Zjednodušení sběru dat pro lepší řízení populace lososů

Sara Beery, asistentka profesorky na MIT v oddělení elektrotechniky a informatiky (EECS), se zaměřuje na ekologické výzvy. Svou výzkumnou kariéru zaměřila na aplikaci svých znalostí v oblasti počítačového vidění, strojového učení a datové vědy k řešení reálných problémů v ochraně přírody a udržitelnosti. Beery přilákal závazek institutu „počítačové technologie pro planetu“ a rozhodla se uplatit své metody při monitoringu životního prostředí a biodiverzity v globálním měřítku.

Na severozápadě Pacifiku mají lososi nepřiměřený vliv na zdraví svých ekosystémů a jejich komplexní potřeby reprodukce přitáhly Beeryinu pozornost. Každý rok se miliony lososů vydávají na migraci za účelem tření. Jejich cesta začíná ve sladkovodních tocích, kde se líhnou jikry. Mladí lososi se pak proderou do oceánu, kde stráví několik let dozráváním do dospělosti. Jako dospělci se vrací do toků, kde se narodili, aby se vytřeli a zajistili pokračování svého druhu ukládáním jiker do štěrku říčních koryt. Samci i samice lososů umírají krátce po zajištění další generace.

Během migrace lososi podporují širokou škálu organismů v ekosystémech, jimiž procházejí. Například lososi přinášejí živiny, jako je uhlík a dusík, z oceánu do údolí, čímž zvyšují jejich dostupnost pro tyto ekosystémy. Kromě toho jsou lososi klíčoví v mnoha vztazích predátor-kořist: slouží jako potrava pro různé predátory, jako jsou medvědi, vlci a ptáci, a zároveň pomáhají regulovat další populace, například hmyzu, prostřednictvím predace. Po úhynu po tření se rozkládající lososí mrtvoly také obohacují o cenné živiny okolní ekosystém. Migrace lososů nejenže udržuje jejich vlastní druh, ale hraje klíčovou roli v celkovém zdraví řek a oceánů, které obývají.

Zároveň hrají populace lososů důležitou roli v ekonomice a kultuře regionu. Komerční a rekreační rybolov lososů významně přispívají k místní ekonomice. A pro mnoho domorodých obyvatel severozápadního Pacifiku mají lososi významnou kulturní hodnotu, neboť jsou středem jejich stravy, tradic a obřadů.

Monitorování migrace lososů

Zvýšená lidská aktivita, včetně nadměrného rybolovu a rozvoje vodní energetiky, spolu se ztrátou přirozeného prostředí a změnou klimatu, měly významný dopad na populace lososů v regionu. V důsledku toho je efektivní monitorování a řízení lososích rybářství důležité pro zajištění rovnováhy mezi konkurenčními ekologickými, kulturními a lidskými zájmy. Přesné počítání lososů během jejich sezónní migrace do jejich rodných řek k tření je nezbytné pro sledování ohrožených populací, hodnocení úspěšnosti strategií zotavení, vedení předpisů pro rybářské sezóny a podporu řízení jak komerčního, tak rekreačního rybolovu. Přesná data o populaci pomáhají rozhodovatelům používat nejlepší strategie k ochraně zdraví ekosystému a současně uspokojovat lidské potřeby. Monitorování migrace lososů je však náročná a neefektivní záležitost.

Beery v současné době vede výzkumný projekt, jehož cílem je zjednodušit monitorování lososů pomocí nejmodernějších metod počítačového vidění. Tento projekt zapadá do širšího výzkumného zájmu Beery, který se zaměřuje na interdisciplinární prostor mezi umělou inteligencí, přírodním světem a udržitelností. Jeho relevance pro řízení rybářství ho předurčila k financování z laboratoře vodních a potravinových systémů Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) MIT. Beeryin grant J-WAFS z roku 2023 byl prvním výzkumným financováním, které obdržela od nástupu na fakultu MIT.

