AI akan melindungi anjing laut dan paus beluga

Di perairan dingin Alaska, kecerdasan buatan (AI) membantu peneliti menyelamatkan hewan yang terancam punah. Para ilmuwan bekerja sama dengan para pencinta lingkungan dan penduduk setempat untuk memperjuangkan kelangsungan hidup paus dan anjing laut di tengah meningkatnya pengiriman dan perluasan pembangunan pelabuhan.

Ketika Erin Moreland hanya bermimpi menjadi ahli zoologi, dia membayangkan berapa lama dia akan duduk di atas batu, membuat sketsa anjing laut dan hewan laut lainnya. Ini seharusnya membantunya lebih memahami kehidupan mereka dan melindungi lingkungan mereka.

Sebagai gantinya, dia duduk di depan layar komputer sepanjang waktu, dipaksa untuk melihat ribuan foto udara es laut dalam upaya menemukan tanda-tanda kehidupan di perairan Alaska. Sejumlah besar waktu dihabiskan bersama dia dan timnya untuk mengklasifikasikan data yang diterima, sehingga pada saat publikasi informasi ini sudah usang.

“Pasti ada cara yang lebih efisien untuk bekerja dengan informasi,” dia mengingat pikirannya saat itu. - Para ilmuwan harus dibebaskan dari rutinitas ini sehingga mereka dapat fokus mempelajari hewan dan tantangan yang mungkin dihadapi populasi mereka. Kebutuhan untuk menghabiskan banyak waktu untuk tugas-tugas padat karya seperti itu membuat sulit untuk melakukan hal utama. ”


Erin Moreland. Foto NOAA

Cara yang lebih efektif ditemukan. Gagasan itu lahir dengan cara yang sama sekali tidak terduga - itu muncul karena pemandangan dari jendela kantor Seattle Moreland dan tanggung jawabnya dalam juri. Musim semi ini, ia, bersama dengan para ilmuwan lain dari Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional (NOAA), akan menggunakan kecerdasan buatan untuk memantau spesies langka paus beluga, walrus, beruang kutub, dan hewan lainnya. Sekarang akan menghemat bertahun-tahun bekerja pada analisis informasi dan fokus untuk memastikan bahwa informasi ini jatuh ke tangan kanan untuk melindungi hewan.

Tim peneliti melatih alat AI untuk membedakan anjing laut dari batu dan peluit paus dari kebisingan mesin. Ini akan memberikan kesempatan untuk memahami perilaku mamalia laut, yang berarti akan meningkatkan peluang mereka untuk bertahan hidup di antara es yang mencair dan meningkatnya aktivitas manusia.

Proyek Moreland menggabungkan teknologi AI, kamera canggih pada turboprop NOAA terbang di sekitar Laut Beaufort di Alaska utara pada bulan April dan Mei, memindai dan mengklasifikasikan foto untuk menghitung individu dalam populasi anjing laut dan beruang kutub. Sekarang data dapat disesuaikan dalam beberapa jam, bukan bulan seperti sebelumnya. Rekannya, Manuel Castellot, seorang associate di NOAA, akan dapat menerapkan algoritma serupa untuk catatan dari peralatan yang tersebar di bagian bawah Cook Bay. Ini akan membantu untuk dengan cepat memahami bagaimana populasi paus beluga yang menurun menghabiskan musim dingin.

Data akan divalidasi oleh para ilmuwan, dianalisis secara statistik, dan dikirim ke spesialis seperti John Courland, Asisten Administrator Regional NOAA Alaska's Resource Protection.


Ilmuwan Manuel Castellot (kanan) pergi ke Cook Bay di Alaska setiap musim semi dan musim gugur untuk mengumpulkan mikrofon dari dasar laut. Dengan tim mereka, mereka adalah orang pertama yang menguji peralatan, menyesuaikannya sehingga mikrofon akan mengambang ke permukaan. Kemudian mereka membawanya, mengunduh data darinya dan mengirimnya kembali ke dasar laut, tempat mikrofon akan mendengarkan selama enam bulan ke depan. (Foto oleh Daniela Huson dengan Ocean Conservation Research).

Kantor Juneau Courland mengawasi program konservasi dan restorasi mamalia laut di seluruh negara bagian dan di perairan sekitarnya. Ini juga membantu menginstruksikan agen-agen federal yang mengeluarkan berbagai izin atau mengambil tindakan apa pun yang dapat memengaruhi mata pencaharian mamalia yang terancam punah.

