Защита биоразнообразия: история успеха Kashmir World Foundation с Ultralytics YOLOv5 и YOLOv8

Фонд Kashmir World Foundation (KWF) был основан в 2008 году в Грейт-Фолс, штат Вирджиния, с целью внедрения новейших технологий для сохранения и защиты дикой природы во всём мире. KWF создаёт и эксплуатирует автономные беспилотные системы, которые помогают фонду сохранять природу и бороться с браконьерством. В 2013 году KWF начал внедрять искусственный интеллект в свою работу.

По данным WWF, утрата среды обитания представляет наибольшую угрозу существованию для 85% всех видов, занесённых в «Красный список», где виды классифицируются как находящиеся под угрозой исчезновения или под угрозой. В то же время спрос на диких животных, добытых браконьерами и используемых в традиционной медицине, в пищу или в качестве экзотических питомцев, сохраняется и, как сообщается, растёт. Вместе утрата среды обитания и браконьерство угрожают глобальному биоразнообразию и оказывают разрушительное воздействие на местные сообщества и окружающую среду.

Основательница и исполнительный директор Алия Пандольфи, отмечая высокий уровень внутреннего сотрудничества, рассказывает: «Студенты, преподаватели, инженеры и учёные со всего мира готовы безвозмездно делиться своим временем и опытом». KWF полностью управляется волонтёрами со всего мира. Благодаря их работе KWF добилась значительных успехов в защите уязвимых и многих находящихся под угрозой исчезновения видов, например барханных котов в Катаре, морских черепах в Коста-Рике и снежных барсов в Гималаях.

«Мы делаем всё это, потому что любим животных, но, что ещё важнее, хотим использовать свои навыки на благо мира и помогать этим видам выжить — иначе они могут исчезнуть». Алия Пандольфи, основатель и исполнительный директор фонда Kashmir World Foundation

Борьба с браконьерством#

Во многих случаях защитникам природы чрезвычайно трудно добраться до мест, где происходит браконьерство. В отдалённых уголках мира KWF приходится преодолевать четыре основных препятствия в работе по сохранению природы:

• Опасные погодные условия
• Непредсказуемая социально-политическая обстановка
• Труднопроходимая местность
• Недостаток ресурсов, чтобы постоянно отправлять людей в эти районы

Раньше защитники природы устанавливали в полевых условиях видеокамеры, а записи просматривали позже. При наличии сотен или тысяч часов видеоматериалов зрителям приходилось тщательно находить и распознавать как виды животных, так и браконьеров. Из-за нехватки времени и человеческих ошибок такой подход ставил защитников природы в невыгодное положение. Волонтёры KWF понимали, что им нужны более эффективные средства для борьбы с браконьерами и незаконной охотой.

Неизбежное развитие технологий — палка о двух концах. По мере того как технологии становятся совершеннее и доступнее, новейшими разработками могут воспользоваться как защитники природы, так и злоумышленники. Чтобы не отставать, защитникам природы нужно быть готовыми использовать новейшие технологии себе на пользу.

Творческий подход к решению проблемы#

Пандольфи требовалось эффективное решение для работы в полевых условиях, которое предоставляло бы KWF информацию в реальном времени. Ей нужно было решение, устраняющее человеческие ошибки и помогающее преодолеть четыре основных препятствия. Она понимала, что в миссии по борьбе с браконьерством даже несколько секунд могут иметь решающее значение, а значит, данные в реальном времени могут напрямую помочь предотвратить гибель животного.

Проявив изобретательность, Пандольфи задумалась о технологиях и ресурсах, необходимых для проекта. Большая часть нужных ей технологий уже доступна, но Пандольфи ждёт появления оборудования и программного обеспечения, которые должны выйти в ближайшем будущем. Она возглавила команду KWF, разрабатывающую подходы с использованием дронов, ИИ и GPS.

«В начале этого проекта многие в сообществе сомневались в его успехе. Мне говорили, что это безумие, что это невозможно, что у меня ничего не выйдет и что таких технологий не существует. Но я смотрела на перспективу: информатика и возможности дронов должны были развиваться и объединиться для этого проекта».

Размещая различные камеры и датчики в местах, которым угрожает опасность, KWF получает данные со всего мира и полезную информацию для принятия решений за доли секунды.

«Представь, что в определённом месте находятся браконьеры, — говорит Пандольфи. — Мы хотим иметь возможность следить за ними и сообщать рейнджерам об их местонахождении, чтобы те могли перехватить браконьеров и остановить их до того, как они убьют животных».

Почему YOLOv5?#

Поскольку KWF требовалось обнаруживать объекты в реальном времени, результаты работы модели должны были быть очень точными и надёжными. Рассматривая разные варианты, руководитель команды ИИ KWF Дэн Ээлтинг, студент из Нидерландов, сравнил производительность YOLOv4 и YOLOv5. Команда KWF выбрала YOLOv5 для своих проектов благодаря нескольким его отличительным особенностям:

• Для обучения моделей YOLOv5 требовалось меньше изображений.
• Благодаря открытому исходному коду технология была доступна команде KWF.
• Освоить YOLOv5 было несложно.

