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足迹识别遇上数据分析,动物保护难题迎刃而解

作者:雷霆出处:IT专家网2014-03-11 07:22

  【IT专家网】2014年1月,四川省迎来了两位来自大洋彼岸的特殊客人:美国北卡罗来纳州的杜克大学(美国综合学校排名前十的高校)生物系的访问学者Zoe Jewell硕士与Sky Alibhai博士,他们也是WildTrack动物保护组织的联合创始人,Jewell目前担任该组织的主席。

  Jewell与Alibhai是受到中国政府的邀请,来为四川省卧龙和雅安的大熊猫保护工作出谋划策。

  尽管野生大熊猫下山咬人或进村“串门”的新闻于近日见诸报端,然而中国“国宝”和“活化石”早已被称为濒危野生动物种类,自上世纪80年代,中国政府就因此停止向国外赠送这个建国以来重要的“外交大使”。但大熊猫仍然随着生存环境的恶化而日渐稀少,一些相关保护区的高龄老人都表示从未见过大熊猫的踪迹。2004年完成的全国第三次熊猫调查结果则显示,全国野生大熊猫种群数量仅为1590多只(第四次调查结果将于今年公布)。

  中国政府一直着手改善野生大熊猫的生存环境,为其繁衍创造各种条件。然而,尽管政府在野生大熊猫保护方面情致高涨,仍然遇到了有力气无处使的困扰。Jewell与Alibhai两位海外专家的造访,就是应邀帮助解决这些问题。

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  图:Zoe Jewell(WildTrack动物保护组织创始人及主席),伦敦卫生与热带病医学院理科硕士,剑桥大学兽医硕士(左)与Sky Alibhai(WildTrack动物保护组织共同创始人)乌干达马凯雷雷大学动物学学士,牛津大学动物学哲学博士(右)

  事实上,Jewell与Alibhai也曾在前年受邀于国家林业局猫科动物研究中心副主任、东北林业大学野生动物资源学院教授姜广顺博士,解决另外一种野生动物的保护难题:姜教授希望在大兴安岭、小兴安岭的野生东北虎的保护上得到海外同行的帮助。

  那么,中国方面遇到的普遍难题是什么?两位海外专家有什么特殊的能力帮助我们呢?

  野生动物保护的难点

  《孙子兵法》云:知彼知己,百战不殆。在人类的战争、商业活动甚至教育领域,因为信息不对称而导致悲剧后果的案例比比皆是,我们需要尽可能全面地掌握所实施项目的信息,从而能够有针对性地制定相应的策略,取得预期的效果,甚至事半功倍。濒危动物的保护也是如此,但中国政府的烦恼恰恰在此。

  在卧龙,在雅安,我们只知道大熊猫的存在,却很难了解某区域内野生大熊猫的详细信息,比如数量、年龄、性别等。前述全国野生大熊猫数量的统计工作,往往历时长达3-4年,这么长的时间,结果是否精确是一回事,对保护方案的制定来说,也太迟太迟。

  姜教授遇到的也是类似的难题:他不知道东北虎通常活动的范围、数量以及性别比例。他尝试了很多传统方法,如看粪便、用野外自动摄像机等等,甚至进行DNA分析,但在希望得到的关键信息上仍是一筹莫展。

  在很多年前,解决这一问题的一个方式是采用无线电技术。Jewell和Alibhai曾经在中非采用此技术保护当地濒危物种犀牛,即通过给犀牛带上无线电项圈(您可以理解为某种用于动物的可穿戴设备),来监控它们的生存状态。在当时,这是非常先进的技术。

  然而,有证据表明,无线电项圈会随着犀牛、大象等动物的成长而对它们的身体造成伤害,并且会使雌性动物受孕率下降,繁殖周期大为延长,这样一来,岂不是失去了动物保护的本意?此外,该技术成本昂贵,且容易受到丛林干扰,监控效果消失,而伤害仍在。

  因此,两位专家力主采用低成本、对动物伤害最少(即“非侵入式技术”)、易于实施的方式来应对此事,他们确实找到了独门“撒手锏”,就是古老的足迹识别技术(FIT,Footprint Identification Technique)!这就是我们为何要说他们是“特殊客人”。

  当然,即便用脚趾头思考,我们也知道FIT技术经过了新的发展和改造(想象苹果重新发明手机)。但新的FIT技术究竟能帮助我们识别哪些动物的哪些信息?其精确度有多高?它对中国濒危动物的保护能发挥多大作用?

