Автономная система SYMBIOSIS для мониторинга косяков рыбы
Международная научная инициатива в рамках программы ЕС Horizon 2020, проект SYMBIOSIS, разрабатывает автономную систему для идентификации косяков рыбы, включая данные об их размере и перемещениях на глубине. Проект возглавляет Университет Хайфы (Израиль), а две исследовательские группы из Института IMDEA Networks (Мадрид) вносят свой вклад в разработку.
Система SYMBIOSIS интегрирует акустические и оптические технологии без необходимости вмешательства человека и сможет передавать предупреждения в реальном времени на береговые станции. Эти данные будут способствовать формированию политики океанического рыболовства и усилению защиты морской среды.
«Система будет экологически чистой... она предоставит надежную информацию о состоянии морских рыбных запасов. В настоящее время практически невозможно собрать такую информацию без огромных ресурсов», — пояснил координатор проекта д-р Рои Диамант из Школы морских наук Университета Хайфы.
Проблема и решение
Развитие технологий рыболовства привело к осознанию, что перелов — одна из самых серьезных проблем для морских экосистем. Глобальные органы рыболовства стремятся регулировать перелов, но существует очень мало методов для мониторинга запасов в реальном времени. Традиционные методы с использованием судовых гидролокаторов требуют значительных ресурсов, ограничены по охвату и подвержены ошибкам выборки.
Система SYMBIOSIS, сочетающая акустические и оптические технологии, будет автономно мониторить морскую среду в радиусе одного километра, собирая данные в течение длительного времени и передавая их на береговой центр. Исследование сосредоточено на идентификации шести крупных видов рыб, пользующихся высоким спросом:
- Два вида тунца
- Ставрида (Trachurus mediterraneus)
- Атлантическая скумбрия (Scomber scombrus)
- Корифена (Coryphaena hippurus)
- Рыба-меч (Xiphias gladius)
Как работает система
Обработка данных в SYMBIOSIS происходит по цепочке:
- Акустическое обнаружение и классификация: Акустические сенсоры обнаруживают рыбу на основе типичной скорости и характеристик движения, измеряют размер особей и общую биомассу в зоне.
- Оптическое подтверждение: После идентификации одного из шести целевых видов акустической системой активируется оптическая система с несколькими камерами.
- Сложная обработка данных: Используются алгоритмы распознавания изображений на основе глубокого обучения.
- Передача данных: После подтверждения вида оптической системой информация передается с помощью подводной акустической связи, а затем по радиоканалу на береговую станцию.
Научные вызовы
Акустическая локализация:
«Использование акустики для локализации конкретных видов рыб очень сложно... Алгоритмы обработки сигналов должны находить баланс между сложностью и точностью», — отметил д-р Паоло Казари, руководитель лаборатории Ubiquitous Wireless Networks в IMDEA Networks.
Сложности включают необходимость энергоэффективности, наличие фоновых акустических шумов и слабый сигнал от рыбы по сравнению с помехами.
Оптическая классификация:
«Для оптики морская среда характеризуется низкой видимостью... Большая задача — обеспечить хорошую производительность обнаружения и минимизировать ложные срабатывания», — добавляет д-р Диамант.
Основные проблемы:
- Недостаток предварительно классифицированных изображений для обучения классификатора.
- Существующие изображения часто сделаны в условиях видимости, отличных от рабочих условий системы.
Для решения этих проблем в SYMBIOSIS используют публичные базы данных фотографий рыб (многие предоставлены дайверами и подводными фотографами), а также начинают с предварительно обученных нейронных сетей для распознавания объектов, с последующим добавлением изображений из тестовой среды проекта.