AI protegerá focas e baleias beluga

Nas águas frias do Alasca, a inteligência artificial (IA) ajuda os pesquisadores a resgatar animais em extinção. Os cientistas estão se unindo a ambientalistas e à população local para lutar pela sobrevivência de baleias e focas em meio ao aumento do transporte marítimo e à expansão da construção do porto.

Quando Erin Moreland sonhava em se tornar uma zoóloga, ela imaginou quanto tempo ficaria sentada nas rochas, fazendo esboços de focas e outros animais marinhos. Isso deveria ajudá-la a entender melhor sua vida e proteger seu ambiente.

Em vez disso, ela ficava sentada na frente de uma tela de computador o tempo todo, forçada a ver milhares de fotografias aéreas de gelo marinho, na tentativa de encontrar sinais de vida nas águas do Alasca. Uma quantidade enorme de tempo foi gasta com ela e sua equipe para classificar os dados recebidos; portanto, no momento da publicação, essas informações já estavam desatualizadas.

"Deve haver uma maneira mais eficiente de trabalhar com informações", ela lembra de seus pensamentos naquele momento. - Os cientistas devem se libertar dessa rotina para que possam se concentrar no estudo de animais e nos desafios que suas populações podem enfrentar. A necessidade de gastar uma quantidade enorme de tempo em tarefas que exigem muito trabalho dificulta a tarefa principal. ”


Erin Moreland. Fotos de NOAA

Uma maneira mais eficaz foi encontrada. A idéia nasceu de uma maneira completamente inesperada - apareceu devido à vista da janela do escritório de Moreland em Seattle e suas responsabilidades em um júri. Nesta primavera, ela, juntamente com outros cientistas da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA), usará inteligência artificial para monitorar as espécies ameaçadas de baleias beluga, morsas, ursos polares e outros animais. Agora, ele economizará anos de trabalho na análise de informações e se concentrará em garantir que essas informações caiam nas mãos certas para proteger os animais.

As equipes de pesquisa treinam ferramentas de IA para distinguir focas de rochas e assobios de baleias do ruído da máquina. Isso fornecerá uma oportunidade para entender o comportamento dos mamíferos marinhos, o que significa que aumentará sua chance de sobrevivência entre o derretimento do gelo e a crescente atividade das pessoas.

O projeto de Moreland combina tecnologia de IA, câmeras avançadas nos turboélices NOAA que voam pelo mar de Beaufort no norte do Alasca em abril e maio, digitalizando e classificando fotografias para contar indivíduos em populações de focas e ursos polares. Agora os dados podem ser ajustados dentro de algumas horas, em vez de meses como antes. Seu colega Manuel Castellot, associado da NOAA, poderá aplicar algoritmos semelhantes aos registros de equipamentos espalhados pelo fundo da Baía de Cook. Isso ajudará a entender rapidamente como a população em declínio de baleias beluga passou o inverno.

Os dados serão validados por cientistas, analisados ​​estatisticamente e enviados a especialistas como John Courland, administrador regional assistente da Proteção de Recursos da NOAA Alaska.


O cientista Manuel Castellot (à direita) entra em Cook Bay, no Alasca, toda primavera e outono, para coletar microfones do fundo do mar. Com sua equipe, eles foram os primeiros a testar o equipamento, ajustando-o de acordo para que o microfone flutuasse para a superfície. Depois, eles o levam a bordo, baixam dados dele e o mandam de volta ao fundo do oceano, onde o microfone escuta pelos próximos seis meses. (Foto de Daniela Huson com Ocean Conservation Research).

O escritório de Juneau de Courland supervisiona os programas de conservação e restauração de mamíferos marinhos em todo o estado e nas águas circundantes. Também ajuda a instruir agências federais que emitem várias autorizações ou tomam qualquer ação que possa afetar os meios de subsistência de mamíferos em extinção.

