Czy sztuczna inteligencja może pomóc w namierzaniu ptaków? Od dekad badania zwierząt oparte są na teledetekcji i metodach audiowizualnych, ale coraz częściej do badań używa się sztucznej inteligencji i jeszcze bardziej zaawansowanych metod. Przykładem takich zwierząt są morzyki marmurkowe.
Morzyki marmurkowe (Brachyramphus marmoratus) to małe ptaki z rodziny alk. Występują dość rzadko – tylko w jednym regionie na Ziemi. Konkretnie chodzi o północno-zachodnie wybrzeże Pacyfiku: od Kalifornii, Oregonu, stanu Waszyngton przez Kolumbię Brytyjską, Jukon aż po Alaskę i Aleuty.
Trudna historia walki o piękne ptaki
Od 1992 r. na mocy amerykańskiej ustawy o gatunkach zagrożonych morzyki marmurkowe są wymieniane jako gatunek zagrożony. Po latach okazało się, że ochrona gatunkowa tych ptaków nie do końca jest skuteczna. Zagrażają im w szczególności niezrównoważona gospodarka leśna oraz zmiany klimatu, przez które w oceanie znajduje się coraz mniej pokarmu, głównie małych ryb i bezkręgowców.
– Morzyk marmurkowy jest często wymieniany jako jeden z najtrudniejszych gatunków ptaków leśnych, którymi się zajmujemy — mówi Adam Duarte, biolog z Północno-Zachodniej Stacji Badawczej Pacyfiku (PNRS), główny autor publikacji naukowej przeprowadzonej min. ze współpracownikami z Uniwersytetu Stanowego w Oregonie.
Aby skutecznie objąć ochroną gatunkową morzyki marmurkowe oraz inne rzadkie gatunki, jedną z kluczowych decyzji rządowych za prezydencji Billa Clintona było utworzenie w 1994 r. Planu Leśnego Wybrzeża Północno-Zachodniego (NWFP). Jego zadaniem jest regulacja zarządzania około 10 mln hektarów lasów na obszarach zachodniego Oregonu i Waszyngtonu, a także niewielkiej części północnej Kalifornii.
Wcześniejsze badania nie były dokładne
Wcześniejsze badania morzyków marmurkowych polegały na lokalizacji ich gniazd przy użyciu metod telemetrycznych. Ptaki chwytano w celu założenia im nadajników, dzięki którym badacze mogli namierzać ptaki i dzięki temu dowiadywali się, gdzie znajdują się miejsca ich gniazdowania.
Niestety te metody badawcze mogą być inwazyjne dla samych ptaków, a dodatkowo są trudne do przeprowadzenia i bardzo kosztowne. Naukowcy musieli przemieszczać się małymi samolotami, a dodatkowo metody te nie zawsze przynosiły skuteczne efekty.
Wykrywanie morzyków marmurkowych za pomocą nowoczesnych metod badawczych
Obecnie morzyki marmurkowe w krajobrazach ekosystemów leśnych Wybrzeża Północno-Zachodniego w regionie pacyficznym są monitorowane przy użyciu kilku współczesnych metod badawczych:
- teledetekcji – pozyskiwania danych za pomocą np. lotniczego skanowania laserowego w celu precyzyjnego zmapowania siedlisk gniazd morzyków, czy też rzadziej przeprowadzanych badań za pomocą wyżej wspomnianych nadajników,
- metod audiowizualnych – nasłuchów odgłosów morzyków i obserwacji, np. ich lotów, prowadzonych przez badaczy,
- pasywnej akustyki – nasłuchów wokalizacji morzyków dzięki wdrożeniu technologii rejestratorów dźwiękowych.
Do szacowania liczebności par lub gniazd wykorzystuje się natomiast modele komputerowe (np. szacowanie liczebności gniazd morzyków lub symulowanie ich rozmieszczenia) oraz sztuczną inteligencję (algorytmy uczenia maszynowego, które mają w tym celu pomóc dokładniej rozpoznać głosy morzyków.
Nasłuchy morzyków, między innymi za pomocą rejestratorów dźwiękowych
We wspomnianym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Oregonie wykorzystali pasywny monitoring akustyczny (PAM) oraz sztuczną inteligencję w celu wykrycia wokalizacji morzyków. Na podstawie ich wokalizacji naukowcy są w stanie ocenić aktywność lęgową ptaków.
Aby przeprowadzić taki monitoring, badacze porozwieszali w wybranej przestrzeni leśnej rejestratory dźwięku, takie jak np. mikrofony wielokierunkowe. Jednocześnie zostały one tak zaprogramowane, by włączały się i następnie nagrywały odgłosy przelatujących morzyków. Eksperyment ten odbywał się w sezonie lęgowym i trwał cztery lata. Rejestratory zaprogramowano tak, aby włączały się przede wszystkim wtedy, gdy ptaki leciały znad oceanu (żerowiska) do lasów (lęgowiska), lub też nad ocean prosto z lasów.
