جمع آوری داده ها برای بهبود مدیریت جمعیت سالمون

سارا Beery به عنوان استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT (EECS) که مشتاق تمرکز است ، به MIT آمد روی چالش های زیست محیطی. او حرفه تحقیقاتی خود را در مورد فرصتی برای استفاده از تخصص خود در دید رایانه ، یادگیری ماشین و علوم داده برای مقابله با مسائل دنیای واقعی در حفاظت و پایداری به کار گرفته است. Beery به تعهد این موسسه به “محاسبات برای سیاره” کشیده شد و روشهای خود را به نظارت بر محیط زیست و تنوع زیستی در مقیاس جهانی رساند.

در شمال غربی اقیانوس آرام ، ماهی قزل آلا تأثیر نامتناسب دارد روی سلامت اکوسیستم های آنها و نیازهای پیچیده تولید مثل آنها توجه Beery را به خود جلب کرده است. هر سال میلیون ها نفر از ماهی قزل آلا سوار می شوند روی مهاجرت به تخم ریزی. سفر آنها در تختخوابهای جریان آب شیرین که تخم مرغ ها در آن قرار دارند آغاز می شود. سرخ شده ماهی قزل آلا (ماهی قزل آلا تازه جوجه دار) راهی اقیانوس می شود ، جایی که آنها چندین سال را برای بلوغ برای بزرگسالی می گذرانند. به عنوان بزرگسالان ، ماهی قزل آلا به جریانهایی که در آنجا متولد شده اند به منظور تخم ریزی ، باز می گردند و از ادامه گونه های خود با رسوب تخم های خود در ماسه سنگهای رودخانه اطمینان می دهند. هر دو ماهی قزل آلا زن و مرد اندکی پس از تأمین زیستگاه رودخانه با نسل بعدی ماهی قزل آلا می میرند.

در طول مهاجرت ، ماهی قزل آلا از طیف گسترده ای از ارگانیسم ها در اکوسیستم هایی که از آن عبور می کنند پشتیبانی می کند. به عنوان مثال ، ماهی قزل آلا مواد مغذی مانند کربن و نیتروژن را از قورهای اقیانوس به ارمغان می آورد و در دسترس بودن آنها به آن اکوسیستم ها را افزایش می دهد. علاوه بر این ، ماهی قزل آلا برای بسیاری از روابط شکارچی مهم مهم است: آنها به عنوان منبع غذایی برای شکارچیان مختلف ، مانند خرس ها ، گرگ ها و پرندگان ، در حالی که به کنترل سایر جمعیت مانند حشرات از طریق شکار کمک می کنند ، خدمت می کنند. پس از مرگ آنها از تخم ریزی ، تجزیه لاشه های ماهی قزل آلا همچنین مواد مغذی با ارزش را به اکوسیستم اطراف آن پر می کند. مهاجرت ماهی قزل آلا نه تنها گونه های خود را حفظ می کند بلکه نقش مهمی در سلامت کلی رودخانه ها و اقیانوس هایی که در آن ساکن هستند ایفا می کند.

در عین حال ، جمعیت ماهی قزل آلا نقش مهمی هم از نظر اقتصادی و هم از نظر فرهنگی در منطقه ایفا می کند. شیلات ماهیگیری تجاری و تفریحی به طور قابل توجهی در اقتصاد محلی نقش دارد. و برای بسیاری از مردمان بومی در شمال غربی اقیانوس آرام ، ماهی قزل آلا دارای ارزش فرهنگی قابل توجه است ، زیرا آنها در رژیم های غذایی ، سنت ها و مراسم آنها مهم بوده اند.

