Sara Beery kam als Assistenzprofessorin in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik (EECS) des MIT -Abteilung für Elektro- und Informatik (EECS) bestrebt, sich auf ökologische Herausforderungen zu konzentrieren. Sie hat ihre Forschungskarriere auf die Gelegenheit geschaffen, ihr Fachwissen in Bezug auf Computervision, maschinelles Lernen und Datenwissenschaft anzuwenden, um reale Probleme in Bezug auf Naturschutz und Nachhaltigkeit anzugehen. BEERY wurde von der Verpflichtung des Instituts für „Laptop für den Planeten“ angezogen und setzte sich vor, um ihre Methoden für die Überwachung der Umwelt- und Biodiversität zu bringen.
Im pazifischen Nordwesten haben Lachs einen unverhältnismäßigen Einfluss auf die Gesundheit ihrer Ökosysteme, und ihre komplexen reproduktiven Bedürfnisse haben die Aufmerksamkeit der Beery auf sich gezogen. Jedes Jahr begeben sich Millionen von Lachs auf eine Migration, um zu laichen. Ihre Reise beginnt in Süßwasserströmenbetten, in denen die Eier schlüpfen. Der junge Lachsbraten (neu geschlüpfter Lachs) macht sich auf den Weg zum Ozean, wo sie mehrere Jahre bis zum Erwachsenenalter reißen. Als Erwachsene kehrt der Lachs in die Bäche zurück, in denen sie geboren wurden, um zu laichen, und stellt die Fortsetzung ihrer Arten durch, indem sie ihre Eier im Kies der Bachbetten hinterlegt. Sowohl der männliche als auch der weibliche Lachs sterben kurz nach der Versorgung des Flussraums mit der nächsten Technology von Lachs.
Während ihrer Migration unterstützt Lachs eine breite Palette von Organismen in den Ökosystemen, die sie durchlaufen. Zum Beispiel bringen Lachs Nährstoffe wie Kohlenstoff und Stickstoff aus dem Ozeanauflauf und verbessert ihre Verfügbarkeit für diese Ökosysteme. Darüber hinaus sind Lachs von entscheidender Bedeutung für viele Raubtier-Brey-Beziehungen: Sie dienen als Nahrungsquelle für verschiedene Raubtiere wie Bären, Wölfe und Vögel und helfen dabei, andere Populationen wie Insekten durch Raubtiere zu kontrollieren. Nachdem sie am Laichen gestorben sind, füllen die Zersetzungslachskadaver auch wertvolle Nährstoffe in das umgebende Ökosystem auf. Die Migration von Lachs unterstützt nicht nur ihre eigene Spezies, sondern spielt eine entscheidende Rolle bei der allgemeinen Gesundheit der Flüsse und Ozeane, in denen sie leben.
Gleichzeitig spielen Lachspopulationen in der Area wirtschaftlich und kulturell eine wichtige Rolle. Kommerzielle und Freizeitlachsfischerei tragen erheblich zur lokalen Wirtschaft bei. Und für viele indigene Völker im pazifischen Nordwesten haben Lachs einen bemerkenswerten kulturellen Wert, da sie für ihre Ernährung, Traditionen und Zeremonien von zentraler Bedeutung waren.
Überwachung der Lachsmigration
Eine erhöhte menschliche Aktivität, einschließlich Überfischung und Wasserkraftentwicklung, zusammen mit dem Verlust von Lebensräumen und dem Klimawandel, hat einen signifikanten Einfluss auf die Lachspopulationen in der Area. Infolgedessen ist eine effektive Überwachung und Behandlung von Lachsfischerei wichtig, um das Gleichgewicht zwischen konkurrierenden ökologischen, kulturellen und menschlichen Interessen sicherzustellen. Das genaue Zählen von Lachs während ihrer saisonalen Migration zu ihrem Natal River, um zu laichen, ist unerlässlich, um bedrohte Bevölkerungsgruppen zu verfolgen, den Erfolg von Erholungsstrategien zu bewerten, die Fischereivorschriften zu leiten und die Verwaltung sowohl kommerzieller als auch Freizeitfischerei zu unterstützen. Präzise Bevölkerungsdaten helfen Entscheidungsträgern, die besten Strategien zu verwenden, um die Gesundheit des Ökosystems zu schützen und gleichzeitig den menschlichen Bedürfnissen gerecht zu werden. Die Überwachung der Lachsmigration ist ein arbeitsintensives und ineffizientes Unterfangen.
Beery leitet derzeit ein Forschungsprojekt, das darauf abzielt, die Lachsüberwachung mithilfe modernster Laptop-Imaginative and prescient-Methoden zu rationalisieren. Dieses Projekt passt zu dem breiteren Forschungsinteresse von Beery, das sich auf den interdisziplinären Raum zwischen künstlicher Intelligenz, natürlicher Welt und Nachhaltigkeit konzentriert. Seine Relevanz für das Fischereimanagement machte es zu einer guten Finanzierung des Abdul Latif Jameel Water and Meals Programs Lab (J-WAFS) von MIT. Beery’s 2023 J-WAFS Seed Grant warfare die erste Forschungsfinanzierung, die sie seit seinem Beitritt zur MIT-Fakultät erhielt.
