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　　今年8月，北京麋鹿苑一塊草坪上，鳥的種類被鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)識別了出來。A10-A11版圖片/受訪者供圖

　　鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)對翠湖國家城市濕地公園的鳥類進(jìn)行識別。

　　蒼鷺的叫聲轉(zhuǎn)為頻譜后的可視化聲紋圖。

　　基于聲紋與影像的生態(tài)智能感知系統(tǒng)，實(shí)時感知、實(shí)時識別、實(shí)時分析。

　　布設(shè)在野外的聲紋智能監(jiān)測設(shè)備。

　　北京麋鹿苑的一片草坪上，停落著十幾只鳥。扎堆兒的鴻雁埋著頭認(rèn)真覓食，體型碩大的東方白鸛邁著兩條長長的紅腿優(yōu)雅地散步，灰色羽毛的蒼鷺伸長了脖子?xùn)|張西望。這樣一幅畫面出現(xiàn)在中科院半導(dǎo)體所研究員鑒海防的電腦屏幕中，每只鳥都被一個紅框圈住，上方是人工智能識別出來的鳥的種類。

　　在溫榆河公園的雁鳴島，幾聲清脆的鳴叫聲劃破天際，不遠(yuǎn)處的濕地蘆葦叢在不停搖擺，從中飄出嘰嘰喳喳的聲音。游客舉目循聲卻看不見它們的蹤影，而在中科院動物研究所林聰田博士的監(jiān)控大屏上，已經(jīng)滾動彈出“蒼鷺”和“棕頭鴉雀”字樣。原來，這些聲音已經(jīng)被布設(shè)在溫榆河公園的聲紋傳感器探測到，并實(shí)時識別、回傳到了云端監(jiān)測系統(tǒng)。

　　北京市是世界上生物多樣性最豐富的大都市之一，由于處在東亞-澳大利西亞候鳥遷徙通道上，每年春秋兩季，大量的候鳥在遷徙時會途經(jīng)這里。眼下正值候鳥遷徙季，新京報(bào)記者了解到，最近一年，一大批智能監(jiān)測設(shè)備已在北京各區(qū)鋪開，通過科技手段助力鳥類監(jiān)測。

　　智慧監(jiān)測系統(tǒng)將鳥類生活習(xí)性納入考慮

　　位于海淀區(qū)的翠湖國家城市濕地公園，現(xiàn)在迎來了一年中最美麗的季節(jié)。成群的候鳥飛掠水面，以彩葉林為背景留下倩影。目前這里觀測記錄到的鳥類達(dá)到278種之多。

　　公園一、二期面積為157公頃，為了更好開展監(jiān)測和保護(hù)，監(jiān)測員每天都要掛著沉甸甸的望遠(yuǎn)鏡、拿著計(jì)數(shù)器和錄音筆走上2-3公里，記錄鳥類的種類和數(shù)量。在海淀區(qū)濕地和野生動植物保護(hù)管理中心的支持下，從去年開始，軟硬件一體化的智能監(jiān)測設(shè)備在這里啟用，通過連接公園攝像頭，實(shí)現(xiàn)用人工智能識別鳥類。

　　中國鳥類超過1400種，北京野生鳥類已達(dá)到503種之多。這些美麗的精靈中，不乏樣子獨(dú)特、讓人過目難忘的種類，但也有一些鳥外觀相似，只有鳥類專家才能將它們一一分清。那么，它們會難住人工智能嗎?

　　“研究人工智能計(jì)算機(jī)視覺的人，通常把鳥類識別作為驗(yàn)證算法的一個手段。因?yàn)轼B的種類多，相似度高，能夠很好地體現(xiàn)算法的水平和能力。”鑒海防說，他的團(tuán)隊(duì)較早地將研究應(yīng)用到實(shí)際中，基于AI技術(shù)開發(fā)了鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)，并首先在翠湖國家城市濕地公園開展了應(yīng)用驗(yàn)證。