Dzięki temu naukowcy uzyskali ponad milion godzin nagrań, na których znajdowały się głosy wielu morzyków. Niestety zaistniał pewien problem – ukrycie w szumie akustycznym odgłosów wielu innych gatunków ptaków, zwierząt, a nawet ludzi.
– Naukowcy porozwieszali rekordery, czyli rejestratory dźwięku. I działają one tak, że można je zaprogramować, żeby np. nagrywały przez ileś godzin w ciągu dnia. Jeśli wiemy, ze ptaki są aktywne rano, to np. dajemy rano 5 godzin nagrywania – powiedziała Julia Barczyk z Wydziału Nauk Biologicznych na Uniwersytecie Wrocławskim, zapytana przez SmogLab.
Współautor badania Matt Betts z OSU College of Forestry zauważył z kolei: – Istnieje bardzo niewiele gatunków podobnych do morzyka. I nie ma innego ptaka, który żeruje w oceanie i pokonuje tak duże odległości do miejsc gniazdowania w głębi lądu. To zachowanie jest wyjątkowo niezwykle i sprawia, że badanie tego gatunku jest naprawdę trudne.
Rejestrowanie ptasich dźwięków
Sieć neuronowa jest zbudowana na bazie języka oprogramowania Python. Naukowcy tak „nauczyli” system (sieć neuronową), że z każdego szumu akustycznego różnych odgłosów różnych gatunków, potrafił on wyodrębniać głosy morzyków. Dzięki temu mogli dowiedzieć się wielu cennych informacji o tych ptakach. Jeden nagrany morzyk który został usłyszany przez system, posłużył do tego, by zapamiętać jego charakterystyczny głos. Dzięki temu z wielu nagrań, w których jest szum akustyczny wielu gatunków, sieć neuronowa potrafiła wyłapywać pojedynczo wiele osobników, a naukowcy mogli policzyć je i oszacować potem w jakim czasie przylatywały do lasu i wylatywały z niego.
Sieć neuronowa nauczyła się identyfikować poszukiwane wokalizujące osobniki morzyków. I dzięki temu na podstawie zastosowanych modeli komputerowych, naukowcy potrafili dokładniej niż wcześniej oszacować liczebność morzyków. Wiedzieli też skąd przylatywały i dokąd odlatywały ptaki oraz ile ich było. Jest jeszcze jedna kluczowa sprawa przy monitoringu lęgu ptaków: naukowcy potrafili ocenić, kiedy zaczęły się i kiedy skończyły lęgi tego gatunku oraz czy w danym miejscu objętym badaniami lęgi w ogóle się odbyły.
Obie technologie – akustyczna i informatyczna, są w stanie zapewnić dokładny obraz tego, jak często te ptaki wydają odgłosy na danym obszarze. Sieć neuronowa uczy się niemalże bezbłędnie rozpoznawać wszelkie odgłosy ptasie. Dzięki temu naukowcy potrafią oszacować i zidentyfikować potencjalne lokalizacje siedlisk wielu gatunków ptaków. W tym siedlisk lęgowych morzyków.
– Nasze wyniki dają duże nadzieje na modelowanie rozmieszczenia gatunków i długoterminowe monitorowanie populacji rzadkich gatunków — powiedział Duarte. – Pasywny monitoring akustyczny jest znacznie mniej pracochłonny niż wyszukiwanie gniazd za pomocą telemetrii, naziemnego wyszukiwania gniazd lub tradycyjnych technik audiowizualnych.
Betts dodał: – Następnie sprawdzamy, czy dźwięki morzyków mogą rzeczywiście przewidywać reprodukcję i zasiedlanie gatunku, ale to jeszcze kilka kroków dalej.
Obszary gniazdowania morzyków marmurkowych chronią w USA lasy przed wycinką
Na ogół jest tak, że tam, gdzie nie ma tak zwanych parasolowych gatunków, ingerencja człowieka wywiera ogromy wpływ na ekosystemy, które zdaniem przyrodników zasługują na ochronę.
– Patrząc w przyszłość nowoczesne podejście technologiczne mogłoby pozwolić naukowcom określić tempo, w jakim morzyki nawołują się w danym fragmencie lasu – mówił Duarte. Dodał, że można wykorzystać to do przewidywania obszarów aktywnie wykorzystywanych do gniazdowania. – Jest to szczególnie ważne, ponieważ Stany Zjednoczone chronią obszary gniazdowania przed wycinką.
Sukcesja ekologiczna to proces, w którym z biegiem czasu na danym obszarze zmienia się układ gatunków i ich siedlisk. – Największa liczebność ptaków w naszych badaniach była tam, gdzie dominuje las późnosukcesyjny, a jednocześnie bliżej siedlisk oceanicznych – powiedział Duarte.
–
Zdjęcie tytułowe: John Yunker/Shutterstock
