用AI守护3300米海拔上的圣湖精灵

　　“青海湖中有两宝，一是湟鱼，二是鸟”。

　　青海湖是我国最大的内陆咸水湖泊和国际重要湿地，其4400平方公里流域也是国际候鸟迁徙的重要停歇地。每到候鸟迁徙季节，一幅“水—鸟—鱼”生态画卷就在这里绘就。

　　然而很多人不知道的是，能够在3300米海拔的青海湖生存的大型野生经济鱼类只有一种，它就是湟鱼。

　　因全身“几乎无一鳞片”，湟鱼又名青海湖裸鲤，是青海湖“水—鸟—鱼”生态链中的核心物种。在历史上，裸鲤曾因过度捕捞等原因造成数量急剧减少而登上“中华红色物种名录”，青海湖的生态环境也因此遭受重创。而今，为了保护这一圣湖中的精灵，“AI识鱼”“定位数鱼”等新技术齐上场，使守护行动变得有力、高效。

　　一切要从裸鲤的洄游说起。

　　“裸鲤不能消失”

　　青海湖高寒、高盐、高碱，对裸鲤性腺发育十分不利。每年5~8月的春夏之交，裸鲤都要从青海湖洄游到淡水河域寻找合适的产卵地，产卵后再回到青海湖内。

　　洄游之路无疑是一场充满艰难险阻的生命之旅。

　　一般来说，溯游越远，鱼卵孵化、鱼苗生长时间越久，幼鱼成活率就越高。但是，溯流而上的旅程越远，裸鲤需要克服的困难越多——除了要奋力跃过激流，它们一路还会遇到拦河大坝、浅滩、等待捕食的220多种候鸟等等。

　　但就是裸鲤的生命逆旅，为在青海湖流域栖息、繁衍的鸟类提供了丰富的食料，才串起了“鸟兽粪便—浮游生物—裸鲤—鸟—鸟兽”的食物链，成就了青海湖的灵性与自然之美。

　　裸鲤曾是青海人的救命鱼。

　　二十世纪五六十年代，粮食紧缺。人们将目光投向青海湖裸鲤——捕鱼队来了，国营渔场建立了，大规模开发青海湖裸鲤资源的序幕就此拉开。短短数十年间，“神湖的馈赠”几乎被捕捞殆尽。伴随着河道萎缩、水域退化等，至新世纪初，青海湖裸鲤资源量已不足历史最高时期的百分之一。

　　1994年，裸鲤被列为国家二级保护动物；2003年，裸鲤被纳入《青海省重点保护水生野生动物名录》；2004年，裸鲤被中国环境与发展国际合作委员会在《中国物种红色名录》中列为濒危物种。

　　“裸鲤不能消失！”青海湖裸鲤救护中心主任史健全长期致力于裸鲤保护事业，他说，裸鲤还是一尾攸关气候调节的鱼：“一旦湟鱼灭绝，青海湖将发生水华，进而沼泽化、干涸，依赖青海湖水汽降雨的祁连山牧场也会面临沙化风险。”

　　“裸鲤给了青海湖一片净水，给了祁连山一道生态屏障，它是真正的水中精灵。”史健全表示：“保护裸鲤就是保护青海湖、祁连山等地区的生态环境。”

　　保护与监管之路困难重重

　　在低温缺氧的青海湖，裸鲤的生长发育十分缓慢，据称裸鲤8~9年才能长大250克。因此，一旦资源枯竭，恢复起来十分不易。

　　人工增殖放流是恢复水生生物资源的重要手段。为了恢复裸鲤种群，青海湖裸鲤救护中心自2002年开始有计划地开展人工放流裸鲤种苗，补充个体数量，扩大种群规模。这种做法被延续下来，加速了裸鲤种群的恢复。

　　然而，屡禁不止、少量多次的偷捕行为仍然让保护者头疼。

　　从布哈河到哈尔盖河，裸鲤的洄游河道长达300公里，沿河布局人力监管、实时追踪偷捕、科学监测难度颇大。同时，阶梯式回溯通道（人工修建而成，可在一定程度上刺激洄游亲鱼性腺成熟）的监管死角，更是让野生裸鲤的守护与监管困难重重。

　　中国水利水电科学研究院高级工程师王鲁海向《中国科学报》介绍说，2019年，中国水利水电科学研究院与青海湖裸鲤救护中心共同承担了青海省科技厅“基于生态水文过程的青海湖裸鲤种群动态监测关键技术研究”项目，试图综合利用技术手段监测青海湖裸鲤的动向和种群规模，进而分析裸鲤种群结构及未来变动趋势。但他们在研究中发现，利用放流回捕、超声探测等传统技术手段在青海湖具有局限性，无法满足高水平监测需求。

