“它是谁?”西北大学“猴脸识别技术”实现秦岭金丝猴的个体识别

秦岭,全球25个生物多样性热点地区,大量珍稀、孑遗物种生存其中,野生动物保护工作极为受到关注。川金丝猴,一种珍稀濒危且中国特有的灵长类物种,就生存在秦岭山系之中。为了对其进行保护和研究,西北大学金丝猴研究团队长期开展野外跟踪研究,20年前经过艰难探索实现了对野生金丝猴的近距离观察和个体识别,从而揭示了金丝猴“神秘的面纱”,推动了中国灵长类行为生态学的快速发展。但是,如何能够准确、快速的对野生金丝猴进行个体识别,并实现连续的“焦点动物取样”和个体全覆盖的“全事件取样”,从而通过个体识别,以科学地认识并据此开展保护,一直是全世界动物学家向往但又无法突破的难题。

西北大学郭松涛教授针对这一前沿问题,与计算机科学领域的专家深度交叉融合,建立动物AI(Artificial Intelligence,即人工智能)研究团队。该团队基于金丝猴研究团队长期对该物种特征的研究结果,利用神经网络原理,提出具有关注机制的深度神经网络模型(图2),首次开发出基于Tri-AI技术的金丝猴个体识别系统。Tri-AI系统颠覆了依靠动物个体特征(斑纹、颜色、伤疤)或者人为标记特征(如烙印、刺青、染色、环志、无线电项圈及遗传标记)的传统方法,实现了对野生个体的准确身份识别和连续跟踪采样的功能(图3)。更重要的是,该系统为在“理想条件下”实现“无观察者干扰效应”的动物学研究提供了可能。

Tri-AI系统不仅可以应用于多个类群的不同物种,还可实现夜间连续无碍观测。目前该系统已经在灵长类的41个代表性物种和4种食肉动物群体进行了适用性验证,平均识别精度达94.1% (图4)。该技术极大的提高了个体数据分析效率,为动物学研究提供新的技术方案,也为实现野生动物保护和智能管理提供可靠的技术支撑。

该研究成果以“Automatic identification of individual primates with deep learning techniques”为题(图4),发表于CELL旗下综合性子刊《iScience》上。西北大学郭松涛教授为论文通讯作者和第一作者,西北大学许鹏飞教授和西安电子科技大学苗启广教授为该论文的共同第一作者。该技术已获得3项国家发明专利。该工作受到国家自然科学基金委、中国科学院、陕西省科技厅、陕西省林业草地局等机构的大力支持。

目前,该项工作已经进入到应用推广的阶段。一方面,已初步完成“动物个体识别”系统(V1.0)的开发,并在多处秦岭金丝猴分布地用于多个种群、上千只个体的识别和记录,开始启动建立秦岭金丝猴个体信息库的工作;另一方面,该项工作进一步扩展应用行业和范围,结合野外和圈养条件下识别动物的不同应用场景与需求,进行个性化识别功能的研发,并将在基于动物精准识别的基础上实现动物保护、饲养、繁育和研究的精细化管理。

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