【案例分享】利用数据科学进行海洋保护

由于北大西洋露脊鲸只剩下不到370头，保护这些濒临灭绝的海洋巨鲸是全球当务之急。它们的生存受到船舶碰撞、栖息地破坏和气候驱动的迁徙模式变化的威胁。为了应对这些挑战，NOAA（美国国家海洋和大气管理局）的科学家们正在转向尖端的数据分析工具来监测鲸鱼种群并减轻人类的影响。

这项工作的核心是IDL交互式数据语言，这是一个强大的科学编程环境，用于彻底改变鲸鱼检测、声学分析和保护策略。

 

IDL如何改变鲸鱼保护

NOAA 科学家 Genevieve Davis 与 NV5 首席专业服务顾问 Atle Borsholm 以及伍兹霍尔海洋研究所 （WHOI） 的海洋生态学家 Mark Baumgartner 合作开发了一种自动声学检测系统，该系统可处理大量水下麦克风数据以实时跟踪鲸鱼种群。

为什么重要

传统上，分析声学数据是一个非常耗时的过程，需要科学家手动筛选记录，通常需要数月或数年才能提取信息。借助 IDL，NOAA 可以快速处理、分类和分析鲸鱼叫声，从而显著缩短处理时间并扩展检测能力。

 此过程将高级自动化与科学家专业见解相结合，以实现：

• 大容量数据处理：IDL 每天处理数 TB 的声学数据，以令人难以置信的精度快速识别鲸鱼物种及其独特的叫声。
• 物种区分：该系统可以自动对呼叫进行分类，例如长须鲸的20赫兹脉冲或露脊鲸的上行呼叫，并显示置信度供科学家查看。
• 手动验证和重新分类：IDL使研究人员能够交互式地探索检测、侦听呼叫，并使用频谱可视化来优化分类以提高准确性。
• 自定义报告：该系统生成量身定制的报告，以跟踪物种行为、迁移模式和随时间变化的异常情况，为保护策略提供可作的见解。

真实世界影响：防止船舶碰撞和保护生态系统

基于IDL的鲸鱼检测最关键的应用之一是减少船只撞击，这是鲸鱼死亡的主要原因。以下是它的工作原理：

• 航道修改：声学检测有助于识别露脊鲸的迁徙路线，使政策制定者能够修改航道并降低致命碰撞的风险。
• 减速区：NOAA 使用实时鲸鱼检测来执行动态管理区（DMA）。 如果检测到鲸鱼，船舶必须减速的区域。研究表明，降低轮船速度会显著减少致命打击。
• 自动向航运公司和政府发出警报：通过实时声学平台，NOAA可以向船只和政府机构发送即时警报，通知他们鲸鱼的存在并推荐积极措施。

Robots4Whales项目：自主监控

该计划的一个关键组成部分是由 WHOI 的 Baumgartner 领导的 Robots4Whales 项目。该项目采用配备数字声学监测仪器（DMON）和低频检测和分类系统（LFDCS）的自主监控平台来近乎实时地监测鲸鱼种群。这些平台包括：

Slocum Gliders：用于安静、长时间监控的自主水下航行器。

系泊浮标：在战略位置提供连续数据收集的固定平台。

分析浮子：用于长期、大面积声学测量的漂移仪器。

 通过卫星向岸上研究人员传输数据，保护团队可以比以往任何时候都更快地做出响应，从而确保及时干预。最近的检测已经导致对长须鲸和座头鲸的管理策略得到改进。

交互式鲸鱼数据：被动声学鲸类地图

被动声学鲸类地图 （PACM）基于被动声学监测，显示在北大西洋检测到特定鲸鱼、海豚和其他鲸类物种的时间和地点。用户可以查看检测趋势、分析物种分布模式和交互式探索数据。

 

用于鲸鱼呼叫识别的 IDL 工作流程

第 1 步：自动检测过程

• IDL 工作流会自动处理数十 GB 的原始声学数据。
• 该系统检测频率模式以识别不同的鲸鱼叫声。

下图显示了用于该过程的主要工具。

第 2 步：鲸鱼叫声的频谱表示

以下是一些鲸鱼叫声的频谱表示示例：

此选定的调用发生在16：01：55 UTC。此呼叫被自动分类为 2 类（Sei whale high down sweep）呼叫，置信度为78%，或者不太可能是 17型 21%，可能是1型的可能性为 0.02%。

步骤3：Manuel审查和重新分类

• 研究人员可以快速浏览检测结果、播放录音并直观地分析频谱数据。
• 如果需要，他们可以手动对检测到的任何呼叫进行重新分类，以提高准确性。

扩大 IDL 的全球保护潜力

IDL 在鲸鱼保护方面的成功只是它如何被利用的一个例子。以下是其他一些示例：

• 太空探索：NASA 使用 IDL分析卫星数据，以进行太空探索和地球监测。
• 医学成像：医学研究人员利用IDL改进MRI 图像分析和疾病检测。
• 气候科学：海洋学家应用 IDL 来研究气候变化对海洋生态系统的影响。

由于 IDL 背后的技术不断创新，它将在未来的全球环境保护中发挥至关重要的作用，帮助研究人员处理大量数据集、发现新见解并保护地球上最脆弱的物种。

图片来源：NOAA Fisheries/Peter Duley   原文Erin Eckles