精準識別入侵物種，AI構筑南水北調生態(tài)安全新防線(xiàn) | 創(chuàng )新場(chǎng)景
2024年，是南水北調中線(xiàn)工程全線(xiàn)通水10周年。作為解決我國北方地區水資源短缺問(wèn)題而實(shí)施的一項重大水利工程，“南水北調”有著(zhù)極其重要的戰略意義。截止今年3月份的數據，南水北調東、中線(xiàn)一期工程累計調水700億立方米，受益人口1.76億人。
但從整體來(lái)看，作為世界上規模最大、?技術(shù)最復雜、?難度最大的水利工程之一，南水北調工程并非一帆風(fēng)順，它面臨著(zhù)來(lái)自技術(shù)、生態(tài)環(huán)境等多方面的嚴峻挑戰。特別是在調水體交換頻繁的調水工程沿線(xiàn)，生物入侵問(wèn)題也成為了不可忽視的重要研究課題。
那么，AI技術(shù)是否能夠在這一領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，助力更快監測“南方水生動(dòng)植物的向北輸送”？隨著(zhù)技術(shù)手段的不斷升級，業(yè)界科創(chuàng )團隊已經(jīng)開(kāi)始嘗試。不久前，從第四屆Light技術(shù)公益創(chuàng )造營(yíng)的1079支隊伍中脫穎而出，不愛(ài)吃魚(yú)”團隊以“清流智控——AI魚(yú)閘守護南水北調生態(tài)安全新防線(xiàn)項目”入選“生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域優(yōu)勝項目”。
場(chǎng)景痛點(diǎn)：生物入侵發(fā)現滯后，治理成本高企
研究表明，以南水北調東線(xiàn)工程為例，過(guò)去30年間，幾乎所有維度的魚(yú)類(lèi)多樣性指數均呈下降趨勢。喜流水性魚(yú)類(lèi)和魚(yú)食性魚(yú)類(lèi)分別減少了50%和36%，樣本湖泊中的魚(yú)類(lèi)群落逐漸趨于同質(zhì)化。而更為嚴重的是，通過(guò)對比分析歷史文獻資料發(fā)現，長(cháng)江河口性物種沙蠶類(lèi)和擬背尾水虱等甲殼類(lèi)均在調水沿線(xiàn)水體有所發(fā)現，部分物種在調水湖泊中已發(fā)展為優(yōu)勢物種。這無(wú)疑為我們敲響了生態(tài)安全的警鐘。
水利部發(fā)展研究中心也曾刊文指出水生態(tài)安全風(fēng)險的重要性，并建議加強南水北調輸水水生生物的生態(tài)特征研究及長(cháng)期監測分析。然而眾所周知，生物入侵一旦發(fā)生，再行干預將付出沉重的環(huán)境代價(jià)和治理成本。生物入侵、特別是魚(yú)類(lèi)的入侵，不僅會(huì )改變原有的食物網(wǎng)結構，來(lái)?yè)屨己蛿D壓水域內的原有生物，它還可能會(huì )改變水域內的溫度和溶氧量，然后會(huì )影響土著(zhù)生物的棲息環(huán)境，同時(shí)還可能會(huì )攜帶病原體傳播疾病。
因此，如何提前發(fā)現生物入侵、在問(wèn)題被放大前及時(shí)止損成為了我們亟待解決的難題。而“不愛(ài)吃魚(yú)”團隊提出的解決方案正是針對這一痛點(diǎn)而設計的。
“流域途中設置監測點(diǎn)，精準識別入侵物種。對于存在入侵風(fēng)險的生物，通過(guò)實(shí)時(shí)預警和機械匝道攔截，阻止其進(jìn)入下一水域。”這是不愛(ài)吃魚(yú)團隊為將生物入侵發(fā)現前置提出的解決方案。
據介紹，在技術(shù)實(shí)現上，該團隊研發(fā)了一款專(zhuān)為守護南水北調生態(tài)安全的新型防線(xiàn)裝置，該裝置利用深海相機和聲納系統采集數據，并通過(guò)目標檢測、識別網(wǎng)絡(luò )、YOLO模型精準識別入侵物種。
