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La Inteligencia Artificial atrae la atención de los esfuerzos para proteger a las focas del hielo y a las ballenas beluga de Alaska

Cuando Erin Moreland se propuso convertirse en zoóloga investigadora, ella imaginó pasar los días sentada en acantilados, en dibujar focas y otros animales para registrar sus vidas en un esfuerzo por entender sus actividades y proteger sus hábitats.

En lugar de eso, Moreland se encontró atrapada frente a la pantalla de una computadora, donde daba clic a miles de fotografías aéreas de hielo marino mientras escaneaba señales de vida en las aguas de Alaska. A su equipo le tomó tanto ordenar cada inspección – algo similar a mirar granos solitarios de arroz en vastos montículos de arena – que para cuando fue publicada, la información ya estaba obsoleta.

“Debe haber una mejor manera de hacer esto”, recuerda haber pensado. “Los científicos deberían ser liberados para contribuir más al estudio de los animales y entender mejor qué desafíos podrían enfrentar. Hacer algo que consume tanto tiempo les impide lograr otras cosas”.

Erin Moreland, científica de NOAA, tenía la seguridad de que había una solución tecnológica que le ayudara a su equipo a clasificar millones de imágenes aéreas de hielo cada año. Ella se sacó el premio mayor con la inteligencia artificial. (Foto cortesía de NOAA).

Esa mejor manera ya está aquí – una idea que comenzó, de manera inusual, con la vista desde la ventana de la oficina de Moreland en Seattle y su fortuito citatorio como jurado. Ella y sus compañeros científicos en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés) ahora utilizarán inteligencia artificial en esta primavera para ayudar a monitorear ballenas beluga en peligro de extinción, focas de hielo amenazadas, osos polares y más, lo que les ahorrará años del tiempo que les toma llevar esos datos a las manos correctas para proteger a los animales.

Los equipos entrenan a las herramientas de IA para distinguir a una foca de una roca y el sonido de una ballena del chirrido de una máquina de dragado mientras tratan de entender el comportamiento de los mamíferos marinos y les ayudan a sobrevivir en medio del hierro derretido y la creciente actividad humana.

El proyecto de Moreland combina tecnología IA con cámaras mejoradas en un avión de turbohélice de NOAA que volará sobre el Mar Beaufort al norte de Alaska durante abril y mayo de 2020, para escanear y clasificar imágenes para producir un conteo de población de focas de hielo y osos polares que estará listo en horas en lugar de meses. Su colega Manuel Castellote, científico asociado en NOAA, aplicará un algoritmo similar a las grabaciones que recolectará de equipo esparcido a través del fondo de Cook Inlet en Alaska, para ayudarle a descifrar de manera rápida cómo la cada vez menor población de belugas en peligro de extinción pasó su invierno.

Los datos serán confirmados por científicos, analizados por personal de estadística y luego reportados a personas como Jon Kurland, administrador regional asistente de NOAA para recursos protegidos en Alaska.

El científico Manuel Castellote (derecha) sale a Cook Inlet de Alaska cada primavera y otoño para recolectar micrófonos en el fondo del mar. Él y su equipo primero hacen sonar al equipo, lo instruyen para que suelte el micrófono para que pueda resurgir. Luego lo llevan a bordo para descargar los datos antes de guiarlo de nuevo al fondo del océano, donde va a escuchar por otros seis meses. (Foto por Daniela Huson con Ocean Conservation Research)

La oficina de Kurland en Juneau está encargada de supervisar los programas de conservación y recuperación para mamíferos marinos alrededor del estado y sus aguas y en ayudar a guiar a las agencias federales que emiten permisos o realizan acciones que pudieran afectar a especies amenazadas o en peligro.

De los cuatro tipos de focas de hielo en el Mar de Bering – barbudas, anilladas, manchadas y listadas – las primeras dos están clasificadas como amenazadas, lo que significa que es probable que estén en peligro de extinción en un futuro cercano. La ballena beluga de Cook Inlet ya está en peligro, con un descenso estable de una población de sólo 279 en la inspección de 2019, a un estimado de alrededor de mil hace 30 años.

