GAIA i³ 方法：创建生态系统破坏的人工智能预警系统

秃鹫是一种高智商鸟类，为生态系统提供重要的服务。然而，在过去几十年中，由于人为因素，旧世界秃鹫的数量急剧下降。需要制定有效的保护策略，以应对滥杀滥伤或食物来源枯竭等严重威胁。与此同时，人们对秃鹫的行为（包括社会交往）仍然知之甚少。利用高科技跟踪设备和基于人工智能的分析工具，GAIA 的目标是更好地了解秃鹫如何交流、互动、合作、觅食、繁殖和养育幼鸟。此外，GAIA 的科学家还研究白背秃鹫的社会觅食策略，以及食肉动物-清道夫-群体内部的信息传递。在动物王国中，各个类群的共同特点是不仅以个体的形式，而且以群体的形式寻找食物。动物们一起觅食，或者依靠其他个体的知识来寻找食物。这种所谓的社会性觅食可能会带来好处，例如找到的食物数量、可捕获猎物的大小或获取食物所需的时间。GAIA 研究了物种特有的行为和交流机制，以及对个体的激励、好处和可能的坏处。

通过进一步了解这些物种内部和物种之间的联系和互动，GAIA 还有助于更好地了解人类与野生动物冲突的根源（这往往与食肉动物的行为有关）以及物种管理。例如，在纳米比亚，对狮子群落的研究有助于了解它们的空间行为，减少与当地居民（如养牛人）的接触，从而管理人类与野生动物的冲突（全球生物多样性框架目标 4）。这些知识还被用来观察和可持续地管理当地的狮子种群，以造福人类（《全球生物多样性框架》目标 9），在减少冲突和旅游业之间取得平衡。

卫星和飞机在收集远距离环境数据方面发挥着至关重要的作用，帮助我们更好地了解气候和生态系统。遥感通常通过飞机、气球或卫星进行，使我们能够对大片区域和偏远地区进行长时间监测。这些 "天眼 "是对陆基观测的宝贵补充，帮助我们了解海洋和气流、土地覆盖变化和气候变化。然而，动物也拥有非凡的感官和探测栖息地变化的独特能力。通过将动物的能力与遥感技术结合起来，GAIA 的目标是提高我们监测和了解地球的能力。动物拥有超强的感官能力和行为策略，这使它们能够感知生态系统中细微和剧烈的变化，并能发现危急事件。例如，秃鹫作为 "哨兵物种"，可以将遥感概念提升到新的高度。它们经常在广阔的区域巡逻寻找食物，在没有排放物、额外资源或维修的情况下工作。此外，它们的巡逻以其卓越的视力和寻找尸体为使命。它们巡逻的方式、寻找的东西以及它们带领我们发现的事件可能与特定的环境变化和生态事件有关。

为了充分挖掘秃鹫遥感的潜力，GAIA 重点关注两个重要方面。首先，在秃鹫身上安装功能强大的跟踪装置，以便在详细的时间和空间范围内监测它们的行动和行为。其次，正在开发新的技术解决方案，以更好地了解动物的观察和行为。这包括新开发的摄像标签，其特点是集成了摄像头、用于行为检测和图像识别的人工智能算法，以及用于偏远地区实时覆盖的卫星上行链路。有了这些工具，动物可以更快地捕捉图像并提供周围环境的数据，其分辨率和特异性均高于卫星图像。这种创新方法使我们能够通过动物的眼睛观察自然。

GAIA 采取了尽量减少浪费的策略：只使用和开发绝对必要的技术设备。项圈和标签要么长期保留（如秃鹫），要么定期收集（如狮子）以提取数据。不在景观中保留发射器：如果发射器掉落或携带标签的动物死亡，就会被找到并从景观中移除。这样，GAIA 系统就是一个 "不留痕迹 "的系统，对生态系统有很大好处。

