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自然保护界的黑科技,不只是无人机

来源:南方周末 作者:崔慧莹 人气: 发布时间:2018-04-19

  


南方周末记者 崔慧莹


“有些保护区边界是在一张纸质地图上用铅笔勾画出来的,不够精准。”

 

无人机几乎成了科研必备。但高速运转的螺旋桨及噪音,也可能给飞禽走兽造成紧张或伤害。

 

如何共享和集成已有的数据是难点。



在东北虎豹国家公园试点区,野生东北虎妈妈带着三只虎宝宝“巡山”,虎妈弓着脊背发出浑厚的低吼,震落了树杈间的雪花,也震慑着保护地的巡护人员不要再向前。

这是2017年12月18日,工作人员在野外巡查时发现的动物活动痕迹。对科研人员来说,对野生动物及其栖息地的“侵入式”接近与观察已经不是必需的了。

智能分析地上的足迹,就能进行东北虎豹、大熊猫等16种野生动物的个体识别。而大数据分析、卫星智能红外遥感、无人机航拍等高新技术,也成为了科研人员、动保人士的“千里眼”和“最强大脑”。

简单易用的操作界面和不高的设备采购价格,使得当地人也能参与到保护之中。 

  

捕捉地上的信息

难见到动物的活体,但捕捉地上的信息,比如粪便也会让科学家兴奋。而今,足迹成为新的示踪记。

“为更好地吃竹子,熊猫进化出了第六根‘指头’,因此容易判断。”昆山杜克大学环境科学助理教授李彬彬说。在野外调研十余年后,李彬彬也只见过一次野生大熊猫实体,大多时候看到的是脚印。相比传统的“咬节法”――分析熊猫粪便中残留竹茎的长度,足迹识别技术准确率更高;而比起要提取新鲜粪便外黏膜的“DNA识别法”,其分析成本跟取样难度都更低。

2013年开始,李彬彬从四川卧龙等地采集了四十多只大熊猫在圈养、半野外条件下的爪印,成为足迹本底库,参照于此,只要找到完整的熊猫爪印,用横竖两根直角尺测量长度,垂直拍摄出照片,确定趾头、肉垫等7个信息点,就可以利用软件自动分析,从而判断出熊猫个体及性别等信息,识别准确率可以达到90%

找到完整的熊猫爪印,用横竖两根直角尺测量长度, 垂直拍摄出照片, 就可以在软件中分析判断出熊猫个体及性别等信息。(李彬彬/供图 )

另一个地上的行动,是给在没有手机信号的深山老林里的巡护人员定位。以前评估组、督察组在保护区现场都会遇到一个问题,我们到底进了保护区没有,自己也搞不清楚。只能记录GPS坐标,再查资料核实。”中国环境科学研究院副研究员、国家级自然保护区管理工作评估组负责人王伟告诉南方周末记者。

2018年4月10日,昆山杜克大学举办的自然保护领域智能科技及大数据研讨会上,王伟表示,根据2007-2016年的国家级自然保护区管理评估结果,目前有七成的国家级自然保护区存在范围界线或土地权属不清的问题。

“2005年之后,国务院办公厅在公布新建和调整的国家级自然保护区名单时,明确了由生态环境部(原环境保护部)发布保护区的范围和功能分区;但在2005年之前没有明确要求,有些保护区过去由于技术问题,保护区边界是在一张纸质地图上用铅笔勾画出来的,不够精准。”王伟说。

而很多当地保护人员的巡护工作也经常缺乏标准规范,巡护记录写的像小学生日记,例如“今天我在深林里看见了地上有很多果子,野鼠从地上捡果子吃”等表述,这类的巡护档案对自然保护区的实际工作帮助甚微。

雪地里寻找熊猫脚印的科学家们, 发现自然界的动物哪怕是脚印很难, 强烈依赖考察人员的个人经验。 (Sonny Bass/摄 )

这些现实问题促使王伟团队从2016年开始,着手开发了这款能帮助督察、评估人员明确保护区边界、标记当前位置所在的功能分区、标准化记录监管路程和线索的移动监管系统。

“绿盾2017”国家级自然保护区监督检查专项行动中就使用了此工具,目前正在进行的中央环保督察回头看和自然保护区监督检查的工作中,这款App成了专用“利器”;另有二十多个省级部门、六十多个自然保护地、四十多个市县有关部门及科研单位也在免费使用。

2018年3月27日,生态环境部部长李干杰在“绿盾2018”行动视频会议的讲话中,就提到了“充分利用高分辨率遥感监测、无人机、移动监管App等,为专项行动提供技术支持”。

高科技时代的无尽想象,正让地上的各类信息成为保护自然的信源。通过鸟类的叫声识别种群及其数量;通过拍摄图片分析鱼翅纹理,判断其是否为非法捕猎品;甚至某一个动物的名词在某地被频繁搜索,可能显示出相关的非法贸易正在当地进行……

 

  

“开天眼”