Das quatro espécies de focas que existem no Mar de Bering - lahtak, foca-anelada, foca-malhada (larga) e foca-listrada (peixe-leão) - as duas primeiras pertencem a espécies que estão diminuindo em número, ou seja, em um futuro próximo elas podem se enquadrar na categoria de animais sob ameaça de extinção. A baleia baleia que vive no Estreito de Cook já é uma espécie em extinção; sua população totaliza apenas 279 indivíduos, enquanto há 30 anos havia cerca de mil deles.

A baleia baleia vive em grupos separados que são isolados um do outro; esses grupos não cruzam e não abandonam seus habitats. Portanto, como alerta Castellot, é nula a chance de outra população substituir o extinto. “Outras belugas não sobreviverão lá, porque não estão familiarizadas com a área. Podemos perder essa biodiversidade para sempre ”, diz ele.

O escritório de Kurland desenvolveu recomendações para reduzir o impacto negativo da atividade humana nas populações, por exemplo, a construção de territórios ou a atividade de transporte. Eles consistem na recusa em realizar esse trabalho em certos locais durante os períodos de cruzamento desses mamíferos e filhotes de amamentação, mas esses requisitos geralmente carecem de dados oportunos.

"Às vezes nem temos informações básicas, portanto, obter esses dados nos dará uma imagem muito mais clara dos possíveis tipos de respostas para proteger essas populações", disse Kurland. "Nos dois casos, tanto com baleias quanto com focas, esse tipo de informação é representado pela ciência mais avançada, capaz de preencher as lacunas de nosso conhecimento".


Erin Moreland realizou sua primeira exploração em 2007, voando em um helicóptero a partir de um quebra-gelo. Os cientistas coletaram 90.000 fotografias e passaram meses decifrando-as apenas para tirar fotos de 200 focas. Foi uma tarefa extremamente tediosa e trabalhosa, fornecendo dados imprecisos. (Foto cortesia de NOAA).

O projeto de IA começou muitos anos atrás, quando Moreland estava sentado em frente a uma tela de computador no Laboratório de Mamíferos Marinhos NOAA Seattle e do outro lado do Lago Washington, contemplando a sede da Microsoft em Redmond, Washington. Ela achava que devia haver alguma solução tecnológica para o seu problema, mas não sabia a quem pedir ajuda.

A boa sorte veio quando, como membro do júri em 2018, ela acidentalmente ouviu dois juízes do júri falando sobre IA. Ela contou a eles sobre seu trabalho e, assim, foi para Dan Morris, da Microsoft AI for Earth. Ele sugeriu colocar essa tarefa no hackathon de verão, quando por uma semana os desenvolvedores e engenheiros de software competem com as equipes que trabalham em projetos específicos. Quatorze engenheiros da Microsoft se inscreveram para trabalhar nessa questão.

"No campo da conservação da vida selvagem, milhares de cientistas estão envolvidos em uma rotina, olhando fotos e ouvindo gravações", disse Morris. - Os dispositivos remotos permitem coletar uma variedade de dados, mas os cientistas ainda precisam descobrir como usá-los. Os anos passados ​​anotando as imagens não são apenas uma perda de tempo, mas também uma questão de perder a relevância desses dados. ”

A ideia de Moreland acabou sendo mais complicada do que parecia à primeira vista. Embora existam muitos modelos para o reconhecimento de pessoas nas fotos, nenhum deles conseguiu encontrar selos, especialmente em fotografias aéreas em tempo real. No entanto, centenas de milhares de amostras que foram classificadas por especialistas da NOAA anteriormente ajudaram a treinar o modelo para reconhecer quais fotos e gravações de áudio estão relacionadas aos mamíferos.