对于生态研究和 GAIA 使用案例来说，有必要在偏远荒野地区长期可靠、准确地识别不同动物物种的行为。为此，GAIA 的科学家们开发并训练了一种人工智能（AI），它可以根据 GPS 和加速度数据进行行为分类，并准确地告诉我们，例如，安装了动物标签的白背秃鹫在任何特定时间和地点正在做什么。这种人工智能最终将直接在 GAIA 动物标签上运行，并从传感器数据中生成行为信息。第二步，科学家们将由此分类的行为与来自标签的 GPS 数据相结合。利用空间聚类算法，他们确定了某些行为发生频率较高的地点。通过这种方法，他们获得了秃鹫进食的空间和时间精细分辨位置。最后但并非最不重要的一点是，GAIA 正在开发一种图像识别人工智能，用于分析新标签系统的集成摄像头拍摄的照片。所有这些算法都将直接在标签上运行，并能执行高效的嵌入式数据处理。这也对图像识别人工智能提出了非常特殊的要求，因为它必须以特别小的数据量运行。为此，GAIA 团队正在为稀疏人工智能开发适当的策略和模型。

这种新型尸体检测管道是阻止物种灭绝和管理人类与野生动物冲突的关键资产，因此符合 GBF 目标 4。该管道可迅速检测到秃鹫的死亡或秃鹫正在捕食的动物的死亡。这两种情况都与阻止物种灭绝有关：在秃鹫尸体上投毒是许多秃鹫物种数量减少的重要原因。由于秃鹫在寻找食物时采用社会策略，一具被毒死的尸体可以杀死数百只鸟。GAIA 计划的科学家们已经证明，给秃鹫贴上标签可以及早发现死亡的秃鹫，并将尸体移走。给秃鹫贴上标签并使用这里介绍的人工智能管道，可以大大减少进一步的死亡。其次，及早发现濒危物种的偷猎事件，可以在当地全面制止偷猎行为，为防止物种灭绝做出重大贡献。

为了实现 GAIA 计划的目标，开发并应用高科技环境变化预警系统，新一代动物标签是关键的组成部分。GAIA 团队正致力于微型动物标签的硬件和软件开发，该标签采用了带摄像头和图像处理功能的最低功耗传感器技术。这些标签将是能源自主的，最适合秃鹫的解剖结构，并且是正在开发的其他技术功能的基础，如用于行为检测和图像识别的板载人工智能以及基于卫星的物联网通信系统。

此外，GAIA 还在开发分布式人工智能和微处理器网络的概念，即像蜂群一样行动的动物标签。与自然界的蜂群智能类似，GAIA 计划正在绘制微处理器特设网络中的数字蜂群智能。这些自发形成的网络是分布式和基于传感器的海量数据分析的基础。沿着这条路走下去，秃鹫标签等就有可能在觅食活动期间出现在同一地点，相互连接并分担人工智能分析和数据传输等任务。

环境变化研究中所关注的相关生态过程和事件通常发生在陆地通信基础设施无法到达的偏远地区。在这些地区使用动物标签在野外生成的数据通常只能延迟数天甚至数周才能传输。为了克服这种延迟并确保预警系统不会出现延迟，GAIA 开发了一个用于标签的卫星通信模块以及一颗在低地球轨道（LEO）运行的超小型卫星：为了能够将收集到的数据和信息从发射节点直接传输到低地球轨道（LEO）卫星，新型标签中将集成一个高性能卫星物联网无线电模块。这将确保提取数据的即时、安全和节能传输。该通信系统以地面 mioty® 技术为基础，并将适应该项目的卫星典型频段，如 L 波段和 S 波段。物联网领域有时会用到典型的通信协议，这些协议通常是为小数据包设计的。因此，mioty® 系统的进一步开发还将致力于提高数据传输速率和信息大小，以实现图像传输等应用场景。