　　與拍一張清晰照片上傳進(jìn)行識別不同，系統(tǒng)要對自然環(huán)境中的鳥進(jìn)行長周期實(shí)時識別，這并非易事。鳥的動作姿態(tài)、是否被樹葉草叢遮擋、距離遠(yuǎn)近、光線明暗等，都會對識別精度造成影響。“我們用兩種方法提升精度。一是收集更多的數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，再就是和國內(nèi)研究鳥類的專家合作，將他們的經(jīng)驗(yàn)和知識融合到算法中。很多鳥的外表差異并不明顯，就結(jié)合它們的行為特征等進(jìn)行多模態(tài)識別。

　　他舉例說，普通鸕鶿和蒼鷺外觀上有幾分相似，對其進(jìn)行識別時，系統(tǒng)會將它們的生活習(xí)性納入考慮。比如，蒼鷺經(jīng)常停棲在水邊“靜候捕食”，而普通鸕鶿喜歡在水中“游泳潛水”。“我們不斷把動物的知識融入系統(tǒng)中，讓數(shù)據(jù)和知識雙輪驅(qū)動。”鑒海防笑稱，由于天天看鳥、請教鳥類專家，研究芯片的他仿佛也成了半個專家。

　　每天，監(jiān)測系統(tǒng)會自動向管理人員發(fā)送一份監(jiān)測日報(bào)。過去一天中，監(jiān)測到的鳥的種類、數(shù)量、分布情況一目了然，大大降低了人工成本，提高了工作效率。

　　最近，在懷柔區(qū)園林綠化局的支持下，這套系統(tǒng)也在懷柔水庫上線，用來監(jiān)測在北京過冬的大天鵝等候鳥，記錄它們的生活習(xí)性和遷徙規(guī)律。鑒海防說，目前在一些示范點(diǎn)，科研人員會對景區(qū)原有攝像頭進(jìn)行升級，提升其分辨率和變焦的倍數(shù)，使其看得更清楚。大多數(shù)景區(qū)信息化建設(shè)比較完善，有現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)，只需要將攝像頭接入設(shè)備即可，一臺設(shè)備可以接入景區(qū)的8個攝像頭，系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上。

　　“黑科技”為生物多樣性調(diào)查提供幫助

　　有的鳥類匆匆掠過，沒有留下有效影像，或者藏在林中，只聞其聲。針對這種情況，科研人員還開發(fā)了聲紋智能監(jiān)測系統(tǒng)，適用于更加復(fù)雜的場景。

　　在密云區(qū)臨近白河峽谷的龍?jiān)粕骄皡^(qū)，一個灰色設(shè)備掛在3米多高的桿子上。設(shè)備中的聲音傳感器收錄環(huán)境中的聲音，傳到邊緣計(jì)算設(shè)備，通過模型識別出聲音類別，再回傳結(jié)果到服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步的分析應(yīng)用。如果鳥鳴聲響亮，設(shè)備可以識別200米范圍內(nèi)的鳴叫聲。

　　聲紋智能監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人是中科院動物所博士林聰田。他向記者展示了兩段10秒的錄音，蒼鷺的叫聲洪亮、脆生生的，中華攀雀的叫聲則“秀氣”很多，尖銳短促。兩種鳥類的叫聲聽起來有很大差異，將聲音轉(zhuǎn)為頻譜后，可視化的聲紋圖也迥然不同。

　　今年5月，林聰田團(tuán)隊(duì)與密云區(qū)園林綠化局建立了監(jiān)測示范點(diǎn)，該點(diǎn)已經(jīng)錄制了接近2萬條有效聲音，初步識別出80多種鳥類。“以往，鳥類監(jiān)測人員每隔兩天進(jìn)行樣線調(diào)查，在這一區(qū)域只監(jiān)測到了60多種鳥。”密云區(qū)園林綠化局調(diào)查隊(duì)隊(duì)長張德懷說，智能識別是密云鳥類調(diào)查手段的重要補(bǔ)充。

　　除了密云龍?jiān)粕竭@樣的林地生境，研究人員還在翠湖濕地公園北邊的農(nóng)田生境、永定河公園和溫榆河公園濕地布設(shè)了10多套設(shè)備。“尤其是在溫榆河公園朝陽示范區(qū)，目前有3臺聲紋設(shè)備在進(jìn)行監(jiān)測，為前不久剛剛做完的公園生物多樣性調(diào)查提供了很大幫助。”林聰田說。