Dari empat spesies anjing laut yang ada di Laut Bering - lahtak, anjing laut bercincin, anjing laut tutul (larga) dan anjing laut belang-belang (lionfish) - dua yang pertama adalah spesies yang jumlahnya semakin menurun, yaitu, dalam waktu dekat mereka dapat jatuh ke dalam kategori hewan di bawah ancaman kepunahan. Paus paus yang hidup di Selat Cook sudah merupakan spesies yang terancam punah; jumlah populasinya hanya 279 orang, sementara 30 tahun lalu ada sekitar seribu orang.

Paus paus hidup dalam kelompok terpisah yang terisolasi satu sama lain; kelompok-kelompok ini tidak kawin silang dan tidak meninggalkan habitat mereka. Karena itu, seperti yang diperingatkan Castellot, kemungkinan populasi lain nantinya akan menggantikan kepunahan tidak berlaku. “Beluga lain tidak akan bertahan di sana, karena mereka tidak akrab dengan daerah tersebut. Kita bisa kehilangan keanekaragaman hayati ini selamanya, ”katanya.

Kantor Kurland telah mengembangkan rekomendasi untuk mengurangi dampak negatif dari aktivitas manusia pada populasi, misalnya, membangun wilayah atau aktivitas transportasi. Mereka terdiri dari penolakan untuk melakukan pekerjaan seperti itu di tempat-tempat tertentu selama periode melintasi mamalia dan menyusui anak-anak, tetapi persyaratan ini sering kekurangan data tepat waktu.

"Kami kadang-kadang bahkan tidak memiliki informasi dasar, sehingga memperoleh data seperti itu akan memberi kami gambaran yang jauh lebih jelas tentang kemungkinan jenis respons untuk melindungi populasi ini," kata Kurland. "Dalam kedua kasus, dengan paus dan anjing laut, informasi semacam ini diwakili oleh sains paling maju, yang mampu mengisi celah dalam pengetahuan kita."


Erin Moreland melakukan eksplorasi pertamanya pada 2007, terbang dengan helikopter dari pemecah es. Para ilmuwan mengumpulkan 90.000 foto dan menghabiskan berbulan-bulan menguraikannya hanya untuk mendapatkan gambar 200 meterai. Itu adalah tugas yang sangat membosankan dan melelahkan, memberikan data yang tidak akurat. (Foto milik NOAA).

Proyek AI dimulai bertahun-tahun yang lalu ketika Moreland duduk di depan layar komputer di Laboratorium Mamalia Laut NOAA Seattle dan di seberang Danau Washington, merenungkan markas besar Microsoft di Redmond, Washington. Dia merasa harus ada solusi teknologi untuk masalahnya, tetapi dia tidak tahu harus meminta bantuan siapa.

Keberuntungan datang ketika sebagai anggota juri pada tahun 2018, dia tidak sengaja mendengar dua hakim juri berbicara tentang AI. Dia memberi tahu mereka tentang pekerjaannya dan dengan demikian keluar ke Dan Morris dari Microsoft AI for Earth. Dia menyarankan untuk menempatkan tugas ini di hackathon musim panas, ketika selama seminggu pengembang dan insinyur perangkat lunak bersaing dengan tim yang mengerjakan proyek tertentu. Empat belas insinyur Microsoft telah mendaftar untuk mengatasi masalah ini.

"Di bidang konservasi satwa liar, ribuan ilmuwan terlibat dalam rutinitas, melihat gambar dan mendengarkan catatan," kata Morris. - Perangkat jarak jauh memungkinkan Anda untuk mengumpulkan berbagai data, tetapi para ilmuwan masih harus memikirkan bagaimana menggunakannya. Tahun-tahun yang dihabiskan untuk membuat anotasi gambar tidak hanya membuang-buang waktu, tetapi juga masalah kehilangan relevansi data ini. "

Gagasan Moreland ternyata lebih rumit daripada yang pertama kali muncul. Meskipun ada banyak model untuk mengenali orang dalam gambar, tidak ada satu pun dari mereka yang dapat menemukan anjing laut, terutama ketika fotografi udara real-time. Namun demikian, ratusan ribu sampel yang telah diklasifikasikan oleh para ahli NOAA sebelumnya membantu melatih model untuk mengenali foto dan rekaman audio yang berhubungan dengan mamalia.