另一项科技助益,来自无人机提供的上帝视角。

大疆创新科技有限公司公关经理刘鸥对南方周末记者介绍,对于难以靠近的巨大的鲸,研究人员只需在大疆无人机机身上方安置几个培养皿,让无人机在鲸呼气的一瞬间飞到上空,将鲸呼出的液体收集到培养皿中,就可以完成采样,进行DNA、病毒和细菌检测甚至激素水平等一系列分析。

大疆无人机在鲸呼气喷出水柱时执行采样监测工作。(大疆官网/图)

每天热衷于积攒、偷取能量的蚂蚁森林用户,可以通过手机上的“看树”功能,随时随地看到自己种植在阿拉善沙漠里的梭梭树,这背后也是卫星遥感技术和无人机的贡献。负责卫星遥感大数据分析的北京佳格天地公司和无人机航拍的广州极飞科技有限公司提供了技术支持。

一家筛选阿拉善沙漠的卫星图片及气象数据,分析蚂蚁森林对当地整体生态环境的改善情况;另一家广布被称为“电子稻草人”的智能农田监测站,并利用地理信息测绘飞机进行航拍,监控每一棵梭梭树的生长状态。


 C2000 智能测绘无人机与多光谱技术,统计出树木的数量变化趋势及健康状况。(极飞官网/图)

不少科研人员很早就意识到无人机的作用。“两三年前,我们还自己开发过无人机,当时市面上无人机的地面站控制、数据后处理技术还不能满足我们科研工作的需要。”王伟说。

近两年,多旋翼无人机技术进步,航线控制、数据分析集成处理软件都在不断改进,万元左右的几款消费级无人机基本可以适应野外条件的工作需求,科研人员们已经不再耗时费力自主制作无人机了。

无人机几乎成了科研必备。大部分无人机已经具备视觉避障功能,避开树木、高山等障碍物,可以追踪陆地上的大型动物移动航拍,还可以监测PM2.5等污染物。

无人机和热红外卫星遥感技术的结合,则一起构成了观察自然资源、监督人类活动的两只“天眼”,深夜里,野生动物的体温和外界相差很多,它们散发的热度被捕捉到,行踪也就更便于观察。同理,当有人进入保护区盗猎时,也会被发现。

而这些“见证奇迹”的背后,基础在于计算机运算处理速度的几何级提高。

比如一台野外摄像机拍摄的视频,需要人工处理几十个小时的数据,计算机几分钟就可以完成辨识,准确度更高。再辅以人工对算法的驯化、矫正,人工智能还会使得算法越来越“聪明”,原理与每天不知疲倦地训练围棋,逐步强劲到击败人类“最强棋手”的人工程序阿尔法狗一样。

但在对抗极端恶劣天气及成本方面,无人机比价格低廉的卫星图片略逊一筹。王伟就发现,无人机在黑河零下20度也能飞,但是5分钟就得返航了。

上述大疆相关负责人向南方周末记者表示,野外环境对无人机的主要影响是低温、雨水和大风。已在设计上考虑了野外恶劣环境下作业,具备一定的防水和防沙尘能力,可在小雨中飞行,并能承受6级风。

  

让数据“变现”

这些琳琅满目的高科技看上去互不关联,在李彬彬看来,可以大致归为具有先后关系的三类:一是监测,如无人机、红外相机、卫星遥感等技术采集影像、声音等各类信息;二是数据分析,如智能算法识别、大数据应用等;三是管理应用,将数据转换为可视化信息,开发App等。

简单来说,可以理解成:看清楚、算明白、呈信息。先收集分析海量信息,再转化为简明易懂的统计结果,最终为管理政策提供综合性强、有科学依据的建议,并向公众科普。”李彬彬说。

在她看来,更多地引入市场、商业的发展逻辑和研究团队,比仅仅依靠学术研究和公益支持更有利于长远发展

最早一批迈出脚步的人,包括北京新智感科技有限公司技术总监张鹏。2012年,生态保护领域的信息化比公安、海关、税务等部门落后很多,新智感成为了最先在国内进行生态管理信息化、大数据化工作的科技公司之一。“起步阶段,我们为中国首个社会公益型保护地‘老河沟保护区’、唐家河、王朗等大熊猫保护区,以及攀枝花苏铁、雅长兰科等珍稀濒危植物保护区提供日常管理及科研监测等整体信息化服务。”

2012年9月,新智感科技有限公司在白马雪山自然保护区公益项目。(新智感官网/图)

2015年,国务院办公厅印发了《生态环境监测网络建设方案》,提出“加快生态环境监测信息传输网络与大数据平台建设,开展大数据关联分析,开放服务性监测市场”。

这一年,被视作环保企业发展“互联网+”大数据的元年,数十家企业涌入“掘金”,到了2018年,国内从事相关大数据分析的企业已有百余家。

政府成为主要的客户。正在进行生态资源的“大部制”改革,有利于政府监督执法,也被市场看好。有企业表示,与自然资源部合作的大数据平台已经开发完成,何时正式投入使用并向社会公布数据情况,还要看后续的工作进展。

