电气工程师创建无标签追踪大象的人工智能系统

科学家和工程师一直在使用人工智能（AI）和传感器等技术来应对全球环境危机，例如实时监测环境和濒危物种。

塔夫茨大学教授、美国国家发明家学会成员、IEEE研究员Karen Panetta博士最近开发了一种基于无人机和人工智能的工具，可以帮助保护野生濒危大象。

 

Karen Panetta在《美国国家空天技术倡议》会议上就下一代创新小组发表讲话。图片由NAI提供

 

帕内塔博士的技术有助于保护三种幸存大象的健康：非洲丛林或草原象（Loxodonta Africana）、非洲森林象（Loxodonta Cyclotis）和亚洲象（Elaphas Maximus）。由于象牙偷猎和自然栖息地的急剧枯竭，这些物种现在被认为是濒危物种。

 

结合无人机、传感器和人工智能

帕内塔博士的系统采用了一种机器学习算法来分析无人机拍摄的图像。这种算法的独特之处在于，它使用地面上大象阴影的形状来识别野外的动物。这些大象可以在不侵犯其自然栖息地的情况下被远距离跟踪和监测。

帕内塔博士说：“大多数人工智能系统都是用手工制作/注释的数据集训练的，这些数据集不能代表现实世界。”。“例如，大象的照片是从大象的脸上或侧面拍摄的。使用无人机时，角度是从顶部，俯瞰动物。大多数白天的图像也是从上方拍摄的，在动物周围产生阴影。使用这些图像的传统Al模型会惨败，因为它们没有经过这些场景的训练。从来没有人考虑过检测或训练人工智能根据其投射的阴影来识别动物物种。”

 

帕内塔博士的识别和跟踪技术背后的流程。图像由Panetta可视化、传感和模拟实验室提供

 

另一个挑战是，大象倾向于将无人机的声音与蜜蜂联系在一起，这样它们在蜜蜂面前就会变得烦躁不安。

帕内塔博士说：“我们需要找到一种不会改变大象自然行为的无压力方法。”。“最终，我们采取了‘不伤害’的方法，这意味着不给动物贴标签，只使用传感器在白天和晚上的安全距离内捕捉图像。”

 

从Afar安全监测大象

监测濒危大象最常见的方法是贴上电子标签。要做到这一点，必须给动物注射镇静剂，这可能会损害它们的健康，同时也会给干预的兽医带来风险。

帕内塔博士解释道：“我的团队使用人工智能识别动物个体，并使用无人机技术，使用不同类型的传感器，如热像仪和常规RGB相机，在低照度下捕捉图像。”。

帕内塔博士的系统比标记方法安全得多，因为它将人与动物的直接互动限制在严格必要的时候。可以使用无人机收集的图像和帕内塔实验室创建的其他技术来仔细检查大象的健康状况。例如，一系列“超分辨率算法”允许用户放大大象并仔细检查它们，以检测寄生虫、伤口，甚至牙齿问题。

 

帕内塔博士的技术使研究人员能够从远处追踪野生大象。使用的图像由帕内塔可视化、传感和模拟实验室提供

 

在与大象保护主义者交谈时，帕内塔博士意识到早期识别偷猎者等潜在威胁的重要性。

帕内塔博士说：“一旦卡车/持枪人员到达大象身边，就不足以让保护护林员做出反应，因为他们需要长途跋涉才能到达现场。”。“在偏远地区识别卡车/人比探测大象更容易，因此在周围地区巡逻无人机可以提供早期预警。此外，偷猎者看到无人机时会尽量避免在巡逻区被看到，这就是为什么夜视/热传感器操作如此重要的原因。”

 

动物保护的新途径

虽然帕内塔博士的系统最初是为了追踪大象而设计的，但它可以很容易地用于保护其他物种。在系统错误地将犀牛归类为大象后，帕内塔博士在最初的评估中无意中意识到了这一点。

帕内塔博士指出：“护林员对此感到非常兴奋，因为犀牛也处于濒危状态，需要保护。”。“最近，我们还将这项技术应用于美国的白尾鹿保护，因为在美国，鹿会造成作物损失和莱姆病。”

在美国，鹿在一些地区数量过多，最终会饿死，尤其是当它们的繁殖几乎无法控制，捕食者也无法控制它们的数量时。在这些区域进行干预的研究人员通常会给动物注射镇静剂，检查它们是否患有莱姆病，测量它们，并给它们贴上标签。

帕内塔博士说：“我们通过使用姿势估计技术来确定鹿的所有尺寸，从而推进了这项工作。”。“对我们来说，在不同的场景中有效地检测同一只动物很重要，即使标签不可见。有趣的是，当我们尝试使用面部识别工具进行检测时，我们大多在动作捕捉相机中看到鹿的背部，所以我现在开玩笑说要开发世界上第一个‘屁股’识别系统。”

 

自然保护主义者的“人工智能之眼”

帕内塔博士的技术已经被证明在监测野生动物物种的活动和健康方面非常有前景。虽然它主要用于追踪濒危大象，但很快可能会应用于其他环境问题。

“我们收集的数据可以向政府和公众通报环境问题，并有助于积极开展保护工作。它还可以揭示社区面临的压力，如大象破坏作物，以及缓解这些挑战的方法，为农民提供杀死动物的替代品。”

帕内塔博士的技术很快将被非洲和亚洲的自然资源保护主义者用来追踪濒危大象，保护它们免受环境威胁，在安全距离内评估它们的健康状况，并更多地了解它们的行为。

帕内塔博士补充道：“人工智能还可以帮助识别动物的具体动作，并减少与各种视频分析相关的成本和劳动力，在视频分析中，人类必须观看整个视频或监控实时视频/图像。”。“人工智能可以为我们监视。这就是为什么我经常说我们的系统是‘人工智能中的眼睛’。”

 

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关于Karen Panetta博士

Karen Panetta博士是塔夫茨大学的电气工程教授、美国国家发明家学会（NAI）成员和IEEE研究员。帕内塔博士拥有理学学士学位。波士顿大学计算机工程专业和理学硕士。和博士学位。东北大学电气工程专业。

在学习期间，她在马萨诸塞州的数字设备公司担任计算机架构师，在那里她共同发明了第一个完整的数字双胞胎。她于1994年加入塔夫茨公司，成为该部门第一位获得终身教职的女性。最近，她与塔夫茨-卡明斯兽医学院合作，为濒危大象创建了一个无创跟踪和监测系统。