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数据与图像分析融合专家利用分析软件监测濒

2019-05-15 00:59:57来源:励志吧0次阅读

数据与图像分析融合 专家利用分析软件监测濒危野生动物

在大数据时代的今天,谈到数据分析的具体应用,上到搜寻马航MH370,下到探析东莞式服务产业链,就连两会代表也开始提出大数据的应用问题,数据分析真是不可谓无所不在。但这次要说的,恐怕却是大部分人都想不到的领域 保护濒危野生动物。

在人们以往的印象当中,动物保护工作一般都是工作人员携带着各种探测仪器,趴在草丛或是树荫下,远远地观察野生动物,以推测其生存现状,而这似乎与信息技术毫无关系。那么,数据分析究竟是如何与动物保护结缘的呢?动物专家们又是如何利用分析软件来进行工作的呢?这就不得不提到两位杰出的动物学家 Zoe Jewell与她的丈夫Sky Alibhai博士,以及他们共同创立的动物保护组织WildTrack。

WildTrack联合创始人及现任主席Zoe Jewell正在叙述其在津巴布韦的工作经历

世界范围内活跃着许多野生动物保护组织,其中一些由各国政府牵头创立,而另一些则完全是民间自发建立且非盈利性的机构,而WildTrack就属于后者之一。Jewell和 Alibhai分别拥有剑桥大学兽医硕士学位,以及牛津大学动物学哲学博士学位,两人长期致力于非侵入式野生动物监测研究,并利用他们创新的FIT,也就是FootprintIdentification Technique足迹识别技术,完成了许多具有相当难度的工作。

传统方法遭遇难题

要想了解什么是FIT技术,就必须要先谈一谈两位动物学家的经历。几年前,Jewell和Alibhai曾在非洲南部国家津巴布韦的一处国家公园内从事稀有动物的监测工作。按照传统作法,他们需要在犀牛等濒危动物的脖子上戴上特制的无线电项圈,这些项圈可以实时监控动物个体的情况并将相关数据发送回WildTrack的信息系统。

然而经过一段时间的观察后,Jewell和 Alibhai发现无线电项圈的使用引发了很多问题。受无线电信号的影响,雌性动物的受孕率开始下降。不仅如此,动物个体在成年之前,甚至是季节变换之际,其体型与体重都会发生变化,因此项圈就可能变成其变化的束缚,时间一长还会导致其颈部皮肤破损,造成直接伤害。

WildTrack联合创始人Sky Alibhai博士在认真聆听提问

无线电技术的使用对于工作人员来说同样需要小心,他们往往要冒着生命危险给动物们戴上项圈,而这些价格昂贵的项圈却只能在开阔无遮挡的地带才能正常发送信号,树林和山丘都会影响无线电信号的传输。另外有些项圈还可能会随着动物的运动而损坏或是脱落,设备的回收工作更是一大难题。Jewell和Alibhai为此头疼不已,其工作也越来越难开展下去。

数据分析图像化

传统动物监测方法的成本以及对动物的直接伤害问题让WildTrack重新思考保护工作的方法,于是Jewell和 Alibhai开始求助于非洲当地猎人。要知道这些猎人没有无线电和计算机,却同样能依靠其追踪术知晓动物的位置与情况。然而猎人却反问, 何必要用什么无线电?低头看看地上就一目了然了。 原来猎人们所指的正是动物的脚印。

从此,Jewell和Alibhai转变了思路。大量的脚印无法快速的依靠人力来进行分析与整理,他们开始尝试在工作中引入数据分析的方法,来进行动物的足迹追踪工作。在偶然的机会下,他们接触到了JMP软件。当时的JMP软件功能还十分简单,但其独特之处在于它拥有自己的脚本语言 JSL(JMP Script Language),在使用时不会像其他编程语言那样涉及到过多原理性的内容,即使是非技术人员也能熟练操作。Jewell 认为,JMP的另一个优势就是其强大的图形化与可视化能力,进一步提升了软件的易用性,这让动物保护组织的工作人员在不需要学习统计学理论的情况下就能使用该软件。

