澳大利亚冲浪救生人员越来越多地使用无人机在海滩上发现鲨鱼，以免它们太靠近游泳者，但无人机它们到底有多可靠呢?

要辨别水中的黑斑是鲨鱼还是海草并不总是那么容易，在合理的条件下，无人机飞行员做出正确判断的几率通常只有60%，虽然这对公共安全有影响，但也可能导致不必要的海滩关闭和公众恐慌。

工程师们正试图用人工智能(AI)提高这些鲨鱼探测无人机的准确性，尽管人工智能系统在实验室中显示出了巨大的前景，但在现实世界中很难正确使用，因此仍然是冲浪救生员无法触及的，重要的是，对这类软件的过度自信会带来严重的后果。

考虑到这些挑战，澳洲的研究团队开始构建最强大的鲨鱼探测器，并在现实条件下进行测试。通过使用大量的数据，为冲浪救生员创建了一个高度可靠的移动应用程序，它不仅可以提高海滩的安全性，还可以帮助监测澳大利亚海岸线的健康。

用无人机探测危险的鲨鱼

新南威尔士州政府已在未来四年投资超过8,500万澳元用于减少鲨鱼数量的措施。2020年的一项调查显示，在所有可供选择的方法中，基于无人机的鲨鱼监控是公众保护海滩游客的首选方法。

被无人机追踪的白鲨

自2016年以来，该州政府一直在试验无人机作为鲨鱼发现工具，自2018年以来与新南威尔士州冲浪救生组织合作。训练有素的冲浪救生飞行员操作无人机在60米高的海洋上空飞行，在便携式屏幕上观看鲨鱼在水面下游动的形状的实时视频。

他们通过仔细分析良好条件下的视频片段来识别鲨鱼似乎很容易。但是，海水的清晰度、海面反光、动物深度、飞行员经验和疲劳都将实时探测的可靠性降低到预测的平均60%。当情况不明朗时，这种可靠性进一步下降。

操作员还需要自信地识别鲨鱼的种类，并分辨出危险和非危险动物的区别，比如经常被错误识别的鳐鱼。

人工智能驱动的计算机视觉一直被吹捧为一种理想的工具，可以在无人机播放的视频片段中虚拟“标记”鲨鱼和其他动物，并帮助识别海滩附近的物种是否值得关注。

人工智能来解决问题?

此前人工智能鲨鱼探测系统的早期结果表明，这个问题已经得到解决，因为这些系统的探测精度超过90%。

从空中识别鲨鱼种类

但要在新南威尔士州的海滩上扩大这些系统的规模，使其在现实世界中有所不同，一直具有挑战性。

人工智能系统经过训练，可以使用大量示例图像来定位和识别物种，在处理现实世界中熟悉的场景时，其表现非常出色。

然而，当他们遇到训练数据中没有很好表示的条件时，问题很快就出现了。任何一个经常在海洋中游泳的人都会告诉你，每个海滩都是不同的——光线、天气和海水条件会随着时间和季节发生巨大的变化。

动物也可以频繁地改变它们在水中的位置，这意味着它们的可见特征(如轮廓)也会发生变化。

所有这些变化使得训练数据覆盖所有的条件，或者人工智能系统足够灵活，能够随着时间的推移跟踪变化变得至关重要。这样的挑战已经被研究多年，催生了“机器学习操作”这一新学科。

本质上，机器学习操作明确地认识到，人工智能驱动的软件需要定期更新以保持其有效性。

庞大的数据集中使用的无人机镜头示例

更好的鲨鱼观测者

研究团队的目标是通过一款新的鲨鱼探测手机应用程序来克服这些挑战，他们收集了大量无人机拍摄的视频，鲨鱼专家随后花了数周的时间检查视频，在数小时的视频中仔细追踪和标记鲨鱼和其他海洋动物。

使用这个新的数据集，研究人员训练了一个机器学习模型来识别十种海洋生物，包括不同种类的危险鲨鱼，如大白鲨和鲸鲨。

然后将这个模型嵌入到一个新的移动应用程序中，它可以在无人机直播画面中突出鲨鱼，并预测物种。研究人员与新南威尔士州政府和新南威尔士州冲浪救生组织密切合作，于2020年夏季在五个海滩上试验这款应用程序。

人工智能鲨鱼探测器做得很好，在现实条件下，它以一帧一帧的基础识别出了80%的危险鲨鱼。

为了增加测试难度，增加挑战，让AI它在一年中的不同时间，或从不同外观的海滩上拍摄的不可见数据上运行，这些对“外部数据”的关键测试在人工智能研究中经常被忽略。

一架穿着冲浪救生衣的无人机准备巡逻

一项更详细的分析发现了常识性的局限性：白鲨、鲸鲨和牛鲨很难区分，因为它们看起来很像，而小动物(如海龟和鳐鱼)一般更难发现。

虚假检测(如将海藻误认为鲨鱼)是海滩管理者真正担心的问题，但我们发现AI可以通过向它显示每个海滩的空旷海洋场景，轻松地“调整”消除这些问题。

未来的人工智能鲨鱼观测

在短期内，人工智能现在已经足够成熟，可以部署在澳大利亚海滩上的无人机鲨鱼探测行动中。但是，与常规软件不同的是，它需要经常监控和更新，以保持其检测危险鲨鱼的高可靠性。

一个额外的好处是，这种用于发现鲨鱼的机器学习系统还将持续收集有关海岸线和海洋动物健康的有价值的生态数据。

从长远来看，让人工智能观察鲨鱼如何游泳，并使用新的人工智能技术在飞行中学习，将使人工智能鲨鱼检测更加可靠，更容易部署。

人工智能出错的例子——海藻被识别为鲨鱼

新南威尔士州政府将在即将到来的夏天进行新的无人机试验，测试能够覆盖更多海滩的高效远程飞行的有效性。

人工智能可以在提高这些飞行效率、提高无人机监视的可靠性方面发挥关键作用，并可能最终实现全自动的鲨鱼发现操作和可信的自动警报。

原文链接：https://techxplore.com/news/2022-10-shoring-drones-artificial-intelligence-surf.html