"Sebagian masalahnya adalah sudah ada 20 terabyte data foto es yang terakumulasi dan tidak mungkin bekerja dengan susunan seperti itu di laptop," kata Morris. "Kami mentransfer hard drive setiap hari ke Seattle dan Redmond." Tetapi cloud memungkinkan kami untuk bekerja dengan semua array ini sekaligus dan melatih model AI. Jadi dengan bantuan teknologi Azure, kami mengatasi masalah data. "


Bisakah Anda membedakan foto udara segel ini (kiri)? Lihatlah gambar termal (di sebelah kanan) dan kemudian kembali ke foto pertama - apakah Anda melihatnya sekarang? AI membantu para ilmuwan NOAA memilah gambar (foto yang disediakan oleh NOAA, berdasarkan pengamatan di Kotzebue Bay di pantai Alaska selama pencairan es, yang memaksa anjing laut untuk berkelompok bersama lebih dari biasanya).

Pengintaian helikopter pertama untuk anjing laut dilakukan oleh helikopter pada tahun 2007. Para ilmuwan telah mengumpulkan sekitar 90.000 gambar dan menghabiskan waktu berbulan-bulan memindai mereka untuk menemukan hanya 200 meterai. Prosesnya sangat melelahkan, dan hasilnya tidak akurat.

Segel hidup terpisah, yang membuat mereka sulit dikenali dalam gambar. Melakukan pengintaian juga bukan tugas yang mudah, karena pesawat harus terbang cukup tinggi sehingga hewan tidak takut dan menyelam ke dalam air, tetapi di sisi lain, cukup rendah untuk mendapatkan tembakan resolusi tinggi yang memungkinkan para ilmuwan, misalnya, untuk membedakan anjing laut bercincin dari anjing laut biasa. Cuaca Alaska yang hujan dan berawan membuat pengumpulan data semakin sulit.

Pengamatan selanjutnya secara signifikan ditingkatkan dengan penggunaan simultan kamera termal dan warna pada pesawat yang dimodifikasi di ketinggian yang lebih tinggi. Tetapi bahkan dalam situasi ini, pengaruh es kotor dan pantulan darinya membuatnya sulit untuk membedakan masing-masing hewan dalam gambar.

Masalah lain adalah sumber daya manusia. Sebagai hasil pemantauan pada tahun 2016, satu juta pasang gambar termal dan warna diperoleh, yang perangkat lunak sebelumnya berkurang menjadi 316.000 situs aktif. Para ilmuwan harus secara manual mengurutkan dan mengklasifikasikannya. Untuk tiga karyawan yang mengerjakan ini, butuh enam bulan.


Anjing laut bergaris-garis, atau lionfish, jarang datang ke darat. Ketika pencairan es musim panas dimulai, mereka melayang ke Samudra Arktik hingga bidang es terbentuk lagi di musim gugur (foto disediakan oleh NOAA).


Lahtaks mendapatkan mata pencaharian mereka di dasar laut, dan endapan besi menodai wajah mereka (foto disediakan oleh NOAA).


Segel cincin membangun gua-gua es untuk menyembunyikan anak-anaknya dari beruang kutub; akses ke tempat penampungan semacam itu hanya dimungkinkan dari air (foto disediakan oleh NOAA).


Larga, atau segel beraneka ragam, mirip dengan anjing laut pulau, tetapi tidak seperti anjing laut pulau, mereka menghasilkan keturunan dan menghabiskan waktu meranggas pada mengambang es yang mengapung, dan bukan di tanah (foto disediakan oleh NOAA).

Ketika Moreland berbagi dengan rekan-rekannya informasi tentang kemampuan proyek untuk menggunakan AI untuk menyelesaikan masalahnya, ternyata Castellot menghadapi masalah yang sama.


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

Setiap musim semi dan musim gugur, Castellot terbang dari Seattle ke Anchorage, naik perahu ke laut, mengeluarkan mikrofon yang dipasang pada 15 titik di dasar Teluk Cook, membongkar data dari mereka dan melemparkan peralatan ini kembali ke laut. Selama sisa tahun ini, mereka dan tim menghabiskan waktu untuk mengklasifikasikan setiap suara, menentukan peluit dan teriakan mana yang termasuk beluga, paus bungkuk, dan paus pembunuh mana, apakah raungan itu berasal dari pesawat terbang atau dari kapal layar, dan berderak karena memecahkan es atau dari pekerjaan konstruksi.

Secara alami, hampir tidak ada waktu yang tersisa untuk analisis dan decoding komunikasi paus itu sendiri.
Paus dipandu oleh suara, menggunakan ekolokasi untuk bergerak, terutama di Cook Bay, tempat gelap sepanjang tahun dan gletser yang mencair membuat air semakin keruh. Bunyi, yang diperbesar beberapa kali di bawah air, dapat membingungkan hewan dan menyebabkan ketidakmampuan untuk menentukan di mana bagian bawahnya, untuk mengikuti kawanan, menangkap mangsa atau mendengar pemangsa, misalnya, paus pembunuh. Jika anaknya tidak mendengar bunyi klik dan peluit yang dikeluarkan ibu, ia mungkin tertinggal dan mati.