据Alibhai介绍,WildTrack在初试足迹识别技术时遇到了很多困难。初只能使用普通的数码照相机进行拍摄,对动物足迹进行取样,照片的清晰度将直接影响取样效果。而接下来,他们还需要建立一套统计模型,以分辨不同个体动物的脚印,并判断出性别甚至是年龄。但当时的JMP软件却没有这些功能。

WildTrack定制的FIT应用初始界面,选定的动物种类是东北虎,另外可直接选择图象特征提取、同组对比数据分析、验证判别分析、绘图等处理功能

WildTrack的办公地点在美国北卡罗来纳州,与SAS软件离得非常近。于是,Jewell和Alibhai与SAS软件联合创始人兼JMP软件的创始人John Sall进行了积极沟通,并终说服了John Sall将图形与图像分析技术引入到数据统计分析领域中,以帮助像WildTrack这样的动物保护组织来分析动物足迹中的那些规律性的差别。而这正是动物足迹识别技术FIT的起源。

从IT角度来说,FIT应用实际上是基于JMP软件而开发出来的工具包。对于动物保护组织的工程师、科学家,或者是其他任何数据分析员来说,只需要将工具包按照自己所需要的工作顺序与逻辑排列整理好即可。这样在进行现场分析与调查的时候,就能够直接进行调用。

利用FIT足迹识别技术,WildTrack现在已经可以通过对一串脚印的分析,判断其是何种动物,以及在这一区域内的种群数量、性别分布以及年龄等信息,为接下来的动物保护与调查工作提供极其关键的基础数据,同时也影响着这一区域的动物保护策略。

Sky Alibhai博士正在讲解FIT应用分析东北虎足迹图像特征时的工作原理

FIT足迹识别技术初显功效

不久前,正是由于足迹识别技术所取得的成就,使得国家林业局猫科动物研究中心常务副主任姜广顺教授也开始注意到了WildTrack。

姜广顺同时也是东北林业大学野生动物资源学院的教授,他们面对的问题是,无法确定大兴安岭、小兴安岭地区野生东北虎的活动范围、总数量以及性别比例情况。姜广顺教授曾尝试过粪便检测、自动摄像机检测、DNA分析等方法,但均没有取得突破性进展。由此便由SAS公司牵头,促成了国家林业局猫科动物研究中心与WildTrack之间的非盈利性合作。

WildTrack通过对姜广顺教授所提供的东北虎足迹图片进行分析,而得出了数量、性别比例等关键数据,并为接下来的东北虎保护工作提供了依据。之后,双方还共同开展了对于东北豹、大熊猫的调查与保护工作。中国政府的大力投入与支持,让Jewell和Alibhai感到有些意外的高兴,这也让双方的合作更加顺利。

据Alibhai透露,WildTrack在全世界范围内参与了很多动物的保护工作,包括黑犀牛、白犀牛、猎豹、非洲大象、犰狳,北极熊等等,而现在中国的大熊猫与东北虎也进入了WildTrack的保护范围内。

WildTrack数据库中经过图像处理的卧龙山自然保护区野生大熊猫的足迹样本

Jewell认为,取得这些成就离不开当地高等院校与政府的支持,比如美国杜克大学以及中科院、北京大学、东北林业大学等等,再加上来自JMP软件的技术支持,使得全球性的动物保护工作在经验、资源、技术能力上都得到了强有力的支撑。而Jewell和Alibhai也仍将对FIT足迹识别技术进行持续不断的完善与改进,以帮助更多像WildTrack一样的动物保护组织免费使用,以更好地开展工作。

对于足迹识别技术,Jewell表示未来其很可能还将用于其他领域,比如医疗、刑侦、军用等等。杜克大学已经开展了一系列相关实验工作,其中一项正是通过监测早产儿的脚印,以了解其身体状况的变化,并采取相应的保护措施。相信这种先进而易用的FIT足迹识别技术一定能够在更多的行业内造福人类与整个社会。

蒋诗婵

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