Sara Beery llegó al MIT como profesora asistente en el Sección de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT (EEC) ansiosa por centrarse en los desafíos ecológicos. Ella ha creado su carrera de investigación en torno a la oportunidad de aplicar su experiencia en visión por computadora, educación obligatorio y ciencia de datos para acometer los problemas del mundo positivo en conservación y sostenibilidad. Beery se sintió atraída por el compromiso del Instituto con la «Computación para el planeta», y se propuso sobrellevar sus métodos al monitoreo ambiental y de biodiversidad a escalera total.
En el noroeste del Pacífico, el salmón tiene un impacto desproporcionado en la sanidad de sus ecosistemas, y sus complejas deyección reproductivas han atraído la atención de Beery. Cada año, millones de salmón se embarcan en una migración para desovar. Su alucinación comienza en camas de arroyos de agua dulce donde eclosionan los huevos. Los jóvenes fritos de salmón (salmón recién nacido) se dirigen al océano, donde pasan varios primaveras madurando hasta la etapa adulta. Como adultos, el salmón regresa a las corrientes donde nacieron para desovar, asegurando la continuación de su especie depositando sus huevos en la balasto de los lechos de la corriente. Tanto el salmón masculino como el mujeril mueren poco a posteriori de suministrar el hábitat del río con la próxima reproducción de salmón.
A lo derrochador de su migración, el salmón apoya una amplia grado de organismos en los ecosistemas que pasan. Por ejemplo, el salmón trae nutrientes como el carbono y el ázoe del río río hacia lo alto, mejorando su disponibilidad a esos ecosistemas. Por otra parte, el salmón es esencia para muchas relaciones depredador-pre-pore: sirven como fuente de alimento para varios depredadores, como osos, lobos y aves, al tiempo que ayudan a controlar a otras poblaciones, como los insectos, a través de la depredación. A posteriori de fallecer por el desove, los cadáveres de salmón en descomposición igualmente reponen nutrientes valiosos al ecosistema circundante. La migración del salmón no solo sostiene su propia especie, sino que juega un papel fundamental en la sanidad caudillo de los ríos y los océanos que habitan.
Al mismo tiempo, las poblaciones de salmón juegan un papel importante tanto económica como culturalmente en la región. La pesca de salmón comercial y recreativa contribuye significativamente a la posesiones específico. Y para muchos pueblos indígenas en el noroeste del Pacífico, el salmón tiene un valencia cultural extraordinario, ya que han sido centrales para sus dietas, tradiciones y ceremonias.
Monitoreo de la migración del salmón
El aumento de la actividad humana, incluida la sobrepesca y el progreso de la energía hidroeléctrica, anejo con la pérdida de hábitat y el cambio climático, han tenido un impacto significativo en las poblaciones de salmón en la región. Como resultado, el monitoreo efectivo y la gobierno de la pesca de salmón es importante para avalar el estabilidad entre los intereses ecológicos, culturales y humanos competidores. Contar con precisión el salmón durante su migración estacional a su río Procedente para desove es esencial para rastrear poblaciones amenazadas, evaluar el éxito de las estrategias de recuperación, gobernar las regulaciones de la temporada de pesca y apoyar el manejo de las pesquerías comerciales y recreativas. Los datos precisos de la población ayudan a los tomadores de decisiones a invertir las mejores estrategias para defender la sanidad del ecosistema al tiempo que acomodan las deyección humanas. El monitoreo de la migración del salmón es una empresa intensiva e ineficiente.
Actualmente, Beery lidera un esquema de investigación que tiene como objetivo optimizar el monitoreo de salmón utilizando métodos de visión por computadora de vanguardia. Este esquema se ajusta al interés de investigación más amplio de Beery, que se centra en el espacio interdisciplinario entre la inteligencia químico, el mundo natural y la sostenibilidad. Su relevancia para la gobierno de la pesca lo convirtió en una buena opción para la financiación del Laboratorio de Agua y Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT (J-WAFS). La subvención de semillas J-Wafs 2023 de Beery fue la primera financiación de investigación que fue otorgada desde que se unió a la aptitud del MIT.