In der Vergangenheit stützten sich die Überwachungsbemühungen auf den Menschen, Lachs aus Sehvermögen manuell aus Flussufern zu zählen. In den letzten Jahrzehnten wurden Unterwasser -Sonarsysteme implementiert, um den Lachs zu zählen. Diese Sonarsysteme sind im Wesentlichen Unterwasservideokameras, unterscheiden sich jedoch darin, dass sie Akustik anstelle von Lichtsensoren verwenden, um das Vorhandensein eines Fisches zu erfassen. Die Verwendung dieser Methode erfordert, dass Menschen neben dem Fluss ein Zelt aufbauen, um Lachs basierend auf der Ausgabe einer Sonarkamera zu zählen, die an einen Laptop computer angeschlossen ist. Während dieses System eine Verbesserung der ursprünglichen Methode zur Überwachung von Lachs durch Sehvermögen ist, hängt es immer noch erheblich auf den menschlichen Anstrengung ab und ist ein mühsamer und zeitaufwändiger Prozess.
Die Automatisierung der Lachsüberwachung ist für eine bessere Behandlung der Lachsfischerei erforderlich. „Wir brauchen diese technologischen Werkzeuge“, sagt Beery. „Wir können nicht mit der Nachfrage nach Überwachung und Verständnis und Untersuchung dieser wirklich komplexen Ökosysteme Schritt halten, in denen wir ohne irgendeine Type von Automatisierung arbeiten.“
Um die Zählung migrierender Lachspopulationen im pazifischen Nordwesten zu automatisieren, sammelte das Projektteam, darunter Justin Kay, ein Doktorand in EECs, Daten in Type von Movies von Sonarkameras in verschiedenen Flüssen. Das Group kommentiert eine Untergruppe der Daten, um das Laptop -Imaginative and prescient -System zu schulen, um den Fisch beim Migrieren autonom zu erkennen und zu zählen. Kay beschreibt den Prozess, wie das Modell jeden migrierenden Fisch zählt: „Der Laptop -Imaginative and prescient -Algorithmus ist so konzipiert, dass er einen Fisch im Rahmen lokalisiert, eine Schachtel um sie herum zeichnet und ihn dann im Laufe der Zeit verfolgt. Wenn auf einer Seite des Bildschirms ein Fisch erkannt wird und auf der anderen Seite des Bildschirms blätter, zählen wir ihn als sich stromaufwärts. “ Auf Flüssen, in denen das Group Trainingsdaten für das System erstellt hat, hat es starke Ergebnisse erzielt, wobei nur 3 bis 5 Prozent Zählfehler. Dies liegt deutlich unter dem Ziel, das das Group und die Partnerschafts -Stakeholder nicht mehr als einen 10 -prozentigen Zählfehler festlegen.
Testen und Bereitstellungen: Ausgleichung des menschlichen Anstrengs und der Verwendung von Automatisierung ausgleichen
Die Technologie der Forscher wird eingesetzt, um die Migration von Lachs auf den neu restaurierten Klamath River zu überwachen. Vor kurzem wurden vier Dämme am Fluss abgerissen, was es zum größten Dammentfernungsprojekt in der Geschichte der US -Geschichte warfare. Die Dämme fielen nach einer mehr als 20-jährigen Kampagne zur Entfernung von Klamath-Stämmen in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern, Umweltorganisationen und kommerziellen Fischern zurück. Nach der Entfernung der Dämme fließen 240 Meilen des Flusses jetzt frei und quick 800 Quadratmeilen Lebensraum für Lachs. Beery merkt auf die quick unmittelbare Regeneration der Lachspopulationen im Klamath River: „Ich glaube, es warfare innerhalb von acht Tagen nach dem Herunter der Damm, sie sahen, wie Lachs tatsächlich über den Damm wanderte.“ In einer Zusammenarbeit mit California Trout verarbeitet das Group derzeit neue Daten, um ein maßgeschneidertes Modell anzupassen und zu erstellen, das dann bereitgestellt werden kann, um den neu migrierenden Lachs zu zählen.
Eine Herausforderung mit dem System dreht sich um das Coaching des Modells, um die Fische in unbekannten Umgebungen mit Variationen wie Flussmerkmalen, Wasserklarheit und Beleuchtungsbedingungen genau zu zählen. Diese Faktoren können erheblich verändern, wie die Fische auf der Ausgabe einer Sonarkamera auftreten und das Computermodell verwirren. Bei der Bereitstellung in neuen Flüssen, in denen zuvor noch keine Daten gesammelt wurden, wie der Klamath, steigt die Leistung des Programs und die Fehlerquote erheblich auf 15 bis 20 Prozent.