Grupos individuales de ballenas beluga están aislados y no se reproducen con otros o dejan su hogar, “así que, si la población se extingue, no llegará otra; se irán para siempre”, comentó Castellote. “Otras belugas no sobrevivirían ahí porque no conocen el entorno. Así que perderíamos esa biodiversidad para siempre”.

Sin embargo, las recomendaciones de la oficina de Kurland para ayudar a mitigar el impacto de las actividades humanas como construcción y transportación, en parte al evitar los periodos y lugares de cría y alimentación de primer nivel, se ven obstaculizadas por una falta de datos oportunos.

“Hay información básica que tan solo no tenemos ahora, así que obtenerla nos dará una imagen mucho más clara de los tipos de respuestas que podrían necesitarse para proteger esas poblaciones”, mencionó Kurland. “En ambos casos, para las ballenas y las focas, esto tipo de análisis de datos es ciencia de punta, que llena los huecos que no tenemos otra forma de llenar”.

La primera inspección de focas de hielo de Erin Moreland fue en 2007, voló en un helicóptero ubicado en un rompehielos. Los científicos recolectaron 90 mil imágenes y pasó meses escaneándolas para encontrar sólo 200 focas. Fue un proceso tedioso e impreciso. (Foto cortesía de NOAA).

El proyecto de IA nació años atrás, cuando Moreland estaba sentada con su computadora en el Laboratorio de Mamíferos Marinos de NOAA en Seattle y vea a través del Lago Washington hacia las oficinas centrales de Microsoft en Redmond, Washington. Ella estaba segura de que había una solución tecnológica para su frustración, pero ella no conocía a alguien con las habilidades adecuadas para descubrirla.

Una semana, ella se sacó la lotería mientras servía como jurado en 2018. Ella escuchó a otros dos miembros del jurado que discutían sobre IA durante un receso del juicio, así que comenzó a hablar con ellos sobre su trabajo. Uno de ellos la conectó con Dan Morris del programa AI for Earth de Microsoft, que le sugirió que presentaran el problema como un desafío para ese verano en el Hackathon de la compañía, una competencia de una semana donde desarrolladores de software, programadores, ingenieros y otros, colaboran en proyectos. Catorce ingenieros de Microsoft se registraron para trabajar en el problema.

“A través del universo de conservación de la vida salvaje, hay toneladas de científicos que hacen cosas aburridas, que revisan imágenes y audio”, comentó Morris. “El equipo remoto nos permite recolectar todo tipo de datos, pero los científicos tienen que descubrir cómo utilizar esos datos. Pasar un año en revisar imágenes no es solo un mal uso de su tiempo, pero las preguntas se responden mucho más tarde de lo que deberían”.

La idea de Moreland no era tan simple como sonaba. Aunque hay muchos modelos para reconocer gente en imágenes, no había – hasta ahora – uno que pudiera encontrar focas, en especial en tiempo real en fotografías aéreas. Pero los cientos de miles de ejemplos que los científicos de NOAA habían clasificado en inspecciones previas ayudó a los tecnólogos, que las utilizan para entrenar a los modelos de IA a reconocer qué fotografías y grabaciones contenían mamíferos y cuáles no.

“Parte del desafío era que había 20 terabytes de datos de imágenes de hielo y trabajar en tu laptop con tantos datos no es práctico”, comentó Morris. “Teníamos entregas diarias de discos duros entre Seattle y Redmond para hacerlo. Pero la nube hace posible trabajar con todos esos datos y entrenar a los modelos de IA, así que así es como podemos hacer este trabajo, con Azure”.

¿Pueden detectar a las focas en esta fotografía aérea (izquierda)? Vean la imagen térmica (derecha) y luego regresen a la foto – ¿Ya las pueden ver? Así es como la IA puede ayudar a los científicos de NOAA a encontrarlas. (Foto cortesía de NOAA, de una inspección en Kotzebue Sound en Alaska, donde el hielo se ha derretido, lo que ha forzado a las focas a estar más cercanas de lo normal).