　　被網(wǎng)友們稱為“網(wǎng)紅公園”的溫榆河公園是北京重點(diǎn)生態(tài)工程，肩負(fù)著生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)重任，因而對生物多樣性非常重視。林聰田說，此次示范區(qū)生物多樣性調(diào)查中，除了傳統(tǒng)的人工調(diào)查外，還布設(shè)了聲紋和影像監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行24小時監(jiān)測，僅靠3臺聲紋設(shè)備就采集了4萬多條有效聲音記錄，識別出94種鳥類，占此次本底調(diào)查鳥類總數(shù)(175種)的54%。

　　與在深山老林中監(jiān)測鳥鳴聲不同，城市公園中的雜音會影響設(shè)備識別的精度。“鳥類聲音多種多樣，什么樣的傳感器適合于監(jiān)測鳥類聲音?在設(shè)備研發(fā)上，我們前期做了大量研究工作，與設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)深度合作，才研發(fā)出了適用于復(fù)雜環(huán)境中錄制鳥類聲音的傳感器。”

　　和圖片識別類似，聲音識別在遇到叫聲相似的鳥類時也存在識別困難。除了采用傳統(tǒng)方法對相似物種加大訓(xùn)練樣本、提取更加精細(xì)特征外，動物所研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新地提出生態(tài)領(lǐng)域模型和聲紋模型一起構(gòu)建聯(lián)合模型的識別方案。“這可以大幅提升識別準(zhǔn)確率，但需要針對不同位點(diǎn)進(jìn)行模型定制。”林聰田說。

　　他說，目前系統(tǒng)可以識別的鳥類物種超過800種，基本滿足對常見鳥種的監(jiān)測。對于不在識別模型中的物種，聲紋模型首先會識別出是不是鳥類聲音，經(jīng)過專家確認(rèn)物種種類后，再放回到系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步的訓(xùn)練升級。

　　識別系統(tǒng)可用于“云科普”和“云觀鳥”

　　張懷德已經(jīng)在園林行業(yè)工作了29年，在他看來，科技手段解決了一線監(jiān)測人員遇到的難題。“以往人工監(jiān)測依賴于經(jīng)驗(yàn)，但有的一線人員專業(yè)水平不足，無法直接識別看到的鳥類或者聽到的鳥鳴，還可能出現(xiàn)識別錯誤的情況。智能系統(tǒng)則給出了標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測方法。”

　　他說，以往紅外相機(jī)拍到的照片有上千張，很多是沒有拍到動物的“廢片”，智能系統(tǒng)則可以將含有動物的照片篩選出來，大大節(jié)省了人力。

　　北京市海淀區(qū)濕地和野生動植物保護(hù)管理中心副主任劉穎杰說，設(shè)備能夠24小時源源不斷回傳有效數(shù)據(jù)，即便刮風(fēng)下雨也不間斷。受限于財(cái)力和人力，這是人工監(jiān)測很難做到的。另外，對于監(jiān)測員劃船才能到達(dá)的鳥島等地點(diǎn)，如能布設(shè)設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測，顯然將更加便利。

　　“人工智能和專業(yè)人員相輔相成。”鑒海防說，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)稀有或者識別不出來的鳥類，會拍攝視頻并進(jìn)行事件報(bào)警，通過專家進(jìn)行人工二次校驗(yàn)，經(jīng)過校驗(yàn)的數(shù)據(jù)又可以幫助系統(tǒng)優(yōu)化性能。“稀有物種經(jīng)過時，很難恰巧偶遇監(jiān)測人員在工作，所以，系統(tǒng)的全天候監(jiān)測，對于珍稀物種的發(fā)現(xiàn)將起到非常關(guān)鍵的作用。”

　　林聰田說，目前他們已經(jīng)監(jiān)測到了一種在南方分布的鳥類的鳴叫。“如果后續(xù)可以拍到這種鳥的圖片，就可以確定這種鳥確實(shí)已經(jīng)在北京出現(xiàn)。”