Die Forscher konstruierten einen automatischen Anpassungsalgorithmus innerhalb des Programs, um diese Herausforderung zu überwinden und ein skalierbares System zu erstellen, das ohne menschliche Intervention an jedem Standort bereitgestellt werden kann. Diese selbstinitialisierende Technologie kalibriert automatisch die neuen Bedingungen und die Umwelt, um die wandernden Fische genau zu zählen. Beim Testen konnte der automatische Anpassungsalgorithmus den Zählfehler auf den Bereich von 10 bis 15 Prozent reduzieren. Die Verbesserung des Zählensfehlers mit der Selbstinitialisierungsfunktion bedeutet, dass die Technologie näher daran ist, an neuen Standorten ohne viel zusätzliche menschliche Anstrengung eingesetzt zu werden.
Aktivieren Sie das Echtzeit-Administration mit der „Fishbox“
Eine weitere Herausforderung für das Forschungsteam warfare die Entwicklung einer effizienten Dateninfrastruktur. Um das Laptop -Imaginative and prescient -System auszuführen, muss das von Sonarkameras produzierte Video über die Cloud oder durch manuelles Versenden von Festplatten von einem Flussort zum Labor geliefert werden. Diese Methoden haben bemerkenswerte Nachteile: Ein Cloud-basierter Ansatz ist aufgrund mangelnder Internetverbindung an den Standorten abgelegener Flussgebieten begrenzt, und die Daten führt zu Verzögerungsproblemen.
Anstatt sich auf diese Methoden zu verlassen, hat das Group einen leistungsstärkeren Laptop implementiert, der die „Fishbox“ geprägt hat, die vor Ort zur Durchführung der Verarbeitung verwendet werden kann. Die Fischbox besteht aus einem kleinen, leichten Laptop mit optimierter Software program, die Fischereimanager an ihre vorhandenen Laptops und Sonarkameras anschließen können. Das System ist dann in der Lage, Lachszählmodelle direkt an den Sonar -Web sites auszuführen, ohne dass Web -Konnektivität erforderlich ist. Auf diese Weise können Supervisor stundenweise Entscheidungen treffen und mehr reaktionsschnelles Echtzeitmanagement von Lachspopulationen unterstützen.
Gemeinschaftsentwicklung
Das Group arbeitet auch daran, eine Gemeinschaft über die Überwachung des Lachsfischereimanagements im pazifischen Nordwesten zusammenzubringen. „Es ist einfach ziemlich aufregend, Stakeholder zu haben, die begeistert sind, Zugang zu (unsere Technologie) zu erhalten, wenn wir es zum Laufen bringen und eine engere Integration und Zusammenarbeit mit ihnen haben“, sagt Beery. „Ich denke, besonders wenn Sie an Lebensmittel- und Wassersystemen arbeiten, benötigen Sie direkte Zusammenarbeit, um die Auswirkungen zu erleichtern, da Sie sicherstellen, dass das, was Sie entwickeln, tatsächlich den Bedürfnissen der Menschen und Organisationen erfüllen, die Sie unterstützen. ”
Im vergangenen Juni organisierte das Labor von Beery einen Workshop in Seattle, der nichtstaatliche Organisationen, Stämme sowie staatliche und föderale Abteilungen von Fisch und Wildtieren einberufen hat, um die Verwendung automatisierter Sonarsysteme zur Überwachung und Verwaltung von Lachspopulationen zu erörtern. Kay merkt an, dass der Workshop eine „großartige Gelegenheit hat, dass alle verschiedene Möglichkeiten teilen, wie sie Sonar verwenden und darüber nachdenken, wie die automatisierten Methoden, die wir aufbauen, in diesen Workflow passen könnten.“ Die Diskussion wird nun über einen gemeinsamen Slack -Kanal fortgesetzt, der vom Group mit über 50 Teilnehmern erstellt wurde. Die Einberufung dieser Gruppe ist eine bedeutende Leistung, da viele dieser Organisationen sonst keine Gelegenheit gehabt hätten, zusammenzukommen und zusammenzuarbeiten.
Ich freue mich auf
Während das Group weiterhin das Laptop -Imaginative and prescient -System einstellt, seine Technologie verfeinert und sich mit verschiedenen Stakeholdern befasst – von einheimischen Gemeinden bis hin zu Fischereimanagern – ist das Projekt bereit, die Effizienz und Genauigkeit der Lachsüberwachung und -management in der Area erheblich zu verbessern. Und als Beery die Arbeit ihrer MIT-Gruppe fördert, hilft das J-WAFS-Seed-Stipendium dazu, Herausforderungen wie die Fischereimanagement im Visier zu halten.
„Die Tatsache, dass das J-WAFS-Seed-Stipendium hier bei MIT existierte, ermöglichte es uns, weiterhin an diesem Projekt zu arbeiten, als wir hierher zogen Was ich denke, ist ein wirklich wichtiges und wirkungsvolles Projekt. “
Da J-WAFS in diesem Jahr sein 10-jähriges Jubiläum feiert, zielt das Programm darauf ab, die MIT-Fakultät weiterhin zu unterstützen und zu ermutigen, revolutionary Projekte zu verfolgen, die das Wissen vorantreiben und praktische Lösungen mit realen Auswirkungen auf die Herausforderungen des globalen Wasser- und Lebensmittelsystems schaffen.