大疆相关负责人提到,目前来自政府的订单,主要包括公安、消防、土地监察和环境监察(包括水体和大气),对违规排污进行稽查取证,在森林资源监测、火情预报监测方面也有应用。

尽管在消费级无人机市场,大疆一家独大,但在工业级别的市场竞争中,大疆也面对着国内200家以上的企业的布局挑战,主要围绕着农业植保、电力巡线和警用安防三大重点领域。

在公众参与层面,借助手机移动App、VR设备等智能终端,科技公司也能拥有另一片市场。

北京佳格天地公司创始人&CEO张弓博士介绍,“我们也在做一些关于花的品种花期、与旅游相关的常识类App。”王伟、张鹏等多位从业人员均表示,如果能开发一款面向公众进行自然资源信息公开和教育的软件或App,市场潜力也是巨大的。

譬如雾霾经济,促生了墨迹天气、蔚蓝地图的海量用户及流量变现;识别植物的形色、微软识花App火爆一时,基于爱好植物打造的社交App――Plantifier也在海外流行。

张鹏说,他们团队曾开发过一个VR互动体验游戏,能让孩子们在沉浸式的场景里,亲手给四川攀枝花的苏铁进行模拟人工繁育。“苏铁被称为植物界的大熊猫,我们一直在协助当地进行抢救性保护,VR技术能帮助孩子们在千里之外了解这些信息,有了解的兴趣才培养保护意识。”

极飞科技联合创始人龚?钦介绍,我们国家有20.21亿亩耕地,占全球可耕地面积的10%,而农药、化肥的使用量却占了全球的35%,大量滥用的农化产品正在污染土地和水源。他希望自己开发的农业植保机能改变生产者的思维模式,从粗放盲目向集约精准发展。

“仅2017年,极飞农业的植保服务,就为农户节省了近900吨农药。降低污染的同时,产生的商业价值也非常可观。”龚?钦说。

极飞农业的飞防植保无人机在喷洒农药。(极飞官网/图)

 

  

潜在的干扰,难分享的数据

为李彬彬的熊猫足迹项目提供免费技术及软件服务支持的,是美国SAS公司旗下的JMP软件。JMP亚太区总经理严雪林对南方周末记者回忆,2012年他就找过中国林业部门,想提供相关技术支持。

严雪林表示,动物足迹识别技术在国际上已有广泛应用,但在中国仍处于推广阶段,他们正与科研单位深入合作,不断推进并优化“非侵入式”的调研方法,“这会触动一些做麻醉枪、电子项圈的企业的利益,但我们希望找到更科学的替代方式。”

他同时提到,包括无人机、无线电监测等设备,也会对野生动物的生存环境造成影响,譬如磁场干扰等。

有科研人员提到,2016年新年伊始,青海湖畔泉湾地区,有游客用无人机在天鹅头顶几厘米处徘徊拍摄,把熟睡中的大天鹅吓得四散奔逃,数量骤减。青海湖景区保护利用管理局紧急下发通知,严禁在鸟类等野生动物栖息地使用航拍“无人机”。

在野生动物保护领域,无人机曾被用来驱逐大象远离农田,也曾被老鹰误认为“侵犯领空的劲敌”来攻击,可见其高速运转的螺旋桨及噪音,都可能给飞禽走兽造成紧张或伤害。因此有不少生物学家正在进行研究,旨在帮助减轻或缓解潜在的干扰,科学利用无人机等调研工具。

如何共享和集成已有的数据则是大多数受访者提到的难点。

李彬彬曾写过一篇《倘若不知道你的底线,该如何去捍卫你的尊严?》:在一家名为WDPA的全球保护地共享平台上,有大量区域性的数据可供研究,但中国的保护区信息,基本都是空白。Smart和谷歌地图等软件,也都曾因为信息保密程度而遭到质疑。

上图:在google上搜美国锡安国家公园(Zion National Park)的区域状呈现

下图:在百度搜索卧龙自然保护区的点状呈现,而旁边的四姑娘山因为旅游名声在外而呈现出色块,实际上也是保护区。李彬彬/图)

“能理解国家要保护信息安全,但相关信息公开的程度还应该更开放一些,尤其是在支持科研的领域。”李彬彬说

而在数据战、资源战开始前,人才储备的竞赛恐将更早展开。

有统计显示,2017年,大数据及人工智能人才需求增长迅猛,招聘需求猛增6倍,大数据需求增长幅度最为惊人,达795%。目前全国的大数据人才仅46万,未来3-5年内人才缺口将高达150万。

此外,由于交叉学科对科研人员的要求更高,严雪林表示:“应用统计学硕士的教育模式亟待改进,分析人员需要掌握农业生物、药物疾控等某一领域的专业,而真正从事生态、环境等领域研究的专家,至少要经过5-10年在野外实地摸爬滚打的经验,才能把书本的知识应用到实际的研究分析当中,同时懂一点统计学知识也很必要。” 



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