نظارت بر مهاجرت سالمون

افزایش فعالیت انسانی ، از جمله ماهیگیری بیش از حد و انرژی آبی ، همراه با از بین رفتن زیستگاه و تغییرات آب و هوا ، تأثیر قابل توجهی داشته است روی جمعیت ماهی قزل آلا در منطقه. در نتیجه ، نظارت مؤثر و مدیریت ماهیگیری ماهی قزل آلا برای اطمینان از تعادل بین منافع اکولوژیکی ، فرهنگی و انسانی مهم است. شمارش دقیق ماهی قزل آلا در هنگام مهاجرت فصلی خود به رودخانه ناتال خود به تخم ریزی برای پیگیری جمعیت های تهدید شده ، ارزیابی موفقیت استراتژی های بهبود ، راهنمایی مقررات مربوط به فصل ماهیگیری و حمایت از مدیریت هر دو شیلات تجاری و تفریحی ضروری است. داده های دقیق جمعیت به تصمیم گیرندگان کمک می کند تا بهترین راهکارها را برای محافظت از سلامت اکوسیستم در حالی که نیازهای انسان را تأمین می کند ، استفاده کنند. نظارت بر مهاجرت ماهی قزل آلا یک کار سخت و ناکارآمد است.

Beery در حال حاضر در حال رهبری یک پروژه تحقیقاتی است که هدف آن ساده سازی نظارت بر ماهی قزل آلا با استفاده از روشهای دید رایانه ای بر روی رایانه است. این پروژه متناسب با علاقه گسترده تر تحقیقات Beery است ، که متمرکز است روی فضای بین رشته ای بین هوش مصنوعی ، جهان طبیعی و پایداری. ارتباط آن با مدیریت شیلات ، این امر را برای تأمین بودجه آزمایشگاه سیستم های آب و مواد غذایی عبدالطیف جامل Abdul Latif Jameel (J-WAFS) مناسب کرد. کمک هزینه بذر بذر J-WAFS 1402 Beery اولین بودجه تحقیقاتی بود که از زمان پیوستن به دانشکده MIT به وی اعطا شد.

از لحاظ تاریخی ، تلاش های نظارتی متکی بود روی انسانها برای شمارش دستی ماهی قزل آلا از رودخانه های رودخانه با استفاده از بینایی. در چند دهه گذشته ، سیستم های سونار زیر آب برای کمک به شمارش ماهی قزل آلا اجرا شده است. این سیستم های سونار در اصل دوربین های فیلمبرداری در زیر آب هستند ، اما در این تفاوت که از آکوستیک به جای سنسورهای سبک برای گرفتن حضور ماهی استفاده می کنند ، متفاوت هستند. استفاده از این روش افراد را ملزم به تنظیم چادر در کنار رودخانه می کند تا ماهی قزل آلا را حساب کنند روی خروجی یک دوربین سونار که به لپ تاپ وصل شده است. در حالی که این سیستم بهبود روش اصلی نظارت بر ماهی قزل آلا با بینایی است ، اما هنوز هم به طور قابل توجهی متکی است روی تلاش انسان و یک زمان دشوار و وقت گیر است processبشر

خودکار سازی نظارت بر ماهی قزل آلا برای مدیریت بهتر شیلات ماهی قزل آلا ضروری است. Beery می گوید: “ما به این ابزارهای فن آوری احتیاج داریم.” “ما نمی توانیم از تقاضای نظارت و درک و مطالعه این اکوسیستم های واقعاً پیچیده ای که در آن کار می کنیم بدون نوعی اتوماسیون ، پیروی کنیم.”

به منظور خودکارسازی شمارش جمعیت های مهاجر ماهی قزل آلا در شمال غربی اقیانوس آرام ، تیم پروژه از جمله جاستین کی ، دانشجوی دکترا در EECS ، در حال جمع آوری داده ها به صورت فیلم از دوربین های سونار در رودخانه های مختلف است. این تیم زیر مجموعه ای از داده ها را برای آموزش سیستم بینایی رایانه برای شناسایی و شمارش ماهی در هنگام مهاجرت ، حاشیه نویسی می کند. کی توصیف می کند process از چگونگی شمارش مدل هر ماهی مهاجر: “الگوریتم بینایی رایانه برای قرار دادن یک ماهی در قاب ، یک جعبه در اطراف آن طراحی شده است و سپس به مرور زمان آن را ردیابی می کند. اگر ماهی تشخیص داده شود روی یک طرف صفحه نمایش و برگها روی طرف دیگر صفحه ، ما آن را به عنوان حرکت در بالادست شمارش می کنیم. ” در رودخانه هایی که این تیم داده های آموزشی را برای سیستم ایجاد کرده است ، نتایج محکمی به دست آورده است و تنها 3 تا 5 درصد خطای شمارش دارد. این بسیار پایین تر از هدف است که تیم و ذینفعان مشارکت بیش از 10 درصد خطای شمارش را تنظیم نمی کنند.

