Подход GAIA i³: Создание системы раннего оповещения о нарушениях в экосистеме на основе ИИ

Грифы - высокоинтеллектуальная группа птиц, обеспечивающая важные экосистемные услуги. Однако за последние десятилетия популяции грифов старого света резко сократились под воздействием антропогенных факторов. Необходимо разработать эффективные стратегии сохранения, направленные на устранение таких критических угроз, как неизбирательное отравление или истощение источников пищи. В то же время их поведение, включая социальные взаимодействия, до сих пор плохо изучено. Используя высокотехнологичное оборудование для слежения и аналитические инструменты на основе искусственного интеллекта, GAIA стремится лучше понять, как грифы общаются, взаимодействуют и сотрудничают, добывают корм, размножаются и воспитывают потомство. Кроме того, ученые GAIA исследуют социальные кормовые стратегии белоспинных грифов и передачу информации в сообществах хищников-падальщиков. В животном царстве для всех таксонов характерно, что поиск пищи ведется не только индивидуально, но и в группе. Животные добывают пищу вместе или полагаются на знания других особей, чтобы найти пищу. Этот так называемый социальный поиск пищи, предположительно, дает преимущества, например, в отношении количества найденной пищи, размера добычи, на которую можно охотиться, или времени, необходимого для получения пищи. GAIA изучает видовые механизмы поведения и коммуникации, а также стимулы, выгоды и возможные недостатки для отдельных особей.

Благодаря более глубокому пониманию этих внутри- и межвидовых связей и взаимодействий GAIA также способствует лучшему пониманию причин конфликтов между человеком и дикой природой (которые часто связаны с поведением плотоядных) и управлению видами. Например, в Намибии исследования сообществ львов помогают понять их пространственное поведение и смягчить контакты с местным населением (например, фермерами, занимающимися разведением крупного рогатого скота), чтобы справиться с конфликтами между человеком и дикой природой (цель 4 GBF). Эти знания также используются для наблюдения за местными популяциями львов и управления ими на устойчивой основе в интересах людей (цель 9 ГБФ), обеспечивая баланс между смягчением конфликтов и туризмом.

Спутники и самолеты играют важнейшую роль в сборе данных об окружающей среде на расстоянии, помогая нам лучше понять наш климат и экосистемы. Дистанционное зондирование, часто осуществляемое с самолетов, воздушных шаров или спутников, позволяет нам наблюдать за большими территориями и удаленными регионами в течение длительного времени. Эти "глаза в небе" являются бесценным дополнением к наземным наблюдениям, помогая нам понять океанские и воздушные течения, изменения почвенного покрова и изменения климата. Однако животные также обладают необычными чувствами и уникальной способностью обнаруживать изменения в своей среде обитания. Объединив возможности животных с технологиями дистанционного зондирования, GAIA стремится расширить наши возможности по мониторингу и пониманию нашей планеты. Животные обладают превосходными сенсорными способностями и поведенческими стратегиями, которые позволяют им чувствовать тонкие и резкие изменения в своих экосистемах, а также обнаруживать критические инциденты. Грифы, например, выступают в роли "видов-дозорных" и могут поднять концепцию дистанционного зондирования на новую высоту. Они регулярно патрулируют огромные территории в поисках пищи, работая без выбросов, дополнительных ресурсов или ремонта. Кроме того, в своих патрулях они руководствуются исключительным зрением и задачей найти туши. То, как они патрулируют, что ищут и к каким происшествиям приводят, может быть связано с конкретными изменениями в окружающей среде и экологическими событиями.

Чтобы полностью использовать потенциал дистанционного зондирования с помощью грифов, GAIA сосредоточилась на двух важных аспектах. Во-первых, к стервятникам прикрепляются мощные устройства слежения, позволяющие отслеживать их перемещения и поведение в подробных временных и пространственных масштабах. Во-вторых, разрабатываются новые технологические решения для лучшего понимания того, что наблюдают и делают животные. К ним относятся недавно разработанная метка с интегрированной камерой, алгоритмы искусственного интеллекта для определения поведения и распознавания изображений, а также спутниковая связь для охвата удаленных регионов в режиме реального времени. С помощью этих инструментов животные могут получать изображения и данные о своем окружении быстрее, с более высоким разрешением и точностью, чем спутниковые снимки. Этот инновационный подход позволяет нам увидеть природу глазами животных.

GAIA придерживается стратегии минимальных отходов: Используется и развивается только то техническое оборудование, которое является абсолютно необходимым. Ошейники и метки либо остаются надолго (например, грифы), либо собираются регулярно (например, львы) для получения данных. Передатчики не остаются в ландшафте: если передатчик падает или животное, носящее метку, умирает, его находят и удаляют из ландшафта. Таким образом, система GAIA - это система "не оставляющая следов", приносящая значительную пользу экосистемам.

