聞聲識動物

水鳥油鴨 受訪者供圖

油鴨聲紋頻譜圖 受訪者供圖

 雀形目小鳥棕頭鴉雀 受訪者供圖

棕頭鴉雀聲紋頻譜圖 受訪者供圖

“啾啾”“嘰嘰喳喳”“嘎嘎”，自今年5月野生動物聲紋智能識別設備開展示范應用以來，中國科學院動物研究所野生動物聲紋智能監測系統目前已收集到以鳥類為主的10萬余條野生動物聲紋信息。

近日，該成果作為生態環境部“五基”協同生態環境立體遙感監測體系的組成部分，亮相“奮進新時代”主題成就展。

聞聲如何識動物呢？

“不同物種之間進化出來的發聲器官都有所差別，比如鳥類鳴管結構的不同，導致聲紋特征的差異，進而可以利用深度學習技術學習這些聲紋特征進行物種識別。”動物所動物適應與功能基因組學研究組博士林聰田向《中國科學報》解釋。

生物多樣性監測或調查中，單靠人力可以獲取的信息十分很有限，很難得到全天候、長時期的連續性調查數據，無法反映目標區域隨時間、氣候變化的情況。

針對這一難點和痛點，林聰田與同事研發出軟硬件一體的聲紋監測設備，包括野外拾音傳感器與邊緣計算設備，實時采集環境聲音進行邊緣計算，實時返回識別結果到監測系統中進行研究分析，構成完整的野生動物聲紋自動監測體系。

“很多動物的活動都很隱蔽，比如鳥類會藏在樹林、蘆葦蕩和灌木叢中，如果利用視頻監測，一般僅能拍攝到開闊環境中的大型水鳥，很難監測到隱蔽環境中的動物。”林聰田說，與可見光視頻監測相比，智能聲紋設備可以應用在更多的復雜場景，提升監測的自動化能力。

據介紹，研究團隊已在北京市密云區、溫榆河公園、永定河公園、野生動物救助中心等區域多種典型生境、生物多樣性豐富的重點區域，部署了10余套智能監測設備，啟動了北京林草系統智能感知應用示范。它們會源源不斷地把聲音數據匯集到中國科學院生物多樣性科學數據庫中，支撐生物多樣性空間格局及變化的長期研究。

以溫榆河公園為例，研究團隊部署了三臺聲紋監測儀和一個攝像頭，目前通過人工調查和聲音監測已經記錄到170多種鳥類，其中聲紋設備監測到的物種超過90多種，占到其中一半以上，從一個側面證明了其在實際應用中的能力。

作為生態環境部“五基”協同（天基衛星、空基遙感、航空無人機、移動監測車和地面觀測五種手段）生態環境立體遙感監測體系的一部分，研究團隊還在內蒙古通遼嘗試了地面基站、移動監測車等形式的聲紋收集，同樣證明了這種觀測手段在復雜場景中的有效性。

今年5月以來，該聲紋監測系統收集的10萬余條聲紋信息已識別出200多個鳥類物種。

林聰田表示，研究團隊做這項研究的“底氣”離不開中國科學院長期支持建設的物種大數據平臺，包括持續十幾年來建設的中國生物物種名錄、中國生物地圖和野生動物聲紋數據庫等，以及中科院戰略先導專項（A類）“地球大數據科學工程”等項目支撐，研究團隊積累了大量素材，構建了生物人工智能智能平臺，為人工智能深度學習模型訓練提供了豐富的樣本和運算能力。目前，基于這些數據庫和平臺訓練的聲紋智能監測系統可以識別800多種鳥類。

“未來，隨著聲音數據不斷積累，我們可以進一步提升模型的準確率，增加識別種類，反哺中國生物物種多樣性數據庫的建設。”林聰田說。

據介紹，野生動物聲紋智能監測系統的一個創新之處是，將深度學習與生態學模型相結合，把不同鳥類的分布特征、遷徙特征、所需生境特點等作為學習的對象來聯合建模，提升生物的自動識別的能力。

這種24小時不間斷的智能監測方式能夠幫助了解動物活動的規律，例如早晨和傍晚時分檢測到的鳥鳴聲更多，在公園或保護區的保護決策時，就可以根據監測結果在特定時段對特定區域的人類活動進行控制，減少對鳥類活動的干擾；另外，可以根據監測結果顯示的物種豐富情況規劃城市公園的留白地，讓生態涵養區的動植物自然生長，更好地促進生物多樣性修復。

對物候的監測也是未來待發展的方向。林聰田表示，一些鳥類的鳴叫具有季節性規律，長期的數據積累將有助于形成對某一區域鳥類活動物候規律的跟蹤和了解，而物候規律往往跟氣候變化有關，這樣有助了解氣候變化對生物多樣性的影響，更好地開展生物多樣性保護，對指導農業生產也有重要意義。