estamos perdiendo la batalla, y es probable que estas especies desaparezcan para siempre. Necesitamos científicos e innovadores para proteger a estos animales y evitar que desaparezcan de la faz de la tierra ".