　　如何高效地监测、追踪洄游通道上的裸鲤？为了解决这个难题，研究人员瞄上了新的技术手段——通过综合分析，他们最终选定了采用视频监测鱼道、人工智能（AI）处理提取信息的方法。也就是在这时，AI技术初创公司云从科技加入了队伍，“青海湖裸鲤AI保护方案”也很快出炉。

　　青海湖裸鲤AI保护方案

　　在这一技术方案中，“识鱼”是第一步。

　　要在复杂多变的环境下识别水流中的裸鲤并不轻松。王鲁海介绍说，为了能在野外清晰拍摄裸鲤，研究团队因地制宜，通过在监测镜头下河道中用喷涂有白漆的薄铁皮构建单色背景等方法，增强裸鲤与干扰物的对比；为了夜间也能看到鱼，他们还在摄像头边布置两套红外照明灯。

　　清晰的监测视频来之不易。抛却传统通过形状、纹理等的识别方法，作为AI保护方案的AI技术实施方，云从科技提出了“精准鱼体监测技术”——先让AI模型认识裸鲤，然后用它来处理海量监测视频数据。

　　“测试显示，云从AI技术对于解决项目中识别问题非常奏效。”看到识别效果，王鲁海喜出望外：“‘AI识鱼’与人工判读的精确度基本一致，甚至略高。”

　　云从科技联合创始人姚志强告诉《中国科学报》，这项技术的关键在于鱼体检测模型和视频流的智能分析。

　　他解释道，基于深度学习框架，开发人员首先训练出能够“AI识鱼”的鱼体检测模型；基于上述模型，利用视频流智能数据分析技术对视频流每一帧图像进行单帧检测，并以“鱼体框坐标”的形式给出检测结果，从而实现对裸鲤的精准识别和定位跟踪。

　　“识鱼”之后是“数鱼”。有了鱼体的精细定位和跟踪，研究人员结合视频识别、多边形ROI（感兴趣域）等技术，将识别的裸鲤圈定在一个动态固定的区域，记录“鱼体位置、运动方向、移动速度”等数据。如此，通过对任何时间点或时间段内的一个或者多个鱼体进行统计，并返回每条鱼的坐标位置与移动方向等属性，来精准确定每一条裸鲤目标，进而开展对裸鲤个体轨迹分析和群体轨迹分析。

　　“目前的检测计数方法准确度超过95%、多目标跟踪精度达到80%，而且算法从稀疏到密集场景都能适用，速度上也能够做到实时追踪。”姚志强告诉记者，这些数据通过推演，可帮助科研人员及时掌握裸鲤繁育数量及生态分布情况，及时发现潜在风险，从而实现对裸鲤监测与保护。

　　AI保护濒危动物大有可为

　　值得欣慰的是，截止2020年12月，裸鲤蕴藏量已从2002年最低点的2592吨，突破10万吨。

　　“实践证明，AI技术能够更加准确地监测种群信息，本项目的应用就是一个生动的例子。”王鲁海认为，AI在濒危物种保护方面大有可为：“濒危物种在野外的种群数目很少，通过AI技术甚至可以做到对个体的精准识别，再结合大范围的野外监控部署，就能够获得个体行为轨迹或规律。

　　他介绍说，目前一些“猴脸识别”的技术方案正在做深入研究，成熟后可用于我国野外金丝猴的保护。此外他还提出，通过AI技术识别造成物种走向濒危的风险因子，也能够为及时预警和采取针对性应对方案提供极大帮助。

　　据王鲁海介绍，目前这套软硬件结合的鱼类监测系统不仅适用于裸鲤的监测保护，还适用于多种浅水河流的洄游性鱼类的野外监测，比如华子鱼、川陕哲罗鲑等我国特有的洄游性鱼类。而这套经实践技术成熟的AI系统，可以拓展到多种野生动物的监测，助力管理部门和科研工作者实时掌控珍稀物种动态，合理制定物种保护策略。

　　“对濒危动植物的AI守护是一条艰巨而长远的道路。”姚志强说，未来，云从科技将以裸鲤守护为原点持续拓展生态合作，基于智能化濒危生物保护方案，将AI与濒危生物监测、研究和保护融合共创，维护物种多样性，守护生态净土。