Для создания технологий, необходимых в работе по сохранению природы, KWF полагается на команду волонтёров, инженеров и стажёров со всего мира. Многие стажёры — школьники, некоторые из них почти ничего не знают о YOLOv5 или вовсе не имеют опыта работы с ним. Пандольфи увидела, что даже те, у кого было меньше всего опыта, смогли запустить YOLOv5 менее чем за три недели.

Кроме того, интеграция с платформой для отслеживания экспериментов упростила тонкую настройку моделей и наборов данных, позволив KWF максимально повысить эффективность моделей YOLOv5 в полевых условиях.

«YOLOv5 был точным и помогал нам спасать животных до того, как их убивали, а это и было нашей главной целью».

По словам Пандольфи, без YOLOv5 команда KWF была бы разочарована. До внедрения обнаружения объектов в проектах по охране природы не хватало данных. В начале 2023 года KWF планирует перевести свою работу на Ultralytics YOLOv8 — на тот момент последнюю версию архитектур Vision AI семейства YOLO (позднее её сменила Ultralytics YOLO26).

Развёртывание YOLOv5#

Сейчас KWF использует YOLOv5 для обнаружения объектов на датчиках в полевых условиях. Эти устройства отправляют данные биологам, которые анализируют информацию и формируют полезные выводы. В следующем году KWF планирует обучить YOLOv5 на наборах данных с изображениями, снятыми с дронов, а затем использовать эти дроны в полевых условиях.

Проекты по сохранению природы#

Морские черепахи#

В мире существует семь видов морских черепах, пять из которых занесены в Красный список МСОП как виды, находящиеся под угрозой исчезновения. Откладывая яйца, самки морских черепах выходят на пляжи и роют в песке гнезда. Этот процесс может длиться несколько часов, но после его завершения самки возвращаются в воду, оставляя яйца высиживаться в песке на 55–65 дней. Уходя навсегда, матери оставляют яйца практически беззащитными перед браконьерами, хищниками и природными стихиями.

Раньше защитники природы отслеживали морских черепах, отмечая на пляже все места, где находились гнёзда. Если в этих местах угроза была высокой, защитники природы временно переносили гнёзда в более безопасное место, а после вылупления выпускали черепашат в океан.

Для этого нужно вручную обходить пляжи длиной 30 миль и более и отмечать гнёзда. Обеспечить необходимое количество людей для ежедневного выполнения этой задачи оказалось непросто, особенно во время локдаунов из-за COVID-19.

Кроме того, иногда метки на гнёздах морских черепах приносили больше вреда, чем пользы. Отмеченные гнёзда могли привлечь браконьеров, а свиньи научились понимать, что метки указывают на расположенные поблизости гнёзда морских черепах, и съедали яйца.

KWF увидел возможность улучшить этот процесс: сократить потребность в людях и заменить легко заметные метки. Используя автономные воздушные системы с YOLOv5 для обнаружения, определения местоположения и описания гнёзд морских черепах, биологи могли бы получать информацию о гнёздах в реальном времени, включая следы черепах и географические координаты, вместо того чтобы вручную обходить пляжи и отмечать гнёзда.

Снежные барсы#

Густой белый мех снежных барсов с тёмными пятнами-розетками позволяет им отлично маскироваться в ландшафте Гималаев. В дикой природе они находятся на вершине пищевой цепи и не имеют естественных врагов. Однако из-за огромного спроса на их мех и другие части тела в индустрии моды и традиционной медицине, а также из-за утраты и фрагментации среды обитания, по оценкам, в дикой природе осталось всего от 4 000 до 6 500 снежных барсов.

Защищать снежных барсов чрезвычайно сложно из-за суровых условий среды, в которой они обитают:

• Большая высота над уровнем моря
• Обильные снегопады
• Сильные морозы
• Сильные ветры
• Крутые ущелья
• Труднопроходимая местность

Кроме того, увидеть снежного барса в дикой природе — большая редкость. Поэтому KWF разрабатывает автоматизированный способ защиты этих крупных кошек, используя дроны для их отслеживания и охраны. Сейчас технология дронов всё ещё находится в разработке: необходимо добиться, чтобы аппараты могли работать в условиях, нужных для отслеживания снежных барсов, — на высоте около 20 000–22 000 футов.

Когда технология станет доступна, KWF планирует использовать YOLOv5 в датчиках и на дронах, которые затем отправят в Гималаи. Для отслеживания датчики и дроны смогут обнаруживать следы лап на снегу, которые обычно быстро заметает ветром. Эти данные в реальном времени будут передаваться биологам и защитникам природы.

Посети сайт Kashmir World Foundation и узнай, как ты можешь помочь изменить ситуацию в рамках их природоохранной деятельности по всему миру.