La primera inspección de focas de hielo de Erin Moreland fue en 2007, voló en un helicóptero ubicado en un rompehielos. Los científicos recolectaron 90 mil imágenes y pasó meses escaneándolas para encontrar sólo 200 focas. Fue un proceso tedioso e impreciso.

Las focas de hielo viven por lo general vidas solitarias, lo que las hace más difíciles de detectar en comparación con los animales que viven en grupos. Las inspecciones también son complicadas debido a que la aeronave tiene que volar con la altura suficiente para evitar que las focas se asusten y se metan al agua, por ejemplo. El clima en Alaska – por lo general lluvioso y nuboso – complica aún más los esfuerzos.

Inspecciones subsecuentes mejoraron al empatar cámaras térmicas y de color y al utilizar aviones modificados que tenían un rango mayor para estudiar más áreas y pueden volar más alto para ser más silenciosos. Aun así, la interferencia térmica del hielo sucio y los reflejos del hielo mezclado dificultaban determinar qué era un animal y qué no.

Y luego estaba el problema de la mano de obra para acompañar a todos esos nuevos datos. la inspección de 2016 produjo un millón de pares de imágenes térmicas y de color, que un sistema previo de software redujo a 316 mil puntos de conflicto que los científicos tuvieron que revisar y clasificar de manera manual. Les tomó a tres personas seis meses.

Cuando Moreland les dijo a sus colegas sobre el proyecto de IA, descubrió que Castellote enfrentaba un obstáculo similar.

Castellote y su equipo pasan meses cada año en clasificar registros de archivos de sonido que recolectaron para determinar si un ruido es tal vez movimiento de hielo, un barco que pasa, un avión que sobrevuela, o el llamado de una ballena – y si es esto último, si es una ballena beluga, jorobada o asesina. (Foto de Daniela Huson con Ocean Conservation Research).

Cada primavera u otoño, Castellote vuela de Seattle a Anchorage, toma un bote, recolecta micrófonos de 15 puntos alrededor del fondo de Cook Inlet, descarga los datos y coloca de vuelta el equipo. Él y su equipo pasan el resto del año intentando clasificar cada sonido de los seis meses anteriores, para determinar que silbidos y sonidos son de ballenas belugas, jorobadas o asesinas, que rugidos son de un avión o un barco, y que golpeteos son de construcciones o de hielo que se rompe.

Esto no le deja mucho tiempo para el análisis, como tratar de interpretar cómo se comunican las ballenas.

La ballenas operan con sonido, utilizan eco ubicación para moverse, en especial en Cook Inlet, donde los sedimentos de glaciares derretidos hace turbia el agua y es muy oscura la mayor parte del año para que los ojos sean útiles. Esto significa ruido – que es amplificado bajo el agua – que puede desorientar a los mamíferos y los deja incapaces de encontrar el suelo marino o la superficie, seguir su ruta, atrapar presas o ser alertados de la presencia de un predador como una ballena asesina.

Por ejemplo, si las crías no pueden escuchar los clics y silbidos de sus madres, pueden separarse del grupo y morir.

“El ruido humano podría enmascarar señales clave que las ballenas utilizan para encontrar alimento y entre ellas, lo que podría afectar a la reproducción, y si no puedes comer, aparearte o reproducirte, no puedes incrementar la población”, comentó Castellote. “Creemos que el ruido es un gran problema y estamos enfocados en esto”.

El problema es que Anchorage es un centro importante para embarcaciones de transporte y para vuelos militares y comerciales. El puerto está en expansión, lo que requiere que pilares sean conducidos hacia nuevos muelles. Hay 17 plataformas petrolíferas con sus tuberías en Cook Inlet, comenta, y los depósitos de los glaciares requieren dragado continuo para mantener abiertos los canales de embarque. Cada una de esas actividades crea ruido que ahoga los silbidos y llamados de las ballenas.

