水暖莺飞时，新建的沙河水库AI智能监测站点“开工”首日，便已识别鸟类物种数达50多种。
沙河水库观测站是北京市水务系统“河湖鸟类AI智能识别监测装备”今年新设的12处站点之一，该装备系统被誉为“河湖精灵监测眼”，曾于去年在官厅水库成功监测到国家一级保护动物黑脸琵鹭影像。
沙河水库的鸟儿正在嬉戏。北京市水务局供图
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“AI观鸟”再添生力军
2022年，北京市水务部门改变过去“人工蹲守”的传统监测方式，开创性地将AI技术应用于水生态鸟类多样性监测，建设了3座河湖鸟类AI智能识别自动监测站（密云水库1号站、官厅水库1号站和六渡站），探索首都河湖鸟类的自动化、智能化监测。
AI智能识别自动监测最大的优点在于受自然条件影响小，对人力的依赖度低，准确度高。该装备配有超高清摄像头、鸟鸣声四向拾音器、终端计算机等硬件系统，具有模块化、低功耗优点，不仅能实现多种通讯模式，确保数据无死角传输，还能适应没有市电、光纤的野外环境，经测试在阴雨条件下可连续运行至少96个小时以上。
北京市水务局水质水生态监测中心高级工程师杨蓉介绍，截至去年12月31日，3座AI监测站共拍摄照片超过18000张，识别并记录河湖鸟类近40种。观测到的鸟类中，既有北京地区常见的普通鸬鹚、苍鹭、绿头鸭、白鹭、骨顶鸡等，也有不少“稀客”，包括部分珍稀鸟类或北京地区出现较少的鸟类，如黑脸琵鹭、黑鹳、牛背鹭、红尾水鸲等。
官厅水库的黑翅长脚鹬。北京市水务局供图
“今年，密云水库不老屯鸟岛、官厅水库野鸭湖、永定河卢沟桥和大宁水库、潮白河向阳闸、沙河水库等区域已经有新的AI监测站点‘入驻’。”杨蓉表示，鉴于去年3个站点试运行成效显著，结合前期全市水生态监测情况，今年水务系统选择鸟类聚集、繁衍、迁徙的区域，计划在全市范围内再建设12处监测站点，其中包括11处固定站点和1处移动站点。“温榆河公园、南海子郊野公园、团城湖、泃河等传统‘观鸟圣地’的站点建设也在加紧推进中。”
值得注意的是，今年新设的唯一一处移动站点将被“委以重任”。“固定站点设备牢固可靠，监测稳定连贯，但也存在监测区域局限、监测对象单一等弊端。比如，大型鸟喜欢停驻的地方，许多体型较小的鸟可能就不敢停留，如果仅依赖固定站点，就会使监测不够灵活，而移动站点就能有效规避这一问题。”杨蓉表示，下一步，移动站点将被充分利用在季节性鸟类迁徙通道、补水后的岸边及生态廊道等多场景监测中。
密云水库的牛背鹭。北京市水务局供图
闻“声”识鸟儿
除了稳定“扩编”外，今年河湖鸟类AI智能识别监测装备还增加了新的“武艺”。经过技术改造，水质水生态监测中心为系统添加了“鸟鸣识别”功能，通过采集鸟鸣声准确判断鸟的种类。
“鸟鸣声也同人声一样，具有高度差异化的特质。”杨蓉介绍，声音识别不同于图像识别，它受空间范围限制较小，而且能在树丛等复杂地形中采集信息，不易受到物体遮挡等干扰，更适合鸟类信息采集工作。
实现鸟鸣识别的第一步，就是建立本地区鸟鸣信息数据库，为声音识别系统进行建模。技术人员从鸟类公开数据集中下载了包括绿头鸭、苍鹭、鸬鹚等在内的20种北京地区常见鸟类的鸣声构建数据集。通过在站点周边安装的四向拾音器采集鸟类声频并保存，与数据库比对进行识别。
“河湖鸟类信息的采集主要会受风声、水声等环境噪声的干扰。为降低这类干扰，系统预设了适应滤波算法，能在识别前对常见的环境噪声进行消除。”杨蓉介绍，初步试用证明，鸟鸣识别对一些鸣声高亢的鸟类、背景声音不复杂的鸟类，以及非特殊的单一叫声的鸟类识别准确率还是非常理想的。
“遇到没有预存在数据库的鸟鸣，系统会对信息进行保存、检测和裁剪，经过专业人员确认后，作为新的样本扩充数据库。”谈及AI鸟类监测的“小目标”，杨蓉表示，将在数据充足、技术成熟的基础上，推动鸟鸣与图像的复合识别，这将极大提高监测的效率及准确度。
六渡的黑鹳。北京市水务局供图
打造水生态监测智慧化时代
目前，AI技术在北京市水生态监测领域主要应用于鸟类、鱼类和浮游生物三个方面。
“鸟类、鱼类的监测，大家比较容易想象，在相对微观的浮游生物监测方面，AI技术其实也可以发挥非常惊人的效能。”杨蓉介绍，过去水务部门针对浮游植物的监测主要依靠人工镜检识别的方法，需要人工肉眼在显微镜下对藻包液样品中的浮游动植物种类、数量进行识别。
“这非常考验‘眼力’，即便是熟练的技术员，每天最多也就处理10多个样品，再多了眼睛就会又花又涩。”杨蓉说，不仅如此，人工镜检对技术人员的经验和知识储备要求极高，同时容易受到悬浮物、水色等多种因素影响，检验结果误差较大。
为克服传统镜检法的不足，进一步提高浮游生物监测效能，北京市水务部门组织开展了浮游生物AI智能识别技术研究。借助AI“电子眼”，同时以先进成熟的“流式细胞技术”加持，导入样品、聚焦、拍摄、识别、计数——整个过程自动化一气呵成，能在无人值守条件下完成浮游生物种类、比例、密度等多项指标自动分析和输出。“利用AI技术，现在每天能处理100多个样品，且极大地提高了准确性和效率。”杨蓉说。
新京报记者 吴婷婷 通讯员许睿 刘波
编辑 刘梦婕 校对 李立军