Для экологических исследований, а также для использования GAIA необходимо надежно и точно распознавать поведение различных видов животных в течение длительного периода времени в отдаленных районах дикой природы. Для этого ученые GAIA разработали и обучили искусственный интеллект (ИИ), который может выполнять классификацию поведения на основе данных GPS и ускорения и точно определять, что делают, например, белоспинные грифы, снабженные животными метками, в любое время и в любом месте. В конечном итоге этот ИИ будет работать непосредственно с животными-метками GAIA и генерировать поведенческую информацию из данных датчиков. На втором этапе ученые объединили классифицированное таким образом поведение с данными GPS, полученными с меток. Используя алгоритмы пространственной кластеризации, они определили места, где определенные виды поведения встречались чаще всего. Таким образом, они получили пространственно-временное разрешение мест, где грифы кормились. Наконец, что не менее важно, GAIA разрабатывает искусственный интеллект для распознавания изображений, который будет анализировать фотографии, сделанные встроенной камерой новой системы меток. Все эти алгоритмы будут работать непосредственно на метке и смогут выполнять эффективную встроенную обработку данных. Это также предъявляет особые требования к ИИ для распознавания изображений, который должен работать особенно экономно и с небольшими объемами данных. С этой целью команды GAIA разрабатывают соответствующие стратегии и модели для разреженного ИИ.

Эта новая система обнаружения туш животных является ключевым активом в предотвращении вымирания видов и урегулировании конфликтов между человеком и дикой природой, поэтому она соответствует цели 4 GBF. Конвейер позволяет быстро обнаружить смерть стервятника или животного, которым стервятники питаются. Оба варианта важны для предотвращения вымирания видов: Отравление тушами животных вносит значительный вклад в сокращение популяций многих видов грифов. Поскольку в поисках пищи грифы используют социальные стратегии, одна отравленная туша может погубить сотни птиц. Ученые из инициативы GAIA показали, что маркировка грифов позволяет обнаружить смерть на ранней стадии и удалить тушу. Пометка грифов и использование описанных здесь механизмов искусственного интеллекта могут существенно сократить дальнейшую смертность. Во-вторых, раннее обнаружение случаев браконьерства в отношении угрожаемых видов может полностью остановить браконьерство на местах и внести значительный вклад в борьбу с вымиранием.

Для достижения цели инициативы GAIA по разработке и внедрению в практику высокотехнологичной системы раннего предупреждения об изменениях окружающей среды ключевым компонентом является новое поколение меток для животных. Команды GAIA работают над созданием аппаратного и программного обеспечения миниатюрных меток для животных, оснащенных датчиками с минимальным энергопотреблением, камерой и системой обработки изображений. Метки будут энергонезависимыми, оптимально адаптированными к анатомии грифов и станут основой для дальнейших разрабатываемых технологических функций, таких как встроенный искусственный интеллект для определения поведения и распознавания изображений, а также спутниковая система связи IoT.

Кроме того, GAIA разрабатывает концепции распределенного искусственного интеллекта и сетей микропроцессоров - меток животных, которые действуют подобно рою. По аналогии с природным роевым интеллектом, инициатива GAIA отображает цифровой роевой интеллект в специальной сети микропроцессоров. Эти спонтанно формирующиеся сети являются основой для распределенного и сенсорного анализа больших объемов данных. Если следовать этому пути, то, например, метки стервятников, которые присутствуют в одном и том же месте во время кормления, смогут объединяться и совместно выполнять такие задачи, как анализ искусственного интеллекта и передача данных.

Соответствующие экологические процессы и происшествия, представляющие интерес для исследований изменений окружающей среды, обычно происходят в отдаленных районах, недоступных для наземных коммуникационных инфраструктур. Данные, полученные в полевых условиях с помощью меток для животных в таких регионах, зачастую могут быть переданы с задержкой в несколько дней или даже недель. Чтобы преодолеть эту задержку и обеспечить отсутствие задержек в работе системы раннего оповещения, GAIA разрабатывает модуль спутниковой связи для меток, а также наноспутник, работающий на низкой околоземной орбите (LEO): Чтобы иметь возможность передавать собранные данные и информацию непосредственно с передающего узла на спутник LEO (низкая околоземная орбита), в новые метки будет интегрирован высокопроизводительный спутниковый IoT-радиомодуль. Это гарантирует мгновенную, безопасную и энергоэффективную передачу полученных данных. Система связи основана на наземной технологии mioty® и для проекта будет адаптирована к типичным для спутников частотным диапазонам, таким как L- и S-диапазоны. Типичные протоколы связи, которые иногда используются в секторе IoT, обычно рассчитаны на малый размер пакетов. Поэтому дальнейшее развитие системы mioty® будет направлено на увеличение скорости передачи данных и размера сообщений, что позволит использовать такие сценарии, как передача изображений.

