AI wkroczyła do parku Serengeti. I wyprowadziła nas z błędu

Wielka Migracja to coroczny ruch gnu, zebr i antylop między żerowiskami i miejscami rozrodu w Kenii i Tanzanii, pod czujnym okiem lwów, krokodyli i hien. Od lat w przewodnikach i raportach powtarza się liczba 1,3 mln osobników gnu, które migrują wraz ze zmianą pory deszczowej. Ale czy to prawda?
Zespół badaczy kierowany przez Islę Duporge z University of Oxford proponuje znacznie niższy, niezależny szacunek. Właśnie opublikowali w PNAS Nexus pierwsze wyniki z pomiarów przeprowadzonych w trakcie dwóch sezonów, z wykorzystaniem algorytmów głębokiego uczenia do liczenia zwierząt na zdjęciach satelitarnych o bardzo wysokiej rozdzielczości.

„Automatyzacja badań za pomocą AI daje nam większą jednolitość i spójność pomiarów” mówi Duporge, która badaniem liczebności zwierząt zamieszkujących słynne, afrykańskie sawanny zajmuje się od wielu lat.

Jak policzyć setki tysięcy zwierząt z kosmosu

Klasyczne liczenie opiera się na załogowych nalotach i statystyce. Samolot leci po ściśle ustalonych trasach, fotografuje wybrane pasy terenu, a modele ekstrapolują zagęszczenia na resztę sawanny. Przy stadach, które są rozproszone i pozostają w stałym ruchu, to rodzi prawdopodobieństwo wprowadzenia do badań istotnych błędów.

Zdjęcia satelitarne pozwalają objąć jednym ujęciem ogromne połacie, ograniczając w porównaniu ze zdjęciami lotniczymi ryzyko podwójnego liczenia zwierząt i eliminując konieczność przeliczania danych tak, by uwzględniały niesfotografowane obszary. W projekcie Duporge użyto platform Maxar WorldView o rozdzielczości 33-60 cm na piksel, co daje sylwetkę gnu wielkości 6-12 pikseli.

W celu zbadania prawdziwej skali migracji, zespół wyszkolił dwa odmienne modele: U-Net (segmentacja piksel po piksela) i YOLOv8 (detekcja obiektów), karmiąc je zestawem obrazów, na których ręcznie oznaczono 70 417 osobników zwierząt. „Ciekawe jest to, że oba modele, choć stosowały zupełnie różne podejścia, dały nam bardzo spójne rezultaty” stwierdza Duporge.

Wielkie liczenie gnu dało niezwykłe efekty

Badacze przeanalizowali łącznie ponad 4 tys. km kwadrat. w dwóch ujęciach: 6 sierpnia 2022 r. oraz 28 sierpnia 2023 r. W 2022 r. U-Net doliczył się 324 202 gnu, a YOLOv8 337 926. W 2023 r. U-Net dał rezultat wynoszący 502 917, a YOLOv8 533 137 osobników. Różnica między latami wynika z innego momentu w miesiącu i wahania liczebności w trakcie sierpnia, gdy część stad dopiero dołącza do wielkiej migracji.

„Nasze badania dają nam podstawę by twierdzić, że prawdziwa populacja gnu znajduje się w zakresie bliższym 800 tys. osobników przy założeniu, że udało się nam zliczyć je wszystkie bez błędów” mówi Duporge.

Szacunek 1,3 mln, powtarzany od lat 70., opiera się na ekstrapolacjach z lotów załogowych wykonywanych za pomocą samolotów rozpoznawczych. Autorzy pracy sugerują, że tamte dane mogły przeszacowywać liczebność, a algorytmy satelitarne mogą lekko zaniżać wyniki, bo nie widzą zwierząt pod koronami drzew i poza kadrem badania. „Liczenie z powietrza daje nam zbyt wysoką, a satelitarne nieco zbyt niską liczbę. Przegapiamy część osobników, ale zaskoczyło nas, że widzimy ich zaledwie 533 tys.” mówi badaczka z Oksfordu.

Alternatywne wytłumaczenie to zmiana trasy migracji i silniejsza fragmentacja stad pod wpływem susz, nietypowych opadów oraz odrastającej roślinności po pożarach. Część populacji mogła rozproszyć się poza sfotografowane okna czasowe lub przebywać w mniej uczęszczanych korytarzach.

Zespół podkreśla, że rozstrzygające byłoby jednoczesne przeprowadzenie nalotów załogowych i kampanii satelitarnej na tym samym obszarze, co pozwoliłoby skalibrować uprzedzenia obu metod i policzyć łączny błąd.

Obserwowanie zwierząt z Kosmosu nie płoszy ich

Wielka Migracja kształtuje strukturę i skład roślinności, reguluje zagęszczenia roślinożerców, a przede wszystkim karmi jedne z największych na świecie zagęszczeń dużych drapieżników. Ścisłe liczby mają znaczenie dla planowania ochrony i turystyki, która przynosi Kenii i Tanzanii znaczne przychody.

Niższy bieżący odczyt nie musi znaczyć załamania populacji. Gnu Connochaetes taurinus mierzy się jednak z presją antropogeniczną: fragmentacją siedlisk przez rolnictwo, infrastrukturę i grodzenia, a także z niestabilnym klimatem, który przestawia rytm opadów i fenologię traw. Dane o przeżywalności cieląt oraz kłusownictwie mogą dodatkowo wyjaśniać wahania liczebności.

Dla parków i rezerwatów oznacza to potrzebę wielometodowego monitoringu. Zdjęcia z orbity nie płoszą zwierząt i nie narażają ludzi. To ważne także dlatego, że w statystykach z USA katastrofy lotnicze były jedną z głównych przyczyn śmierci pracowników terenowych przyrodnictwa.

„Jestem przekonana, że powinniśmy rozwijać metody liczenia populacji dzikich zwierząt oparte na satelitach i sztucznej inteligencji, zwłaszcza gdy chodzi o gatunki rozrzucone na wielkich obszarach” stwierdza Duporge. Obserwacja zwierząt, które nie trzymają się regularnie wielkich stad a zamiast tego rozpraszają się na dużym obszarze sprawia przyrodnikom duże problemy.

Wnioski z Serengeti są proste: nie jedna, a wiele linijek powinna mierzyć puls migrujących stad. Zderzenie lotów, dronów, danych GPS i AI z orbity daje szansę na tańsze, częstsze i porównywalne liczenie zwierząt. A to oznacza sprawniejsze decyzje o ochronie korytarzy, kontroli grodzeń i zarządzaniu turystyką.