“Suara yang dihasilkan dari aktivitas manusia menutupi sinyal utama yang digunakan paus untuk mencari makanan atau satu sama lain. Ini juga berdampak negatif pada reproduksi, dan jika mereka tidak bisa makan, kawin, dan menghasilkan keturunan, mustahil untuk meningkatkan populasi, "kata Castellot.

Masalahnya adalah bahwa Anchorage adalah pusat penting untuk kapal kargo, serta penerbangan militer dan komersial. Perluasan pelabuhan juga berarti mengemudi ke dasar tumpukan untuk dermaga baru. Sekarang ada tujuh belas pipa minyak ring di Cook Bay; Selain itu, pintu keluar gletser perlu dibersihkan sehingga saluran pengiriman operasional. Suara itu meredam peluit dan jeritan paus.


Beluga kadang-kadang disebut kenari laut karena jangkauan vokal yang besar dari suara yang mereka buat. (Foto oleh David Merron Photography / Getty Images).

Bekerja sama dengan Microsoft, Castellot berhasil mengembangkan satu set algoritma yang andal yang menunjukkan 99% korespondensi dengan klasifikasi manual dalam catatan log. Grup sedang mengembangkan teknologi baru yang seharusnya membuat proses ini lebih efisien.
Karena perubahan iklim memungkinkan kegiatan manusia meluas lebih jauh ke utara, menurut Castellot, pekerjaan seperti itu akan diperlukan untuk menerapkan langkah-langkah perlindungan bagi populasi paus lainnya yang juga cenderung menghadapi polusi suara dalam beberapa dekade mendatang.

“Beluga milik Cook merupakan populasi yang sangat kecil, yang terkonsentrasi di dekat tempat orang tinggal di Alaska. Oleh karena itu, kegiatan yang terkait dengan pengembangan dan pengembangan dapat menimbulkan ancaman besar bagi mereka, kata Kurland. "Anjing laut hidup di ruang terbuka yang lebih luas di mana dampak aktivitas manusia lebih sedikit, sehingga perubahan iklim merupakan bahaya utama bagi mereka, yang, tentu saja, lebih sulit untuk dikurangi." 

“Spesies anjing laut yang diteliti memberi makan dan merawat keturunan mereka di atas es mengapung, tempat mereka menghabiskan pergantian bulu setiap musim semi, sehingga hewan-hewan ini sangat bergantung pada keadaan es. Lionfish, atau anjing laut bergaris, jarang pergi ke pantai, dan ketika es mencair di musim panas, mereka berenang ke lautan hingga es terbentuk lagi di musim gugur. Dengan demikian, pemanasan global memiliki dampak paling negatif pada daerah Kutub Utara dan Kutub Utara, ”kata Morris.

Menurutnya, analisis data pada populasi anjing laut dan distribusinya akan memungkinkan untuk mengambil langkah pertama dalam memahami bagaimana mereka berusaha mengatasi perubahan lingkungan dan apa yang mereka butuhkan untuk bertahan hidup.


Paus paus hanya hidup di Samudra Arktik dan laut di dekatnya, misalnya, di Laut Bering (foto oleh David Merron Photography / Getty Images).

“Kita hidup di masa perubahan, dan kita membutuhkan semua kekuatan kita untuk melindungi sumber daya alam kita,” kata Tom Gray, seorang perwakilan suku lokal yang menangkap ikan paus beluga di Laut Bering timur melalui jaring. Dengan pengetahuan dan pengalamannya, ia memberikan bantuan besar kepada tim Castellot dalam menangkap paus di Cook's Bay dan memasang sensor cangkir hisap pada mereka.

Ketika Gray kecil dan tinggal di Nome (Alaska), ia berkata, “tidak ada kapal yang berlayar melewati kami di Passage Northwest. "Ratusan kapal lewat dalam setahun, dan kemungkinan besar akan ada ribuan dalam waktu dekat."

“Di Alaska, kita memiliki paus beluga, rusa besar, rusa Kanada, semua hewan unik yang sering kita bicarakan. Tetapi saya tidak yakin bahwa orang-orang kami memiliki segala yang diperlukan untuk menjaga kesehatan populasi hewan-hewan ini. Sekarang kita kalah dalam pertempuran, dan kemungkinan spesies ini akan hilang selamanya. Kami membutuhkan ilmuwan dan inovator untuk melindungi hewan-hewan ini dan mencegah mereka menghilang dari muka bumi. "