Así que Castellote Busca dar al grupo de Kurland datos sobre cómo el uso del hábitat de las ballenas se solapa con el ruido humano, para ayudar a guiar las medidas de mitigación para que la actividad humana sea menos perjudicial para los animales en peligro de extinción. La agencia podría trabajar para minimizar la actividad de las embarcaciones cerca de las áreas de alimentación primaria o para reducir el ruido de construcción en ciertos puntos durante la temporada de cría, por ejemplo.

Al trabajar con Microsoft, Castellote tuvo un robusto conjunto de algoritmos para el otoño pasado que mostraba una coincidencia de 99 por ciento con los registros que su equipo había clasificado de manera manual. Y el grupo desarrolla nueva tecnología que hará el proceso aún más eficiente.

Conforme el cambio climático permite a la actividad humana a moverse más al norte, el trabajo de Castellote ayudará a guiar medidas de protección para otras poblaciones de ballenas que podrían ser introducidas a los mismos tipos de ruido en la siguiente década o dos, comentó.

Las ballenas beluga son en ocasiones llamadas “canarios del mar”, debido a su rango de sonidos vocales. (Foto cortesía de David Merron Photography /Getty Images)

“Las belugas de Cook Inlet son una población muy pequeña que está concentrada cerca de la mayor población humana en Alaska, así que esa actividad relacionada con el desarrollo puede ser una amenazas”, comentó Kurland. “Las focas están distribuidas de manera más amplia en un área más grande con menos actividad humana, y en su mayoría están amenazadas por el cambio climático”, que es más difícil de mitigar.

Den clic a continuación para escuchar el llamado de las ballenas beluga contra el chirrido de un barco en Cook Inlet, cerca de Anchorage. Cualquier sonido que las beluga hacen por debajo de los 1Hz son enmascarados por el ruido del bardo. (Clip de audio cortesía de Manuel Castellote)

Las focas examinadas dependen de los témpanos de hielo para criar, amamantar a sus cachorros y para pasar por su muda anual, un proceso que reemplaza sus abrigos cada primavera. Las focas listadas rara vez van a la costa – cuando el hielo se derrite cada verano, sólo nadan alrededor en el Océano Ártico hasta que los témpanos se forman de nuevo en el otoño. Así que no hay otro lugar donde el calentamiento global tenga un impacto más pronunciado que en las regiones del Ártico y el sub Ártico, comentó Morris.

Con el tiempo, estudiar los datos de población y distribución de focas brindará un primer paso para entender cómo hacen frente a un entorno cambiante y lo que necesitan, comentó Moreland.

Beluga whale, Somerset Island, Canadian High Arctic.

“Vivimos en tiempos cambiantes y necesitamos a todos los jugadores que podamos tener para proteger nuestros recursos”, comentó Tom Gray, representante tribal que caza belugas del Mar de Bering del Este con redes y ha utilizado su conocimiento para ayudar al equipo de Castellote a atrapar de manera breve a las ballenas de Cook Inlet para colocarles sensores con tazas de succión.

Cuando Gray crecía en Nome, Alaska, “no había barcos que pasaran hacia el Paso del Noroeste. Ahora hay cientos al año y está proyectado que dentro de poco habrá mil”, mencionó.

“Alaska tiene ballenas beluga, alces, caribúes, todos estos que son animales únicos, y es como algo místico, algo de lo que hablamos y amamos, y estamos justo en el medio de esto”, comentó.

Pero en medio del creciente desarrollo y las persistentes luchas de las ballenas, y a pesar de los esfuerzos de los científicos en las últimas décadas, “No creo que nuestra gente tenga las herramientas para mantener saludables a estas poblaciones. Perdemos la batalla, y una vez que ya no estén, se acabó. Necesitamos científicos e innovadores para proteger a esos animales para no perderlos”.

Video principal cortesía de NOAA. Esta historia fue publicada el 19 de febrero de 2020.