  足迹识别技术

  FIT的发明,两位专家其实受到了非洲猎人的追踪术启发。古老的追踪术,可以通过动物的踪迹和粪便来判断他们的种群数量,是否濒危,是否可追踪。在非洲猎人看来,这种方式远比无线电的方式要简单、直接、清晰。

  FIT的原理,是通过动物脚印的分析、追踪和比较,确定整个生物种群的生存、生活规律和发展的状况,为动物保护有关方面的决策打下基础。简言之,有了动物脚印照片,我们可以清晰地推断其种类、数量、性别比例的信息;对于成年动物来讲,FIT还能告诉我们这是五岁的老虎还是十岁的老虎。

  在接到姜教授的请求之后,Jewell与Alibhai利用FIT技术针对前者收集到的东北虎脚印照片信息进行了详细的分析,精确地得出结论:在样本数据特定区域内,共有7只东北虎,3雄4雌。

  之后,国家林业局猫科动物研究中心与两位专家又合作启动了对东北豹的追踪和保护工作,然后才是四川野生大熊猫的调查和保护。

  相比无线电项圈来说,足迹识别技术显然成本更低更方便,并且这是一种非侵入式技术,对人和对动物来说都非常安全。

  目前,FIT技术已经被两位专家应用在非洲黑犀牛、白犀牛、狮子、猎豹、非洲大象、山狮、南美犰狳、加拿大北部北极熊等各地多种动物的保护,当然还有前述的东北虎、大熊猫。Alibhai说,大到大象、小到老鼠的脚印,FIT技术都能有用武之地。

  非洲猎人之所以善于追踪,其技术经过祖辈口授以及自身的实践验证,经验丰富的猎人,判断结果会更准确,这也就是为何猎人惯于使用此技术,而科班出身的动物学家却想不到。可是,目前的人工智能技术仍然处在发展的初级阶段,纵使数码照片纤毫毕现还原现场,机器感知色差能力强,又凭什么超越人类经验通过图片就能推断动物详细信息呢?

  数据分析显威

  相信聪明的读者已经猜到,足迹识别技术之所以焕发新春,其精确的关键,就是与新发展的高级数据分析技术的结合。

  例如,大熊猫和猫科动物脚印的差异,大熊猫的前面有五个脚趾,在侧面还有一个专门用于抓握东西的小的趾头,在底下还有一块类似于小脚掌的东西,这较好辨识。然而,要从两组很相似的脚印辨别出这是两支不同的犀牛,这对于非洲猎人可能都是一个重大的考验。但Alibhai介绍,通过正确的统计方法,建立正确的模型,正常人眼里貌似一样的脚印,在统计学当中有显著的差异,最终能够把它还原成两只不同的犀牛。这种统计模型的实现,正是高级数据分析技术的拿手好戏。

  在FIT中,只要针对脚印的模式和特征,以及拍摄环境,调整不同的模块和参数(如雪的厚度),对脚掌信息拆分,包括脚趾之间的距离,中心点之间的距离,各个中心点连线之后不同的角度等等,作为原始数据,即可进行分析,让老旧的技术焕发新的生命。

  然而,动物学的研究本身就是一项浩瀚的工作,一位优秀的动物学家,穷毕生之心血,尚觉精力有限,还需要分心修习统计学这门博大精深的学问,然后针对不同的物种建立各种不同的模型,这似乎不太科学——这项工作需要深刻地了解动物,统计学专家无法完全代劳。

  例如,要如何科学地取中心点,又如,要确保东北虎模型的正确性,能够通过脚印辨识动物信息,需要通过圈养的老虎生成的数据进行模型训练,然后反复修正和校验,最终才能得到正确的模型用于有效地预测野生东北虎。

  所以我们也看到,目前大数据概念热炒,很多专家都预测,大数据要深入应用,数据科学家不可或缺。可是数据科学家或者数据动物学家,多么的可遇不可求。

  幸好,FIT并不需要动物学家去深入研究统计学。“你根本不需要懂得太多的统计学的原理和技术,就可以用FIT去分析你所得到的脚印图像。我只要把一个图片的信息拉到我的菜单里,它就能够自动计算出这些图形的特征。” Alibhai说。

  对于动物学家来说,这无疑是极大的解放。FIT实现这一解放的秘密武器是什么呢?

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关键词:数据分析,FIT,JMP,大数据,动物保护,案例,在现场

责任编辑:周钜翔

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