導讀
近日，以色列海法大學和西班牙 IMDEA 網絡研究所的研究團隊一起開發出可以實時監測魚群的創新型自動化系統：SYMBIOSIS。
背景
從20世紀起，捕撈技術不斷髮展，逐漸成為海洋生態系統所面臨的最嚴重的問題之一。有預測稱，如果過度捕撈不能得到有效控制，2048年世界上的魚類資源將可能面臨枯竭。
全球漁業當局都希望通過有關魚類資源的新條例與執法來限制過度捕撈。但是，目前實時監測魚群的方法非常少。其中大多數都是通過水麵船隻採用聲納定位魚群。以色列海法大學海洋科學院博士 Roee Diamant 表示，這些方法需要大量的資源和人員來監測和解釋聲納的發現。所以，基於經濟效應方面的考量，這種方法的可行性有限。
此外，採用聲納常常會將對於魚群的探索，限制在狹窄的區域（位於採樣船隻的下方），從而影響到後續的決策。這種隨機並短期的海洋環境取樣提供的有限統計數據，意味著這個過程中很可能會存在大量的取樣錯誤。
創新
近日，以色列海法大學和兩支來自西班牙 IMDEA 網絡研究所的團隊一起開發出一種創新型自動化系統：SYMBIOSIS，實時監測魚群。
這種系統將光學技術與聲學技術結合到一起，同時也是環境友好的，還提供了關於海洋魚類種群狀況的可靠信息。目前，在沒有投入大量資源的情況下，幾乎不可能獲取到這種可靠的信息
海法大學領導了該項目，西班牙馬德里 IMDEA 網絡研究所的兩支科研團隊也為項目的開發作出了貢獻。IMDEA 網絡研究所的研究人員專注於設計高效的魚類定位系統，以及針對選定魚類的視覺識別。位於馬德里的研究所的兩個團隊分別是：由 Paolo Casari 博士領導的普適無線網絡實驗室和 Antonio Fernandez Anta 博士領導的全球計算小組。
SYMBIOSIS 受到了歐洲委員會的研究和創新計劃地平線2020的贊助。參與 SYMBIOSIS 項目的四個研究所包括：以色列海法大學（協調者）、西班牙馬德里 IMDEA 網絡研究所、意大利 Wireless & More 公司、德國 EvoLogics Gmbh 公司。
技術
SYMBIOSIS 項目正在開發一種自動化系統，用於分辨魚群，包括它們的尺寸以及在深水中運動的信息。SYMBIOSIS 系統集成了無需人類干預的聲學技術與光學技術，並能實時傳送警報至海岸的臺站。這些數據將有利於海洋捕撈政策的制定，以及進一步提升對於海洋環境的保護。
Diamant 解釋道：“這個系統將是環境友好的，不僅因為它的運行是非侵入式的，不會影響海洋生態系統，更重要地是，它將為海洋魚類種群狀況的提供更可靠的信息。目前，在沒有大量資源投入的情況下，幾乎無法採集這些信息。我們希望通過採用最新的光學技術和聲學技術，改變對於海洋資源的態度。”
SYMBIOSIS 系統將光學技術與聲學技術相結合，在一千米的半徑範圍內，監測海洋環境，特別是魚群的大小。整個系統完全是基於自動化的，長期採集水下數據，並將信息傳送至海岸中心。這項研究專注於識別六種大型魚類，它們對於漁業來說需求很大：兩種金槍魚；一種竹莢魚；一種大西洋鯖魚；一種鯕鰍魚；一種旗魚。它將為漁業當局提供具體和可操作的信息。
這個解決方案具有一條處理鏈，它從對於魚類速度和運動特徵的聲學探索和分類開始。聲學傳感器也可以測量魚類的大小以及區域中魚的數量。一旦聲學系統識別出這六種魚中的一種，它就會觸發光學系統。光學系統具有幾個攝像頭，並採用各種深度學習圖像識別算法，進行復雜的數據處理。當光學系統確認識別出這六種魚中的一種時，它們會通過水下聲學通信發送信息，然後通過無線電波與海岸上的臺站通信。
Casari 博士說：“採用聲學定位特殊的魚類是極具挑戰性的。首先，聲學處理鏈必須採用低成本的組件，並需要是高度節能的。在魚類識別系統中部署的信號處理算法，必須在複雜度與準確度之間有一個很好的權衡。此外，水下環境含有許多噪音源和反射器，SYMBIOSIS 系統周圍的魚的信號要比環境中的聲學干擾信號弱許多。算法必須足夠健壯才能應對這些挑戰。”
Diamant 博士繼續說：“對於光學器件來說，海洋環境具有低能見度的特徵，而且水中的成分會使得圖像失真。最大的挑戰就是保證良好的檢測性能並且使得假的報警儘可能少。這需要在深海環境中自主發生，在那裡幾乎沒有人類干預的可能性。”
Fernández Anta 博士總結道：“對於魚類的光學分類也會面臨其自身的特殊挑戰。對於訓練深度學習分類器來說，預分類的圖像很少。許多圖像都是在系統將會遇到的不同能見度條件下拍攝的。在 SYMBIOSIS 系統中，我們通過利用魚圖片的公共數據庫來處理這種不確定性，許多圖片都是由潛水員或者水下攝影師拍攝。為了解決缺少大型圖像數據集的問題，我們正在開始通過預訓練的神經網絡進行物體識別。一旦我們進入項目的實驗階段，我們會添加更多來自 SYMBIOSIS 測試環境的圖像。”
該項目包括：探索和分類的創新算法開發、專用硬件的應用、大量海洋試驗的實現。作為項目的一部分，一個正在開發的原型包括：聲學傳感器系統、攝像頭網絡、複雜的處理單元、保證自主活動的能量單元。該項目的目標是在三種不同海洋環境下，對於原型系統的性能進行採樣。這三種環境分別是：較淺的地中海、較深的地中海、加那利群島的炎熱環境。
價值
SYMBIOSIS系統，在無人類干預的情況下，集成聲學技術和光學技術，實時監測魚群。它將影響捕撈政策的開發，以及進一步提升對於海洋環境的保護。
該項目將進行至2020年11月份。它將為分佈式和大規模的水下環境監測提供新型解決方案，對於海洋生物學研究、自然環境保護以及歐洲和全球範圍內的漁業政策制定，都會產生積極影響。
關鍵字
海洋、聲學、光學、定位
【1】https://www.networks.imdea.org/whats-new/news/2018/innovative-autonomous-system-identifying-schools-fish
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