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電腦不只會挑土豆,也會挑魚

魚種辨識智能管理系統開發計畫郭彥甫教授

AI 的發展之初,是為了成為人們生活或工作上的幫手,而近年來,我們的確可以感受到越來越多 AI 相關的應用,進入日常生活中。例如自動駕駛輔助技術、手機的人臉辨識解鎖,或者各種網站使用演算法對使用者進行商品或服務的推薦等等。

但是你知道,現在這些技術,甚至可以應用在海洋中嗎?

圖說:AI 的時代已經來臨,人們期待透過科技的幫助,可以更快更好的達成目標

資源要共享,也要永續經營的國際共識

海洋資源枯竭、複雜的海域管理,是自從全球人口大量增加、捕撈科技大幅度進步以來,各漁業國家最棘手、最急需協調處理的問題。在 1994 年,聯合國海洋法公約生效,要求「各國應互相合作以養護和管理。凡其國民開發相同生物資源,或在同一區域內開發不同生物資源的國家,應進行談判,以期採取養護有關生物資源的必要措施。為此目的,這些國家應在適當情形下進行合作,以設立分區域或區域漁業組織(RFMOs)」。從此之後,為了維護公海漁業資源的使用和管理,各漁業組織便開始要求船籍國必須詳實蒐集各項生物資料,透過各資料之間的分析、比對和評估,來提高資源利用的可能性。

一直以來是遠洋漁業大國的臺灣,我們的船隊作業遍及三大洋區,並且在全球各大港口進行卸魚。基於對產業、環保的重視,以及深化臺灣與世界的交流,我們一直相當積極爭取成為國際漁業組織的一員,除了保障我國的漁業利益與權利之外,也希望為海洋永續的目標貢獻一己之力。現在臺灣已經是 ISC(北太平洋鮪類及似鮪類國際科學委員會 )、IATTC(美洲熱帶鮪魚委員會)、WCPFC(中西太平洋漁業委員會)等重要國際漁業組織的會員,另外也以觀察員或專家的身份參與其他組織,擁有參與討論、分享配額等權益。當然,在相對的義務上,臺灣也全力配合。以上段提到的蒐集生物資料來說,臺灣近年更開發了獨步全球的魚種辨識系統,利用深度學習中四種不同的卷積神經網路(Convolutional NeuralNetwork)建立模型,自動辨識臺灣延繩釣漁業中常見的八種漁獲——長鰭鮪、大目鮪、黃鰭鮪、南方黑鮪、黑皮旗魚、雨傘旗魚、劍旗魚,以及鬼頭刀。

圖說:團隊先以臺灣延繩釣漁業中八種常見的魚獲,開發魚種辨識系統。

從觀察員,到電子觀察員

魚種辨識系統的開發,其實是奠基於「海上觀察員」的制度。海上觀察員的職位,是依據國際漁業管理組織的要求而設置,並且必須要達到一定的覆蓋率。觀察員上船後有兩個主要任務,一是科學資料的蒐集與記錄,比方該船所捕撈到的魚種、數量、混獲比例和內容,以及漁獲的生物採樣等。這些資料會作為評估海洋資源利用與管理的基礎,是非常重要的工作。另一方面則是監測漁船,包括船名標示、船位定位等系統是否正常運作等。臺灣從 2002 年起,就開始擴大派遣觀察員,隨著到三大洋作業的遠洋漁船出海。

圖說:作業中的海上觀察員/圖片來源:NOAA Fisheries

不過,隨著時代不斷改變,人力短缺的狀況日益嚴重,各國紛紛透過科技,開發出更有效、精準、可靠的替代方案,電子監測系統(Electronic Monitoring System) ,又可稱為電子觀察員,就是這樣應運而生。不過,電子觀察員必須符合許多先決條件,例如性能已受評估接受、執行中有一定的監督機制等。不過可以確定的是,包括美國、日本、韓國及澳洲等國,都早在 2014 年就開始將電子觀察員裝置於漁船上進行試驗。臺灣則是從 2011 年開始,進行電子觀察員系統的初步開發研究,整合漁船航程紀錄器(VDR)所收集到的船隻航行數據,成為臺灣電子觀察員的原型。2018 年後,人工智慧(AI)、影像分析及大數據分析技術逐漸成熟,成為魚種辨識智能管理系統誕生的契機。

圖說:漁船航程紀錄器(VDR)/圖片來源:Wikimedia Commons - Edward Betts

電子觀察員系統之優缺點比較表
電子觀察員系統之優缺點比較表
比較項目 優點 缺點
系統
  1. 增加作業相關資料量及資料品質
  2. 部分資料的蒐集效率高
  3. 補足人類觀察員的能力限制
  4. 增加觀察員涵蓋率
  1. 設備耐用性及技術成果尚未驗證
  2. 各機型、各漁業等需求規格多樣
系統
  1. 節省駐船觀察員薪資等成本
  2. 節省資料蒐集及分析成本
  1. 初期建置系統之成本較高
  2. 維護系統成本 / 耗材
其他 -
  1. 船員隱私問題