Historicky se monitorovací úsilí spoléhalo na manuální počítání lososů lidmi z břehů řek. V posledních několika desetiletích byly k usnadnění počítání lososů zavedeny podvodní sonary. Tyto sonary jsou v podstatě podvodními videokamerami, ale liší se tím, že místo světelných senzorů používají k zachycení přítomnosti ryb akustiku. Použití této metody vyžaduje, aby lidé postavili stan podél řeky a počítali lososy na základě výstupu sonarové kamery připojené k notebooku. I když je tento systém vylepšením původní metody monitorování lososů pouhým okem, stále se výrazně spoléhá na lidské úsilí a je to namáhavý a časově náročný proces.

Automatizace monitorování lososů je nezbytná pro lepší řízení lososích rybářství. „Potřebujeme tyto technologické nástroje,“ říká Beery. „Bez nějaké formy automatizace nemůžeme udržet krok s požadavkem na monitorování a pochopení těchto skutečně komplexních ekosystémů, ve kterých pracujeme.“

Za účelem automatizace počítání migrujících populací lososů na severozápadě Pacifiku tým projektu, včetně Justina Kaye, doktoranda EECS, sbíral data ve formě videí ze sonarových kamer v různých řekách. Tým anotoval podmnožinu dat, aby vycvičil systém počítačového vidění k autonomnímu detekování a počítání ryb během jejich migrace. Kay popisuje proces, jak model počítá každou migrující rybu: „Algoritmus počítačového vidění je navržen tak, aby lokalizoval rybu v záběru, nakreslil kolem ní rámeček a poté ji sledoval v čase. Pokud je ryba detekována na jedné straně obrazovky a opustí ji na druhé straně, pak ji započítáme jako pohybující se proti proudu.“ Na řekách, kde tým vytvořil pro systém tréninková data, dosáhl silných výsledků s chybou počítání pouze 3 až 5 procent. To je výrazně pod cílem, který si tým a spolupracující zainteresované strany stanovili – ne více než 10procentní chyba počítání.

Testování a nasazení: Vyvažování lidského úsilí a využití automatizace

Technologie výzkumníků se nasazuje k monitorování migrace lososů na nově zrekonstruované řece Klamath. Na řece byly nedávno zbourány čtyři přehrady, což z ní dělá největší projekt odstranění přehrad v historii USA. Přehrady byly zbourány po více než 20leté kampani za jejich odstranění, kterou vedly kmeny Klamath ve spolupráci s vědci, environmentálními organizacemi a komerčními rybáři. Po odstranění přehrad nyní volně teče 240 mil řeky a lososům je přístupných téměř 800 čtverečních mil stanoviště. Beery poznamenává téměř okamžitou regeneraci populací lososů v řece Klamath: „Myslím, že to bylo do osmi dnů od zbourání přehrady, kdy začali vidět lososy migrovat proti proudu za přehradu.“ Ve spolupráci s California Trout tým v současné době zpracovává nová data, aby přizpůsobil a vytvořil přizpůsobený model, který lze poté nasadit k pomoci při počítání nově migrujících lososů.

Jednou z výzev systému je naučit model přesně počítat ryby v neznámých prostředích s variacemi, jako jsou vlastnosti říčního dna, čistota vody a světelné podmínky. Tyto faktory mohou významně ovlivnit vzhled ryb na výstupu sonarové kamery a zmást počítačový model. Při nasazení v nových řekách, kde nebyla dříve shromažďována žádná data, jako je Klamath, se výkon systému zhoršuje a rozpětí chyby se výrazně zvyšuje na 15–20 procent.

Výzkumníci vytvořili v systému automatický adaptační algoritmus, aby překonali tuto výzvu a vytvořili škálovatelný systém, který lze nasadit na libovolné místo bez lidské intervence. Tato samoiniciační technologie automaticky kalibruje na nové podmínky a prostředí, aby přesně spočítala migrující ryby. V testech dokázal automatický adaptační algoritmus snížit chybu počítání na rozmezí 10 až 15 procent. Zlepšení chyby počítání s funkcí samoiniciace znamená, že technologie je blíže k nasazení na nová místa bez velkého dalšího lidského úsilí.