Históricamente, los esfuerzos de monitoreo se basaron en los humanos para contar manualmente el salmón de las orillas del río utilizando la panorama. En las últimas décadas, se han implementado sistemas de sonar submarinos para ayudar a contar el salmón. Estos sistemas de sonar son esencialmente cámaras de video submarinas, pero difieren en que usan acústica en punto de sensores de luz para capturar la presencia de un pez. El uso de este método requiere que las personas configuren una tienda de campaña anejo al río para contar el salmón en función de la salida de una cámara de sonar que está conectada a una computadora portátil. Si acertadamente este sistema es una restablecimiento en el método llamativo de monitorear el salmón por panorama, todavía se zócalo significativamente en el esfuerzo humano y es un proceso arduo y que requiere mucho tiempo.
La automatización del monitoreo del salmón es necesaria para una mejor gobierno de la pesca de salmón. «Necesitamos estas herramientas tecnológicas», dice Beery. «No podemos mantenernos al día con la demanda de monitorear y comprender y estudiar estos ecosistemas en realidad complejos en los que trabajamos sin alguna forma de automatización».
Para automatizar el conteo de poblaciones de salmón migratorias en el noroeste del Pacífico, el equipo del esquema, incluido Justin Kay, un estudiante de doctorado en EECS, ha estado recopilando datos en forma de videos de cámaras de sonar en diferentes ríos. El equipo anota un subconjunto de los datos para entrenar el sistema de visión por computadora para detectar y contar autónomos de forma autónoma a medida que migran. Kay describe el proceso de cómo el maniquí cuenta cada pez migrante: “El operación de visión por computadora está diseñado para emplazar un pez en el situación, dibujar una caja a su aproximadamente y luego rastrearlo con el tiempo. Si se detecta un pez en un flanco de la pantalla y se deja en el otro flanco de la pantalla, entonces lo contamos como moviéndose aguas hacia lo alto ”. En los ríos donde el equipo ha creado datos de capacitación para el sistema, ha producido resultados sólidos, con solo un error de conteo de 3 a 5 por ciento. Esto está muy por debajo del objetivo que el equipo y las partes interesadas en asociación no hay más de un error de conteo del 10 por ciento.
Pruebas e implementación: estabilidad del esfuerzo humano y el uso de la automatización
La tecnología de los investigadores se está implementando para monitorear la migración del salmón en el río Klamath recién restaurado. Recientemente se demolieron cuatro represas en el río, lo que lo convierte en el esquema de aniquilación de presas más ilustre en la historia de los Estados Unidos. Las presas cayeron a posteriori de una campaña de más de 20 primaveras para eliminarlas, que fue dirigida por las tribus Klamath, en colaboración con científicos, organizaciones ambientales y pescadores comerciales. A posteriori de la aniquilación de las presas, 240 millas del río ahora fluyen autónomamente y casi 800 millas cuadradas de hábitat son accesibles para el salmón. Beery señala la regeneración casi inmediata de las poblaciones de salmón en el río Klamath: «Creo que fue en el interior de los ocho días de la presa que bajó, comenzaron a ver que el salmón en realidad emergió río hacia lo alto más allá de la presa». En colaboración con California Trout, el equipo actualmente está procesando nuevos datos para adaptarse y crear un maniquí personalizado que luego se puede implementar para ayudar a contar el salmón recién migrante.
Un desafío con el sistema expedición en torno al entrenamiento del maniquí para contar con precisión los peces en entornos desconocidos con variaciones como características del curso del río, claridad de agua y condiciones de iluminación. Estos factores pueden alterar significativamente cómo aparecen los peces en la producción de una cámara de sonar y confundir el maniquí de computadora. Cuando se implementa en nuevos ríos donde no se han recopilado datos ayer, como el Klamath, el rendimiento del sistema se degrada y el ganancia de error aumenta sustancialmente a 15-20 por ciento.