“Parte do problema era que já havia 20 terabytes de dados acumulados de fotografias de gelo e não era possível trabalhar com essa matriz em um laptop”, diz Morris. "Transferimos os discos rígidos diariamente para Seattle e Redmond". Mas a nuvem nos permitiu trabalhar com toda essa matriz de uma só vez e treinar modelos de IA. Portanto, com a ajuda da tecnologia Azure, lidamos com o problema dos dados. ”


Você consegue distinguir nesta fotografia aérea de focas (esquerda)? Olhe para a imagem térmica (à direita) e volte para a primeira foto - você as vê agora? A IA ajuda os cientistas da NOAA a desmontar as imagens (foto fornecida pela NOAA, com base em observações na Baía de Kotzebue, na costa do Alasca durante o derretimento do gelo, o que força as focas a se agruparem mais do que o habitual).

O primeiro reconhecimento de helicópteros para focas foi realizado por helicóptero em 2007. Os cientistas coletaram cerca de 90.000 imagens e passaram meses digitalizando-as para descobrir apenas 200 focas. O processo foi muito trabalhoso e os resultados foram imprecisos.

As focas vivem separadas, o que as torna difíceis de reconhecer nas fotos. Realizar reconhecimento também não é uma tarefa fácil, já que o avião deve voar alto o suficiente para que os animais não fiquem assustados e mergulhem na água, mas por outro lado, baixo o suficiente para obter fotos de alta resolução que permitem aos cientistas, por exemplo, distinguir focas com anéis de focas comuns. O tempo chuvoso e nublado do Alasca torna a coleta de dados ainda mais difícil.

As observações subsequentes foram significativamente melhoradas pelo uso simultâneo de câmeras térmicas e coloridas em aeronaves modificadas em altitudes mais altas. Mas, mesmo nessa situação, a influência do gelo sujo e seus reflexos dificultavam a distinção de animais individuais na imagem.

Outro problema foram os recursos humanos. Como resultado do monitoramento em 2016, foram obtidos um milhão de pares de imagens térmicas e coloridas, que o software anterior reduziu para 316.000 sites ativos. Os cientistas tiveram que classificá-los manualmente e classificá-los. Para três funcionários trabalhando nisso, foram necessários seis meses.


O selo listrado, ou peixe-leão, raramente chega a terra. Quando o verão derrete o gelo, eles flutuam no Oceano Ártico até que um campo de gelo se forme novamente no outono (foto fornecida pela NOAA).


Os Lahtaks ganham a vida no fundo do mar, e os depósitos de ferro mancham o rosto (foto fornecida pela NOAA).


A foca anelada constrói cavernas de gelo para esconder seus filhotes dos ursos polares; o acesso a esses abrigos é possível apenas a partir da água (foto fornecida pela NOAA).


A larga, ou o selo heterogêneo, é semelhante a um selo da ilha, mas ao contrário do último, eles produzem filhotes e passam o tempo derretendo em blocos de gelo flutuantes, e não no chão (foto fornecida pela NOAA).

Quando Moreland compartilhou com seus colegas informações sobre as capacidades do projeto de usar a IA para resolver seus problemas, descobriu-se que Castellot enfrentou problemas semelhantes.


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

Toda primavera e outono, Castellot voa de Seattle para Anchorage, pega um barco para o mar, pega microfones montados em 15 pontos no fundo da baía de Cook, descarrega dados deles e joga esse equipamento de volta ao mar. Durante o resto do ano, eles e a equipe tentam classificar cada som, determinando quais assobios e gritos pertencem às belugas, quais baleias jubarte e quais baleias assassinas, se o rugido veio de um avião voador ou de um veleiro e estalando por quebrar gelo ou do trabalho de construção.

Naturalmente, quase não resta tempo para a análise e decodificação da própria comunicação das baleias.
As baleias são guiadas pelo som, usando a ecolocalização para se mover, especialmente em Cook Bay, onde está escuro a maior parte do ano e o derretimento das geleiras torna a água ainda mais nublada. O som, que é amplificado várias vezes sob a água, pode desorientar os animais e levar a uma incapacidade de determinar onde está o fundo, seguir o rebanho, capturar presas ou ouvir um predador, por exemplo, uma baleia assassina. Se o filhote não ouvir os cliques e assobios emitidos pela mãe, ele pode ficar para trás e morrer.

