位于陜西周至國家級自然保護區(qū)內(nèi)的川金絲猴。李媛/攝

■本報見習(xí)記者 李媛

20多年前，郭松濤攻讀碩士學(xué)位期間，跟隨導(dǎo)師李保國在陜西周至國家級自然保護區(qū)監(jiān)測金絲猴。白天他們在山林間追蹤猴群，夜晚借宿在山下的村民家中。因為老鼠太多，次日清晨他們經(jīng)常因找不到鞋子而苦惱。

如今已是西北大學(xué)教授的郭松濤，那時剛接觸野生動物研究不久，常年風餐露宿，皮膚曬得黝黑。他坦言，曾一度羨慕實驗室中穿白大褂的同窗。

但現(xiàn)在，得益于郭松濤帶領(lǐng)團隊研發(fā)的新“猴臉識別”系統(tǒng)，他終于能笑著說：“我們再也不用為找不到鞋而苦惱了?！?/p>

面對國際空白，他們自主研發(fā)

動物行為是常見但機理復(fù)雜的自然現(xiàn)象。千百年來，人們一直通過肉眼觀察來記錄和研究動物習(xí)性。

“傳統(tǒng)監(jiān)測需要花費大量時間，研究人員要長期駐扎在野外，而動物的行為復(fù)雜多變，有時候單個個體就要觀察很久。”在長期的研究中，郭松濤一直想通過技術(shù)突破這一瓶頸。

起初，郭松濤團隊從歐洲購買了一個軟件，寄希望于提高監(jiān)測效率。然而實際應(yīng)用后，他們發(fā)現(xiàn)這款軟件僅具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入功能，研究人員仍需到野外拍攝動物錄像，再輸入電腦里分析。

“看起來是進步的，但相較于野外觀察，沒有了環(huán)境參照，個體識別變得更復(fù)雜了，研究人員坐在電腦前的時間更長了，甚至有學(xué)生因此視網(wǎng)膜脫落、住院?！惫蓾寡?，在使用了一段時間后，他們還是放棄了。

這段經(jīng)歷卻催生出郭松濤的一個想法：“所謂先進軟件，僅應(yīng)用了統(tǒng)計與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，卻未觸及動物身份識別與行為分析兩大核心難題。我們能否自主攻克呢？”

彼時，人工智能（AI）技術(shù)迅猛發(fā)展，被大量應(yīng)用于汽車制造、人體健康監(jiān)測等方面?！凹热粵]人將其用在動物上，我們就做開拓者，把AI跟動物學(xué)研究結(jié)合起來，解決困擾動物學(xué)研究人員的問題?！惫蓾f。

2018年，郭松濤與西北大學(xué)計算機學(xué)院研究人員開展跨學(xué)科攻關(guān)，研發(fā)專注于動物行為研究的AI技術(shù)。2020年，團隊基于長期積累的金絲猴特征數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性提出具有關(guān)注機制的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功研發(fā)出全球首個金絲猴個體識別系統(tǒng)（Tri-AI）。

“該系統(tǒng)顛覆了依靠動物個體特征（斑紋、顏色、傷疤）或者人為標記特征（烙印、刺青、染色、環(huán)志、無線電項圈及遺傳標記）的傳統(tǒng)方法，實現(xiàn)了野生個體準確身份識別和連續(xù)跟蹤采樣的功能。更重要的是，該系統(tǒng)為在理想條件下實現(xiàn)‘無觀察者干擾效應(yīng)’的動物學(xué)研究提供了可能?！惫蓾f。

從1.0“猴臉識別”到2.0“翻譯行為”

想象這樣一個場景：面前有幾十只猴子，每一只都在動，每一個動作都有著特定的行為定義。研究人員該如何分辨？

要捕捉到這些信息，此前需要靠人工觀測，用記錄本記錄下來，計算機把每一只猴子的每一種動作自動標記起來，并且算出這些動作花了多長時間、執(zhí)行了多少次。

盡管視頻數(shù)據(jù)可通過專業(yè)軟件輔助分析，但要觀察幾天的動物行為視頻，仍需要上百小時的人工核驗。對于環(huán)境復(fù)雜、種群龐大的野生動物而言，這種低效模式嚴重制約了行為規(guī)律研究。