資料來源:開啟漁業管理的智慧眼:電子觀察員發展與未來趨勢 | 智慧農業

團隊技術力發威,辨識正確率幾近 100%

「遠洋漁業資源評估之工作首重蒐集正確之漁獲資料,詳實之體長、漁獲種類及經緯度等資訊已成為重要資訊。然而在執行面上,我國因受限於人力,除派配觀察員之作業漁船所收集之資料較為確實外,其餘全依賴作業漁船所填報資料。但常發現有不準確現象,導致後續應用受影響。故我國實有必要發展利用更簡單、省時之科學方法取得漁獲資料,以提升我國遠洋漁業主要漁獲魚類資訊收集之方便性及正確性,滿足我國參與國際漁業管理組織所提出之各項資源研究需求。」郭彥甫教授在他的「魚種辨識智能管理系統開發計畫」中也進一步提到,國際永續水產基金會(International Seafood Sustainable Foundation;ISSF) 在 2014 年提出了更新版的鮪魚圍網漁船設置電子觀察員規範,同時也認可設置電子觀察員系統,可以促進魚種辨識與魚體大小測量等影像處理自動化技術的發展。所以郭教授和團隊,就在這樣的前提之下,執行農委會漁業署的委託,開始了以遠洋鮪延繩釣漁船為對象,開發魚種影像的自動辨識技術。

電子觀察員的規劃設置,希望可以打造一個更有效率的資料蒐整系統

圖說:電子觀察員的規劃設置,希望可以打造一個更有效率的資料蒐整系統/圖片來源:開啟漁業管理的智慧眼:電子觀察員發展與未來趨勢 | 智慧農業

在計畫中,郭教授和團隊將辨識程式分為兩部份:魚種辨識,以及偵測影像中之魚體。在魚種辨識上,是利用魚種辨識模型——包括漁業署提供的影像、旋轉或縮放後的魚體影像,加上團隊自行照相收集和網路上搜尋到的影像——共超過上萬張的影像,以及上千次的實地測驗,訓練電腦系統學習辨識對象魚種。至於偵測魚體,也同樣利用深度學習方法中的 faster-RCNN 進行偵測,並切割影像中的魚體,以期能達到更高的準確率。在經過訓練之後,目前準確率最高可達 96.73%,這樣的結果令團隊相當振奮,也更有信心。

圖說:實際在船上架設攝影機測試,可以拍出如此清晰的照片,而且辨識魚體和魚種的效率也相當不錯

圖說:將魚體翻轉,讓系統學習從各種角度辨識同一種魚。
圖說:將魚體翻轉,讓系統學習從各種角度辨識同一種魚。
圖說:利用超過上萬張的影像及上千次的實地測驗,訓練電腦系統學習辨識對象魚種。
圖說:利用超過上萬張的影像及上千次的實地測驗,訓練電腦系統學習辨識對象魚種。

另外,郭教授和團隊也與南方澳漁港合作,進行魚體長量測系統的測試。這是利用郭教授和團隊所開發的移動式攝影設備,以每個月兩次的頻率,到南方澳漁市現場進行系統測試與訓練影像的拍攝。利用卸貨魚體在漁市場秤重的時候,俯視拍攝魚體影像,在將這個影像交給軟體,去偵測出魚頭與魚尾的位置,從而計算出魚體長度。在不斷地調整和測試之下,現在平均魚體長計算的誤差只有 3.8%(約為 5.43cm)。

圖說:團隊實際在南方澳的魚市進行魚體拍攝,正在測量魚體大小。
圖說:團隊實際在南方澳的魚市進行魚體拍攝,正在測量魚體大小。
圖說:影像預測的魚體長度,和實際測量的魚體長度,誤差在5公分左右。
圖說:影像預測的魚體長度,和實際測量的魚體長度,誤差在 5 公分左右。

多一步、早一點,臺灣要做得比世界都好

目前全球各漁業國家,都在為電子觀察員系統的開發而努力,希望以科技來減輕勞力負擔,同時降低造假、人為疏失等可能性。臺灣能夠進一步整合魚臉辨識系統,一次囊括多項魚類資訊,包括種類、成熟度、捕撈地點等等,不但讓數據更加完整豐富,而且也為漁業管理上,提供更具可信度的政策規劃基礎。

海洋的變化,影響的範圍廣及全球,一根在大西洋釣魚的竿子,都有可能影響到太平洋的魚群、海洋狀況,甚至沿岸環境。臺灣作為漁業大國,也是科技之島,如何利用科技的力量,讓我們在享受海洋帶來的豐盛資源之時,也能盡到保護、帶頭示範的作用,相信這不只值得身為臺灣人的我們共同感到驕傲,也是讓臺灣之光最閃耀的一刻。

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