“Os sons resultantes das atividades humanas mascaram os principais sinais que as baleias usam para procurar comida ou uma à outra. Isso também afeta negativamente a reprodução e, se eles não podem comer, acasalar e produzir filhotes, é impossível aumentar a população ", diz Castellot.

O problema é que Anchorage é um centro importante para navios de carga, bem como para voos militares e comerciais. A expansão de portas também significa dirigir para o fundo das pilhas para novas docas. Agora existem dezessete oleodutos em anel em Cook Bay; Além disso, as saídas das geleiras exigem limpeza para que os canais de expedição estejam operacionais. O barulho abafa assobios e gritos de baleias.


Às vezes, as belugas são chamadas de canários do mar devido à grande variedade vocal dos sons que produzem. (Foto de David Merron Photography / Getty Images).

Em colaboração com a Microsoft, Castellot conseguiu desenvolver um conjunto confiável de algoritmos que mostravam 99% de correspondência com a classificação manual em registros de registros. O grupo está desenvolvendo uma nova tecnologia que deve tornar esse processo ainda mais eficiente.
Como a mudança climática permite que as atividades humanas se expandam para o norte, de acordo com Castellot, esse trabalho será necessário para implementar medidas de proteção para outras populações de baleias que provavelmente também encontrarão poluição sonora nas próximas décadas.

“As Belugas de Cook formam uma população muito pequena, concentrada perto de onde as pessoas vivem no Alasca. Portanto, atividades relacionadas ao desenvolvimento e desenvolvimento podem representar uma grande ameaça para eles, diz Kurland. “As focas vivem em espaços abertos mais amplos, onde o impacto da atividade humana é menor; portanto, as mudanças climáticas representam o principal perigo para elas, o que, é claro, é mais difícil de reduzir.” 

“As espécies estudadas de focas alimentam e cuidam de seus filhotes em blocos de gelo, onde passam a fazer a muda toda primavera lá, então esses animais são altamente dependentes do estado do gelo. Os peixes-leão, ou focas listradas, raramente chegam à praia e, quando o gelo derrete no verão, eles nadam no oceano até que o gelo se forme novamente no outono. Assim, o aquecimento global tem o impacto mais negativo nas regiões ártica e subártica ”, diz Morris.

Na sua opinião, uma análise dos dados sobre a população de focas e sua distribuição permitirá dar o primeiro passo para entender como eles estão tentando lidar com as mudanças ambientais e o que precisam para sobreviver.


A baleia-baleia vive apenas no Oceano Ártico e nos mares próximos, por exemplo, no Mar de Bering (foto de David Merron Photography / Getty Images).

“Vivemos um tempo de mudança e precisamos de toda a força para proteger nossos recursos naturais”, diz Tom Gray, representante de uma tribo local que captura baleias brancas no leste do Mar de Bering através de redes. Com seu conhecimento e experiência, ele prestou assistência substancial à equipe de Castellot na captura de baleias na Baía de Cook e na instalação de sensores de ventosas.

Quando Gray era pequeno e morava em Nome (Alasca), ele disse: “não havia navios passando por nós na Passagem Noroeste. "Centenas de navios estão passando em um ano, e provavelmente haverá milhares no futuro próximo."

“No Alasca, temos baleia beluga, alce, veado canadense, todos esses animais únicos dos quais frequentemente falamos. Mas não tenho certeza de que nosso pessoal tenha todo o necessário para manter a saúde das populações desses animais. Agora estamos perdendo a batalha e é provável que essas espécies desapareçam para sempre. Precisamos de cientistas e inovadores para proteger esses animais e impedir que eles desapareçam da face da terra. ”