為破解行為智能分析中面臨的共性難題，郭松濤團隊以行為學(xué)原理為根基，融合AI技術(shù)，歷時4年研發(fā)出“猴臉識別2.0”——自動識別與測量人工智能框架。該系統(tǒng)不僅能精準識別、追蹤野生動物個體，還可自動分析行為節(jié)律，生成時間分配報告，實現(xiàn)全自動行為監(jiān)測。相關(guān)研究今年4月發(fā)表于《整合動物學(xué)》。

該框架在3種靈長目物種（川金絲猴、狐猴、狒狒）、3種食肉目物種（老虎、棕熊、黑熊）、3種偶蹄目物種（羚牛、列氏水羚、角馬）、1種奇蹄目物種（斑馬），共計四大類群、10種代表性物種上得到了驗證。

這個龐大的數(shù)據(jù)庫算法也讓這項技術(shù)有了“獨家秘訣”，不依賴于觀察者的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，突破了觀察者的視角局限。

在實際應(yīng)用中該算法非常有效。舉個例子：兩只老虎打架，如果其中一只受傷了，靜臥半個小時，肉眼很難分辨它為什么躺在那兒，或者說為什么停留那么長時間，而AI則可以精準識別。郭松濤解釋，這個內(nèi)在的邏輯就在于每一種動物在某種行為上花的時間是相對穩(wěn)定的，即便是休息，也應(yīng)該是以某種相對穩(wěn)定的姿態(tài)休息。一旦出現(xiàn)異常模式，系統(tǒng)立即預(yù)警。預(yù)警信息直達監(jiān)管人員與獸醫(yī)團隊，為及時干預(yù)爭取黃金時間。

這對瀕危物種保護意義重大。“以大熊貓為例，通過AI量化分析其進食時長、咀嚼頻率等細節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)消化系統(tǒng)異常預(yù)判，有利于我們快速掌握熊貓的健康狀態(tài)?！惫蓾嬖V《中國科學(xué)報》。

鐵籠里觀測猛獸，科研之路“累并快樂著”

盡管技術(shù)已大幅降低人力依賴，郭松濤團隊仍堅守一個原則：野外研究必須近距離觀察?！爸挥性趧游锔案惺芩?、觀察它，才能深刻理解它的每一個動作、每一個行為、每一個眼神的深意?！惫蓾f。

“如果你不理解動物行為，那就是因為你觀察得不夠仔細，或者靠得不夠近?！惫蓾忉屨f。

郭松濤團隊的博士生劉佳是在“猴臉識別”技術(shù)研發(fā)時加入團隊的，如今他已經(jīng)成長為橫跨動物保護與AI技術(shù)的復(fù)合型人才。回憶起框架收集期間的難忘經(jīng)歷，劉佳告訴記者，團隊在猛獸區(qū)的采集是在鐵籠里進行的，人在籠內(nèi)，老虎、黑熊這些肉食動物在籠外自由活動。

“看著咆哮示威的猛獸，整個監(jiān)測過程神經(jīng)緊繃。不過，能24小時在園區(qū)零距離觀測動物，這種經(jīng)歷讓我們非常興奮。當大家拿到大量行為數(shù)據(jù)，最終應(yīng)用到框架中時，自豪感油然而生?！眲⒓颜f。

如今，郭松濤團隊正在著手研發(fā)3.0系統(tǒng)，將拓展至更多動物?！拔磥恚覀兿Ｍ軌驊?yīng)用到家禽家畜的養(yǎng)殖上，如果有足夠多的前期訓(xùn)練數(shù)據(jù)，就可以通過視頻監(jiān)控對個體進行健康預(yù)警。”郭松濤表示，預(yù)警信息有望直達養(yǎng)殖戶和獸醫(yī)團隊，為動物健康監(jiān)測提供更廣泛的解決方案。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1111/1749-4877.12985

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