آزمایش و استقرار: متعادل کردن تلاش انسان و استفاده از اتوماسیون

فناوری محققان برای نظارت بر مهاجرت ماهی قزل آلا مستقر شده است روی رودخانه کلامات تازه بازسازی شده. چهار سد روی این رودخانه اخیراً تخریب شده و آن را به بزرگترین پروژه حذف سد در تاریخ ایالات متحده تبدیل کرده است. این سدها پس از بیش از 20 سال کمپین برای حذف آنها ، که توسط قبایل کلامات هدایت می شد ، با همکاری دانشمندان ، سازمان های محیط زیست و ماهیگیران تجاری کاهش یافت. پس از برداشتن سدها ، 240 مایل از رودخانه اکنون آزادانه جریان می یابد و نزدیک به 800 مایل مربع از زیستگاه در دسترس سالمون است. Beery یادآوری می کند که تقریباً فوری بازسازی جمعیت ماهی قزل آلا در رودخانه کلامات: “من فکر می کنم طی هشت روز از پایین آمدن سد ، آنها شروع به دیدن ماهی قزل آلا در واقع در حال مهاجرت در فراتر از سد کردند.” در همکاری با قزل آلا کالیفرنیا ، این تیم در حال حاضر در حال پردازش داده های جدید برای سازگاری و ایجاد یک مدل سفارشی است که می تواند برای کمک به شمارش ماهی قزل آلا تازه مهاجر مستقر شود.

یک چالش با سیستم حول آموزش مدل برای شمارش دقیق ماهی در محیط های ناآشنا با تغییراتی مانند ویژگی های رودخانه ، وضوح آب و شرایط روشنایی است. این عوامل می تواند روش ظاهر ماهی را به میزان قابل توجهی تغییر دهد روی خروجی یک دوربین سونار و مدل رایانه را گیج می کند. هنگام اعزام در رودخانه های جدید که قبلاً هیچ داده ای جمع آوری نشده است ، مانند Klamath ، عملکرد سیستم تخریب می شود و حاشیه خطا به طور قابل توجهی به 15-20 درصد افزایش می یابد.

محققان برای غلبه بر این چالش و ایجاد یک سیستم مقیاس پذیر ، یک الگوریتم سازگاری خودکار را در داخل سیستم ساختند که می تواند بدون مداخله انسانی به هر سایت مستقر شود. این فناوری خودیاری کننده برای کالیبراسیون خودکار شرایط و محیط جدید برای شمارش دقیق ماهی های مهاجر کار می کند. در آزمایش ، الگوریتم سازگاری اتوماتیک توانست خطای شمارش را به دامنه 10 تا 15 درصد کاهش دهد. بهبود در شمارش خطا با عملکرد خودکشی سازی به این معنی است که این فناوری بدون تلاش بسیار بیشتر در مورد مکان های جدید به مکان های جدید نزدیکتر است.

فعال کردن مدیریت زمان واقعی با “Fishbox”

یکی دیگر از چالش های تیم تحقیق ، توسعه یک زیرساخت داده کارآمد بود. برای اجرای سیستم دید رایانه ، ویدیوی تولید شده توسط دوربین های سونار باید از طریق ابر یا با ارسال دستی درایوهای سخت از یک سایت رودخانه به آزمایشگاه تحویل داده شود. این روش ها دارای اشکالاتی قابل توجه هستند: یک رویکرد مبتنی بر ابر به دلیل عدم اتصال به اینترنت در مکان های سایت رودخانه از راه دور محدود است و حمل و نقل داده ها مشکلات تأخیر را معرفی می کند.

