Jak sztuczna inteligencja pomaga naukowcom chronić ptaki

Podróżnik, kolorowy ptak przypominający drozda, jest ulubieńcem obserwatorów ptaków na Alasce, gdzie odbywa lęg. ZDJĘCIE: KRISTAPS SOKOLOVSKIS, KOLEKCJA OBRAZÓW NAT GEO.

Każdej wiosny naukowcy ukrywają ponad 1600 rejestratorów, wielkości pudełka na drugie śniadanie w bujnych lasach pasma Sierra Nevada w zachodnich Stanach Zjednoczonych. Dopóki nie zostaną odzyskane pod koniec lata, urządzenia te rejestrują milion godzin dźwięku, który często zawiera pohukiwania i inne przeróżne dzwięki sowy kalifornijskiej – cenne informacje o tym, gdzie spędza czas zagrożony gatunek. Jednak człowiek musi przejrzeć wiele nagrań. „Nie ma mowy, żebyśmy mogli tego posłuchać, nawet z bliska, prawda?” mówi Connor Wood, pracownik naukowy, który współkieruje projektem sowy w K. Lisa Yang Center for Conservation Bioacoustics, części Cornell Lab of Ornithology w Ithaca w stanie Nowy Jork. Okazuje się, że ten zespół rzeczywiście jest w stanie przetworzyć wiele danych — wystarczy niewielka pomoc ze strony BirdNET, systemu opartego na sztucznej inteligencji uruchomionego w 2018 roku, który może zidentyfikować ponad 6000 gatunków ptaków na całym świecie, na podstawie ich dźwięków. „Potrzebujemy narzędzi, które są naprawdę elastyczne i zdolne do identyfikacji jak największej liczby zwierząt aktywnych akustycznie” – mówi Wood, którego laboratorium opracowało BirdNET wraz z Politechniką w Chemnitz w Niemczech. „Naprawdę nie mogę przecenić tego, jak rewolucyjny wpływ ma BirdNET na dziedzinę bioakustyki”.  W ciągu ostatniej dekady pojawiło się kilka aplikacji, które wykorzystują moc sztucznej inteligencji do rozpoznawania różnych dźwięków ptaków, z których korzystają zarówno naukowcy, jak i obserwatorzy ptaków. Narzędzia te mają swoje wady: na przykład mogą czasami błędnie zidentyfikować gatunki. Jednak więcej badań pokazuje, że sztuczna inteligencja może identyfikować zachowania i rozmieszczenie ptaków, co ma kluczowe znaczenie dla ochrony.

Jak to działa?

W 2016 roku Cornell zwrócił się do Stefana Kahla, informatyka z Politechniki w Chemnitz, z prośbą o pomoc w stworzeniu algorytmu przetwarzającego dźwięki ptaków nagrane na wolności. Dwa lata później zespół uruchomił oficjalną aplikację BirdNET, która umożliwia ludziom na całym świecie przesyłanie własnych nagrań z różnych urządzeń, w tym laptopów i smartfonów. Od tego czasu BirdNET zgromadził około 150 milionów wysokiej jakości dźwięków ptaków. Oprócz tego zasobu danych, inna aplikacja akustyczna dla ptaków oparta na sztucznej inteligencji firmy Cornell, Merlin, ma ponad trzy miliony aktywnych użytkowników dostarczających dane akustyczne do systemu. Ale jak działają te pozornie magiczne narzędzia? Aplikacja przekształca śpiew ptaka w obraz fal dźwiękowych zwany spektrogramem. Następnie obraz jest wprowadzany do algorytmu aplikacji, który może wskazać unikalne zmiany częstotliwości, czas i amplitudę konkretnego połączenia. „Wzorce znalezione przez algorytmy są znacznie subtelniejsze i bardziej szczegółowe niż to, co byłby w stanie osiągnąć jakikolwiek człowiek” – mówi Kahl, który pracuje również jako pracownik naukowy ze stopniem doktora w centrum bioakustyki konserwatorskiej w Cornell Lab. Dzięki funduszom ze Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych i Służby Parku Narodowego Wood, jego zespół wykorzystał niedawno BirdNET do stworzenia pierwszej obejmującej cały ekosystem oceny populacji sów plamistych w Sierra Nevada, które w coraz większym stopniu są zagrożone przez gatunki inwazyjne lub pożary. Informacje te pokazują trendy w populacji sów, które mogą pobudzić wysiłki na rzecz odtworzenia i ochrony gatunków – mówi. „Agencje traktują to nie tylko jako narzędzie monitorowania i informowania ich o populacjach, ale także po to, aby naprawdę ułatwić działania w terenie, co jest całkiem ekscytujące” – mówi Wood.