Umožnění řízení v reálném čase s „Fishboxem“

Další výzvou, s níž se výzkumný tým setkal, byl vývoj efektivní datové infrastruktury. Aby mohl systém počítačového vidění běžet, musí být video produkované sonarovými kamerami doručeno prostřednictvím cloudu nebo manuálním zasláním pevných disků z místa na řece do laboratoře. Tyto metody mají značné nevýhody: přístup založený na cloudu je omezen kvůli nedostatku připojení k internetu na vzdálených místech řek a odesílání dat způsobuje problémy s prodlevou.

Místo spoléhání se na tyto metody tým implementoval energeticky úsporný počítač nazvaný „Fishbox“, který lze použít v terénu k provádění zpracování. Fishbox se skládá z malého, lehkého počítače s optimalizovaným softwarem, který si správci rybolovu mohou připojit ke svým stávajícím notebookům a sonarovým kamerám. Systém je pak schopen spouštět modely počítání lososů přímo na místech sonarů bez nutnosti připojení k internetu. To umožňuje manažerům přijímat rozhodnutí každou hodinu, což podporuje pružnější řízení populací lososů v reálném čase.

Rozvoj komunity

Tým také pracuje na tom, aby spojil komunitu kolem monitorování pro řízení lososích rybářství na severozápadě Pacifiku. „Je prostě úžasné mít zainteresované strany, které se nadšeně zajímají o přístup k [naší technologii], jakmile ji zprovozníme, a o užší integraci a spolupráci s nimi,“ říká Beery. „Myslím, že zejména když pracujete na systémech potravin a vody, potřebujete přímou spolupráci, abyste pomohli usnadnit dopad, protože tak zajistíte, že to, co vyvíjíte, skutečně slouží potřebám lidí a organizací, které se snažíte podporovat.“

Letošního června uspořádala Beeryina laboratoř v Seattlu workshop, na kterém se sešly nevládní organizace, kmeny a státní a federální úřady pro ryby a zvěř, aby diskutovali o používání automatizovaných sonarových systémů k monitorování a řízení populací lososů. Kay poznamenává, že workshop byl „úžasnou příležitostí, jak si každý sdílí různé způsoby, jak používají sonary, a přemýšlí o tom, jak by se automatizované metody, které budujeme, mohly do tohoto pracovního postupu začlenit“. Diskuse nyní pokračuje prostřednictvím sdíleného kanálu Slack vytvořeného týmem, s více než 50 účastníky. Shromáždění této skupiny je významným úspěchem, protože mnoho z těchto organizací by jinak nemělo příležitost se sejít a spolupracovat.

Výhled do budoucna

Jak tým pokračuje v ladění systému počítačového vidění, zdokonalování své technologie a zapojení různorodých zainteresovaných stran – od domorodých komunit po správce rybolovu – je projekt připraven provést významná zlepšení účinnosti a přesnosti monitorování a řízení lososů v regionu. A jak Beery rozvíjí práci své skupiny MIT, grant J-WAFS pomáhá udržovat výzvy, jako je řízení rybářství, v jejím zorném poli.

„Skutečnost, že grant J-WAFS existoval zde na MIT, nám umožnil pokračovat v práci na tomto projektu, když jsme se sem přestěhovali,“ komentuje Beery a dodává: „také rozšířila rozsah projektu a umožnila nám udržovat aktivní spolupráci na tom, co považuji za skutečně důležitý a účinný projekt.“

Vzhledem k tomu, že program J-WAFS letos slaví své 10. výročí, usiluje o to, aby i nadále podporoval a povzbuzoval fakultu MIT k uskutečňování inovativních projektů, které si kladou za cíl rozšiřovat znalosti a vytvářet praktická řešení s reálnými dopady na globální výzvy v oblasti vodních a potravinových systémů.