技術(shù)難點(diǎn)：水下環(huán)境復雜，生物入侵識別難度加大
不愛(ài)吃魚(yú)團隊提出的方案旨在將生物入侵發(fā)現前置，從而在問(wèn)題爆發(fā)前進(jìn)行有效攔截和處置。然而，方案的具體實(shí)施并非易事，不愛(ài)吃魚(yú)團隊也的確遇到了一些技術(shù)難題。其中最為突出的問(wèn)題出現在了“識別技術(shù)”的優(yōu)化上，原因在于，由于水下的環(huán)境過(guò)于復雜，光照條件差，水質(zhì)渾濁等因素，導致圖像質(zhì)量差，增加了生物入侵的識別難度。
為此，不愛(ài)吃魚(yú)團隊不斷優(yōu)化YOLO識別模型，通過(guò)遷移學(xué)習和數據增強技術(shù)，提升模型在復雜水環(huán)境中的魯棒性和準確性，對原始圖像進(jìn)行一系列變換，并添加水下模糊和噪聲效果，來(lái)擴充訓練數據集，提高模型識別能力。”
該團隊也在方案中融入了多模態(tài)數據，結合聲納數據和圖數像據提高識別的精度和可靠性。目前還繼續進(jìn)行進(jìn)一步的訓練來(lái)保證訓練環(huán)境和部署環(huán)境的一致性。
此外，馬子偉告訴鈦媒體App，團隊遇到的第二個(gè)難題是“實(shí)時(shí)數據的采集與處理”。從數據計算的角度來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)采集和處理大量的數據需要高效的數據傳輸和處理能力，但現實(shí)情況是，在南水北調沿線(xiàn)，這些地區的網(wǎng)速無(wú)法得到有效保證，網(wǎng)絡(luò )延遲較高。方案的落地，需要減少對低延遲、高帶寬的需求。
“主要采取了邊緣計算和分布式處理兩個(gè)方法，第一個(gè)邊緣計算是在檢測點(diǎn)部署邊緣計算設備，進(jìn)行實(shí)時(shí)數據處理和分析，這樣來(lái)減少數據傳輸的延時(shí)；第二個(gè)采取分布式處理技術(shù)，將數據處理技術(shù)分散到多個(gè)節點(diǎn)，提高系統的處理效率和容錯能力。”馬子偉表示。
成效：成本減三倍，生物入侵識別準確率逼近95%
在項目實(shí)施初期，受限于測試集數據的規模，團隊收集大概十幾個(gè)魚(yú)種上千張圖片進(jìn)行訓練，測試準確率可以穩定在80%-90%。按照規劃，在項目進(jìn)行的第四個(gè)月到第六個(gè)月，系統識別可以達到95%以上。
在成本上，這套南水北調生態(tài)安全的新型防線(xiàn)裝置整體下來(lái)包括訓練模型、安裝等價(jià)格為10萬(wàn)。相對于傳統的“亡羊補牢”式的補救方案，該套創(chuàng )新裝置在成本控制上實(shí)現了極大提升。“據我們估算，生物入侵在南水北調途中發(fā)生的概率大概可以達到10%左右，也就是說(shuō)應該可以把年成本降低至少3倍，我們相當于預防針作用。”馬子偉介紹。
然而，生物入侵早期預警的價(jià)值，遠非可以用簡(jiǎn)單的成本縮減來(lái)衡量。及時(shí)阻斷入侵，其最大價(jià)值在于保護生態(tài)環(huán)境免遭破壞。因為一旦外來(lái)物種入侵并肆意繁衍，將對本土生態(tài)系統造成難以逆轉的破壞，修復之路將漫長(cháng)。而這套方案，通過(guò)提升入侵防御的響應速度與精準度，能夠有效遏制生物入侵。
馬子偉還透露，目前團隊的樣本采集工作主要聚焦于魚(yú)類(lèi)，未來(lái)計劃將可識別物種的多樣性進(jìn)一步拓展，以應對更廣泛的生態(tài)挑戰。（本文首發(fā)鈦媒體APP 作者 |秦聰慧）?