به جای تکیه روی این روش ها ، تیم یک کامپیوتر با کارآیی با قدرت را اجرا کرده است ، “Fishbox” را که می تواند در این زمینه برای انجام پردازش استفاده شود ، انجام داده است. Fishbox از یک رایانه کوچک و سبک با نرم افزار بهینه شده تشکیل شده است که مدیران شیلات می توانند به لپ تاپ های موجود و دوربین های سونار خود وصل شوند. سپس این سیستم قادر به اجرای مدل های شمارش ماهی قزل آلا به طور مستقیم در سایت های سونار بدون نیاز به اتصال به اینترنت است. این امر به مدیران اجازه می دهد تا تصمیمات ساعت به ساعت را بگیرند و از مدیریت پاسخگوتر و در زمان واقعی جمعیت سالمون حمایت کنند.

توسعه جامعه

این تیم همچنین در تلاش است تا جامعه ای را در مورد نظارت بر مدیریت شیلات ماهیگیری در شمال غربی اقیانوس آرام جمع کند. وی گفت: “داشتن ذینفعانی که علاقه مند به دسترسی به آنها هستند بسیار هیجان انگیز است [our technology] همانطور که ما آن را به کار می گیریم و یک ادغام سخت تر و همکاری با آنها داریم. ” “من فکر می کنم به خصوص وقتی کار می کنید روی سیستم های غذایی و آب ، شما برای کمک به تسهیل در تأثیر ، به همکاری مستقیم نیاز دارید ، زیرا اطمینان می دهید که آنچه در حال توسعه هستید در واقع نیازهای مردم و سازمان هایی را که به آنها کمک می کنید ، تأمین می کند. “

در ماه ژوئن گذشته ، آزمایشگاه Beery کارگاهی را در سیاتل ترتیب داد که سازمانهای غیردولتی ، قبایل و ادارات ماهی و فدرال ماهی و حیات وحش را تشکیل می داد تا در مورد استفاده از سیستم های سونار خودکار برای نظارت و مدیریت جمعیت ماهی قزل آلا بحث کند. کی خاطرنشان می کند که این کارگاه “فرصتی عالی برای همه بود که همه روشهای مختلفی را که از سونار استفاده می کنند به اشتراک می گذارند و در مورد چگونگی روشهای خودکار که ما می سازیم می توانند در آن گردش کار قرار بگیرند.” این بحث اکنون از طریق یک کانال مشترک Slack که توسط تیم ایجاد شده است ، با بیش از 50 شرکت کننده ادامه می یابد. تشکیل این گروه یک دستاورد قابل توجه است ، زیرا بسیاری از این سازمان ها در غیر این صورت فرصتی برای جمع شدن و همکاری ندارند.

منتظر

از آنجا که این تیم همچنان به تنظیم سیستم بینایی رایانه ، پالایش فناوری خود و درگیر شدن با ذینفعان متنوع – از جوامع بومی گرفته تا مدیران شیلات – این پروژه برای پیشرفت های چشمگیر در کارآیی و صحت نظارت و مدیریت ماهی قزل آلا در منطقه است. و همانطور که Beery کار گروه MIT خود را پیش می برد ، کمک هزینه بذر J-WAFS به حفظ چالش هایی مانند مدیریت شیلات در دیدگاه های خود کمک می کند.

“این واقعیت که کمک هزینه بذر J-WAFS در MIT وجود داشته است ، ما را قادر می سازد تا به کار خود ادامه دهیم روی این پروژه هنگامی که ما به اینجا نقل مکان کردیم ، “اظهار داشت:” این همچنین دامنه پروژه را نیز گسترش داد و به ما اجازه داد تا همکاری های فعال را حفظ کنیم روی آنچه من فکر می کنم یک پروژه واقعاً مهم و تأثیرگذار است. ”

از آنجا که J-WAFS امسال دهمین سالگرد خود را مشخص می کند ، این برنامه با هدف ادامه حمایت و تشویق دانشکده MIT برای پیگیری پروژه های نوآورانه ای که هدف آنها پیشبرد دانش و ایجاد راه حل های عملی با تأثیرات دنیای واقعی است ، ادامه دارد. روی چالش های سیستم جهانی آب و مواد غذایی.