卫星物联网系统将是无延迟通信的关键，因此也是预警系统的关键。它极大地促进了 GAIA 系统实现 GBF 目标 4 "阻止物种灭绝、保护遗传多样性和管理人类与野生动物的冲突"。

世界各地的现代动物园和水族馆提供了独特的机会，在动物护理、物种保护和公众教育方面贡献了专业知识，为现代保护和科学研究奠定了坚实的基础。通过与这些机构密切合作，并利用它们生成的数据和见解，GAIA 计划旨在弥合原生境和非原生境保护工作之间的差距。人类照料下的动物可以作为了解物种的生物学、行为和对环境变化的反应的宝贵模型。此外，动物园的受控条件允许在更可预测和更方便的环境下开发和测试先进技术，如动物传感器和人工智能系统，然后再部署到野外。

该模块的重点领域包括

• 为传感器数据的人工智能管道开发生成参考和训练数据。通过在大型鸟舍中人工饲养的秃鹫身上部署标签并同时对其行为进行重新编码，我们能够为人工智能的训练创建一个配对数据集。 有了训练有素的人工智能，就不再需要观察动物来检测相关行为（如进食）；人工智能能够非常可靠地从传感器数据中预测行为，让我们深入了解目标动物的一生行为。
• 教育和公众参与：柏林动物园将 GAIA 的研究成果纳入其教育计划，并在媒体关系和公众宣传方面开展合作，提高公众对生物多样性保护和技术创新的认识和参与。向游客介绍最先进的工具及其对野生动物保护的影响。

GAIA 计划的一个主要目标是尽量减少对动物个体的影响，而且这种影响只能是绝对必要的。对于狮子和秃鹫，柏林动物园和柏林 Tierpark 都进行了广泛的测试程序（在德国动物测试和动物福利系统内）。兽医专家针对动物园动物和野生动物开发并测试了相关技术，这些技术被认为是安全的，并且符合严格的动物福利要求。此外，GAIA 内部和其他研究小组都有关于对相应物种进行标记和套圈的效果的长期经验和数据。例如，事实证明，给秃鹫贴标签不会对鸟类的福利、健康或繁殖产生任何不利影响。研究发现，秃鹫带着标签能活很多年，有相似的运动和觅食行为，还能生育后代。

GAIA与柏林动物园的合作也强调了该倡议在GBF目标21 "确保知识的可用性和可及性，以指导生物多样性行动 "意义上的交流和知识转让目标。这一领域的活动不仅针对广大公众，提高他们对生物多样性保护和技术创新的认识，而且还针对国家和国际层面的政治决策者。例如，GAIA 非常积极地与德国和纳米比亚的政治利益相关者进行磋商，并参加了在比利时布鲁日举行的世界自然保护联盟 2024 年地区保护论坛。

在纳米比亚、莫桑比克和乌干达等许多非洲国家，随着开发的预警系统与当地公园 和当局一起付诸实施，GAIA 行动采取了重要的能力建设措施。公园工作人员、相关当局和部委的官员在实施该系统的同时也接受了培训。这包括授权当地社区使用 GAIA 系统进行套圈、标记和跟踪，以及使用指定的前端实施预警管道。

此外，GAIA 工作人员还积极教育不同学科和研究领域的学生，为保护和生命科学领域的新技术提供支持。在过去 6 年中，250 多名学生成功参加了 GAIA 工作人员在纳米比亚大学开设的兽医科学和野生动物生物学课程，这些课程的重点是人类与野生动物冲突、动物追踪以及秃鹫、狮子和鬣狗行为等。

专业能力建设和学生培训都直接以当地社区为目标，使他们能够主要依靠当地知识和资源运行 GAIA 早期预警系统。这一组成部分将全球生物多样性框架目标 20 "加强生物多样性能力建设、技术转让和科技合作 "置于 GAIA 行动的核心位置，因为这一组成部分不是该行动研发部分的附加部分，而是从一开始就是一个关键的行动领域。