Спутниковая IoT-система будет играть ключевую роль в обеспечении связи без задержек и, следовательно, в создании системы раннего предупреждения. Она вносит значительный вклад в систему GAIA в достижении цели 4 GBF "Остановить вымирание, защитить генетическое разнообразие и урегулировать конфликты между человеком и дикой природой".

Современные зоологические сады и аквариумы по всему миру предоставляют уникальные возможности, внося свой опыт в уход за животными, сохранение видов и просвещение населения, формируя прочную основу для современных природоохранных и научных исследований. Тесно сотрудничая с этими учреждениями и используя генерируемые ими данные и идеи, инициатива GAIA направлена на преодоление разрыва между усилиями по сохранению видов in-situ и ex-situ. Животные, находящиеся под опекой человека, могут служить ценными моделями для изучения биологии, поведения и реакции видов на изменения окружающей среды. Кроме того, контролируемые условия зоологических садов позволяют разрабатывать и тестировать передовые технологии, такие как переносимые животными датчики и системы искусственного интеллекта, в более предсказуемых и доступных условиях, прежде чем внедрять их в дикой природе.

Основные направления этого блока включают:

• Генерация эталонных и обучающих данных для разработки конвейера ИИ для сенсорных данных. Установив метки на грифов в неволе в большом вольере и одновременно перекодировав их поведение, мы смогли создать парный набор данных для обучения ИИ. С обученным ИИ больше не нужно наблюдать за животными, чтобы определить соответствующее поведение, например, кормление; ИИ может очень надежно предсказывать поведение по данным датчиков, давая нам представление о поведении целевых животных на протяжении всей их жизни.
• Образование и привлечение общественности: Берлинский зоопарк включает результаты работы GAIA в свои образовательные программы и сотрудничает со СМИ и общественностью, способствуя повышению осведомленности и участию общественности в сохранении биоразнообразия и технологических инновациях. Посетителей знакомят с передовыми инструментами и их влиянием на сохранение дикой природы.

Минимальное и только строго необходимое воздействие на отдельных животных - ключевая цель инициативы GAIA. Для львов и грифов были проведены обширные испытания (в рамках немецкой системы тестирования животных и обеспечения их благополучия) в Берлинском зоопарке и Берлинском тирпарке. Методики были разработаны и проверены ветеринарными экспертами как для зоопарков, так и для диких животных и считаются безопасными и совместимыми со строгими соображениями благополучия животных. Кроме того, как в GAIA, так и в других исследовательских группах накоплен многолетний опыт и данные о влиянии меток и ошейников на соответствующие виды животных. Например, доказано, что мечение грифов не оказывает пагубного влияния на самочувствие, здоровье и размножение птиц. Оказалось, что грифы живут много лет с метками, имеют схожее поведение при передвижении и добыче пищи, а также потомство.

Партнерство GAIA с Берлинским зоопарком также подчеркивает задачи Инициативы в области коммуникации и передачи знаний в соответствии с целью 21 GBF "Обеспечить наличие и доступность знаний для руководства действиями по сохранению биоразнообразия". Эта область деятельности направлена не только на широкую общественность для повышения осведомленности о сохранении биоразнообразия и технологических инновациях, но и на лиц, принимающих политические решения на национальном и международном уровнях. GAIA активно консультирует политические круги в Германии и Намибии, а также участвует в Региональном форуме МСОП по сохранению биоразнообразия 2024 в Брюгге, Бельгия.

В рамках инициативы GAIA проводятся важные мероприятия по наращиванию потенциала, поскольку разработанная система раннего предупреждения внедряется на практике совместно с местными парками и властями во многих африканских странах, таких как Намибия, Мозамбик и Уганда. При внедрении системы обучается персонал парков, сотрудники соответствующих органов власти и министерств. Это включает в себя предоставление местным сообществам возможностей по ошейникованию, маркировке и отслеживанию с помощью системы GAIA, а также внедрение системы раннего оповещения с помощью специально разработанного фронтенда.

Кроме того, сотрудники GAIA активно обучают студентов различным дисциплинам и научным направлениям, чтобы поддержать новые технологии для охраны природы и науки о жизни. За последние 6 лет более 250 студентов успешно прошли обучение на курсах, проводимых сотрудниками GAIA в Университете Намибии по ветеринарии и биологии дикой природы с особым вниманием, например, к конфликтам между человеком и дикой природой, отслеживанию животных, а также поведению грифов, львов и гиен.

Как наращивание профессионального потенциала, так и обучение студентов направлены непосредственно на местные сообщества, чтобы они могли управлять системой раннего предупреждения GAIA, используя только местные знания и ресурсы. Этот блок ставит цель 20 GBF "Укрепление потенциала, передача технологий и научно-техническое сотрудничество в области биоразнообразия" в центр Инициативы GAIA, поскольку этот блок не является дополнением к научно-исследовательской части Инициативы, а является ключевым направлением деятельности с самого начала.