AI заглядывает в глубины: высокоточное 3D-отслеживание рыб коралловых рифов

Международная исследовательская группа под руководством эколога доктора Джулиана Лилькендея из Центра тропических морских исследований им. Лейбница (ZMT) применила инновационные технологии искусственного интеллекта для высокоточного анализа перемещений рифовых рыб в Красном море.

Исследование, опубликованное в журнале Ecology and Evolution, сочетает стереовидеотехнологию с AI-управляемым 3D-трекингом. Метод позволил получить детальное представление о моделях движения и энергозатратах двух видов рыб-хирургов в их естественной среде обитания.

Результаты наблюдений и методология

Наблюдения показали, что коричневая рыба-хирург (Acanthurus nigrofuscus) предпочитала водоросли, растущие на мертвых кораллах, в то время как желтохвостая зебрасома (Zebrasoma xanthurum) использовала более широкий спектр пищи, включая водоросли на осадочных породах, коралловом щебне и песке.

Пространственно исследователи зафиксировали трехмерное движение рыб во время кормления с помощью калиброванных стереовидеосистем, что выходит далеко за рамки обычных двумерных наблюдений.

Целевое обучение модели AI для распознавания видов:

• Изначально использовалась предварительно обученная программа YOLOv5 (You Only Look Once version 5) для обнаружения объектов в реальном времени.
• Для исследования YOLOv5 была дообучена с использованием дополнительных фоновых изображений из Красного моря и фотографий с сайта гражданской науки iNaturalist, чтобы точнее распознавать рыб на видеозаписях и классифицировать их по видам.
• Для последующего трехмерного отслеживания ученые применили алгоритм DeepSORT (Simple Online and Realtime Tracking with a Deep Association Metric). Этот алгоритм обеспечивает надежное отслеживание множества объектов, следуя за обнаруженными рыбами в последовательных кадрах видео, даже когда они временно исчезают из виду.
• Интеграция 3D-информации из стереопар изображений позволила алгоритму генерировать точные трехмерные модели движения рыб.

Экологическая роль и значение

Связь этого подхода с моделированием энергозатрат дала новые представления об экологии рыб-хирургов:

• Коричневая рыба-хирург продемонстрировала специализированное пищевое поведение, в отличие от генерализованного поведения желтохвостой зебрасомы.
• Несмотря на низкую биомассу, оба вида вносят значительный вклад в выпас на рифе, используя энергию, полученную из пищи, с одинаковой эффективностью в своих перемещениях.

Эти результаты подчеркивают важность разделения экологических ниш и роль рыб-хирургов в поддержании экологического баланса коралловых рифов. «Изменения в пищевом поведении и энергетическом балансе рыб-хирургов могут влиять на рост водорослей и рекрутирование коралловых личинок, воздействуя на здоровье и биоразнообразие всей рифовой экосистемы», — отмечает Лилькендей.

Новаторский методологический подход позволяет глубже заглянуть в сложность поведения рыб и результирующих потоков энергии. Методология также открывает новые возможности для создания «Энергетических морских ландшафтов» — детальных карт энергозатрат животных в морских экосистемах, что критически важно для разработки эффективных индикаторов здоровья и новых мер защиты рифов.