Wady Sztucznej Inteligencji

Jednak, podobnie jak większość technologii opartych na sztucznej inteligencji, aplikacje te nie są pozbawione pułapek. W swoim badaniu przeprowadzonym w 2023 r. w International Journal of Avian Science ekolog Cristian Pérez-Granados dokonał przeglądu szeregu literatury naukowej na temat BirdNET. Jego badania wykazały, że BirdNET nie zawsze rejestrował śpiew ptaka, a czasami błędnie identyfikował go jako inny gatunek, co dawało „fałszywie pozytywne wyniki” – mówi Pérez-Granados, który pracuje na Uniwersytecie w Alicante w Hiszpanii. Według Audubon Society i innych organizacji użytkownicy Merlina zgłaszali również przypadki błędnej identyfikacji, co może mieć negatywne konsekwencje dla projektów badawczych wykorzystujących dane z zakresu nauki obywatelskiej. „BirdNET i inne oprogramowanie znacznie zmieniły się w ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat, ale muszą nadal się rozwijać i udoskonalać” – mówi Pérez-Granados. Istnieje kilka sposobów na zmniejszenie tego ryzyka, w tym uwzględnienie niepewności za pomocą modeli statystycznych lub ręczne przeglądanie identyfikacji w celu podwójnego sprawdzenia danych, co jest obecnie stosowanym procesem w przypadku sów plamistych Wooda. „Należy traktować to jako prognozę”, dopóki jej nie zweryfikujesz, mówi Wood. „Cieszę się, że mam pewne problemy z błędną klasyfikacją, ponieważ przynajmniej oznacza to, że mamy dane dotyczące społeczności ptaków, których nigdy wcześniej nie mieliśmy”. Rzeczywiście, wielomilionowa brygada naukowców obywatelskich dostarcza ogromne ilości danych do aplikacji takich jak Merlin i BirdNET. Na potrzeby badania przeprowadzonego w 2022 r. Wood i jego zespół ocenili dokładność zgłoszeń BirdNET i odkryli, że zawarte w nich dane mogą z powodzeniem odtworzyć znane trasy migracyjne kilku ptaków z Ameryki Północnej i Europy.

Pomocne ucho

 Aplikacje do identyfikacji dźwięków ptaków sprawiły, że obserwacje ptaków stały się bardziej dostępne dla wielu osób, szczególnie dla osób z ubytkiem słuchu. Około pięć lat temu Erin Rollins-Pletsch obudziła się pewnego ranka i odkryła, że straciła około 80 procent słuchu z powodu rzadkiej choroby. Na początku miała trudności z poruszaniem się w nowym – i znacznie cichszym – świecie wokół niej. Potem znalazła sposób na obserwację ptaków. „Kiedy jestem na zewnątrz i skupiam się na ptakach, nic innego się nie liczy” – mówi Rollins-Pletsch, nauczyciel mieszkający około 40 minut na wschód od San Francisco. Jednak nie słyszy większości gwizdów i ćwierkań o wysokiej częstotliwości, które pomagają innym obserwatorom wyśledzić gatunek, gdy jest poza zasięgiem wzroku. Dlatego teraz wyciąga smartfon na zewnątrz i uruchamia aplikację Merlin. „Kiedy pracuję w ogrodzie lub pielęgnuję karmniki dla ptaków na podwórku, po prostu włączam nagrywanie w telefonie” – mówi Rollins-Pletsch. „Potem, gdy ptaki śpiewają, po prostu pojawiają się na moim telefonie jeden po drugim. Następnie aplikacja odczytuje mi ich śpiew. Nawet nie potrafię wyrazić, jak bardzo mi się to podoba”.