Los investigadores construyeron un operación de amoldamiento cibernética en el interior del sistema para aventajar este desafío y crear un sistema escalable que pueda implementarse en cualquier sitio sin intervención humana. Esta tecnología de autoinicialización funciona para calibrar automáticamente las nuevas condiciones y el entorno para contar con precisión el pescado migratorio. En las pruebas, el operación de amoldamiento cibernética pudo someter el error de conteo al rango de 10 a 15 por ciento. La restablecimiento en el error de contar con la función de autoinicialización significa que la tecnología es más cercana a ser desplegable para nuevas ubicaciones sin mucho esfuerzo humano adicional.
Habilitar la gobierno en tiempo positivo con la «caja de pescado»
Otro desafío que enfrentó el equipo de investigación fue el progreso de una infraestructura de datos efectivo. Para ejecutar el sistema de visión por computadora, el video producido por las cámaras de sonar debe entregarse a través de la montón o enviando manualmente los discos duros desde un sitio de río hasta el laboratorio. Estos métodos tienen inconvenientes notables: un enfoque basado en la montón es prohibido correcto a la errata de conectividad a Internet en las ubicaciones de los sitios de Remote River, y el remisión de los datos introduce problemas de retraso.
En punto de entregarse en manos en estos métodos, el equipo ha implementado una computadora de bajo consumo, acuñó la «caja de pescado», que puede estilarse en el campo para realizar el procesamiento. Fishbox consiste en una pequeña computadora liviana con software optimizado que los gerentes de pesca pueden conectarse a sus computadoras portátiles y cámaras de sonar existentes. El sistema es capaz de ejecutar modelos de conteo de salmón directamente en los sitios de sonar sin la penuria de conectividad a Internet. Esto permite a los gerentes tomar decisiones de hora por hora, apoyando la gobierno más receptiva en tiempo positivo de las poblaciones de salmón.
Mejora comunitario
El equipo igualmente está trabajando para reunir a una comunidad en el monitoreo de la gobierno de la pesca de salmón en el noroeste del Pacífico. «Es sobrado emocionante tener a las partes interesadas que estén entusiasmadas por obtener golpe a (nuestra tecnología) a medida que avanzamos y tener una integración y colaboración más estricta con ellos», dice Beery. “Creo que particularmente cuando trabaja en los sistemas de alimentos y agua, necesita una colaboración directa para ayudar a suministrar el impacto, porque está asegurando que lo que desarrolla en realidad satisface las deyección de las personas y las organizaciones que está ayudando a apoyar. «
En junio pasado, el laboratorio de Beery organizó un taller en Seattle que convocó a organizaciones no gubernamentales, tribus y departamentos estatales y federales de pescado y vida silvestre para discutir el uso de sistemas de sonar automatizados para monitorear y gobernar las poblaciones de salmones. Kay señala que el taller fue una «oportunidad increíble para que todos compartieran diferentes formas en que están usando sonar y pensando en cómo los métodos automatizados que estamos construyendo podrían encajar en ese flujo de trabajo». La discusión continúa ahora a través de un canal de holgura compartido creado por el equipo, con más de 50 participantes. Convocar a este conjunto es un logro significativo, ya que muchas de estas organizaciones no habrían tenido la oportunidad de unirse y colaborar.
Pensando en el futuro
A medida que el equipo continúa sintonizar el sistema de visión por computadora, refinar su tecnología e interactuar con diversos interesados, desde comunidades indígenas hasta gerentes pesqueros, el esquema está perspicaz para hacer mejoras significativas en la eficiencia y precisión de la monitorización y gobierno de salmones en la región. Y a medida que Beery avanza el trabajo de su conjunto MIT, la subvención de semillas de J-Wafs está ayudando a perdurar desafíos como la gobierno de la pesca en su mira.
«El hecho de que la subvención de semillas de J-Wafs existiera aquí en el MIT nos permitió continuar trabajando en este esquema cuando nos mudamos aquí», comenta Beery, y agregó «igualmente amplió el zona de influencia del esquema y nos permitió perdurar una colaboración activa sobre Lo que creo que es un esquema en realidad importante e impactante «.
Como J-Wafs marca su décimo aniversario este año, el software tiene como objetivo continuar apoyando y alentando a la aptitud del MIT a apañarse proyectos innovadores que tengan como objetivo avanzar en el conocimiento y crear soluciones prácticas con impactos del mundo positivo en los desafíos globales del sistema de agua y alimentos.