　　科研人員和智能系統(tǒng)的使用者雙方都強(qiáng)調(diào)了一點(diǎn)：長時間監(jiān)測能夠真正反映生物多樣性隨時間變化的情況。以往工作人員在候鳥遷徙季集中進(jìn)行生物多樣性調(diào)查，數(shù)據(jù)并不完整，而智能系統(tǒng)長期運(yùn)行，監(jiān)測結(jié)果自然可以更準(zhǔn)確地反映鳥類的遷徙規(guī)律和生活習(xí)性。

　　識別系統(tǒng)也可以用于“云科普”和“云觀鳥”。“我們曾經(jīng)拍到了很有意思的畫面，比如普通鸕鶿叼著很長的柳樹枝在水面玩耍;鴻雁繁殖季時，鴻雁‘爸爸媽媽’帶著‘小寶寶’覓食的溫馨場景。”鑒海防說，由于系統(tǒng)有識別功能，沒有鳥類知識的游客在景區(qū)大屏幕或者微信公眾號上看到視頻，就可以了解這些鳥類的名稱，“而不是簡單看個熱鬧”。

　　智能設(shè)備監(jiān)測種類將擴(kuò)展到鳴蟲、兩棲類

　　未來，智能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍還將拓展。

　　鑒海防說，除了北京，鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)還在江西鄱陽湖、云南昆明、山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)開展應(yīng)用示范。

　　鄱陽湖是當(dāng)今世界上最大的白鶴、鴻雁、小天鵝種群越冬地，是東方白鸛、白枕鶴主要越冬地，也是大量珍稀候鳥的重要遷徙通道和停歇地。每年10月，大批候鳥陸續(xù)到此過冬棲息，隨著候鳥數(shù)量的不斷增加，候鳥監(jiān)測壓力增大。此時，智慧監(jiān)測系統(tǒng)就可以助力關(guān)鍵大群候鳥的數(shù)量統(tǒng)計(jì)和白鶴等珍稀物種的活動節(jié)律研究，提升候鳥監(jiān)測效率。

　　“近年來，大家說每年有4萬只紅嘴鷗飛到昆明越冬，但數(shù)量具體是多少?在云南的昆明翠湖公園，我們和中科院昆明動物所的李維薇團(tuán)隊(duì)開展合作，使用鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測鳥類數(shù)量，相當(dāng)于每天給居民提供類似天氣預(yù)報(bào)的觀鳥預(yù)報(bào)。”他說，這個設(shè)備今年冬天即將上線，游客在公園門口就能了解到園內(nèi)有多少只紅嘴鷗。

　　山東黃河三角洲是國家一級保護(hù)動物——東方白鸛在全球最大的繁殖地，為了讓它們更好地在這里“安家落戶”，人們建起了高大的人工巢。通過人工巢上的高清攝像頭和鳥類智慧監(jiān)測系統(tǒng)，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測候鳥種群變化和遷徙動態(tài)，并實(shí)時掌握東方白鸛等的完整成長過程和生活行為節(jié)律。

　　林聰田告訴記者，截至目前，聲紋智能監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在北京多個區(qū)采集了近10萬條有效聲音數(shù)據(jù)，監(jiān)測并記錄到200多種鳥類的鳴叫聲，這將有力支撐這些區(qū)域的生物多樣性本底調(diào)查與長期監(jiān)測活動。下一步，系統(tǒng)將擴(kuò)大識別類型，從監(jiān)測鳥類逐步擴(kuò)展到蟋蟀等鳴蟲、青蛙等兩棲類和獸類，以覆蓋更多物種。

　　另外，系統(tǒng)還將擴(kuò)展應(yīng)用范圍，比如通過聲音監(jiān)測了解物候，即動植物和天氣等隨季節(jié)變化的周期性自然現(xiàn)象。“這是一個很重要的應(yīng)用場景，比如北京的布谷鳥什么時候開始叫?什么時間逐漸不叫了?以此就能得出物候規(guī)律。聲紋識別是未來生物多樣性和動物物候監(jiān)測的新方向和新突破，有著廣闊的應(yīng)用前景。”林聰田表示。

　　(來源：《新京報(bào)》2022年10月25日 第A10：北京新聞 新京報(bào)記者 張璐)