Ứng dụng ảnh vệ tinh để giải mã cuộc đại di cư của bầy linh dương
Ảnh vệ tinh và AI có thể giúp các nhà khoa học theo dõi quần thể động vật và khám phá các cơ chế tổ chức tập thể trong thế giới động vật hoang dã.
Cuộc đại di cư của linh dương đầu bò là một trong những cảnh tượng thiên nhiên ngoạn mục nhất trên Trái đất. Mỗi năm, những đàn linh dương khổng lồ, cùng với ngựa vằn và linh dương hươu gazelle, di chuyển quãng đường 800 – 1.000 km giữa Tanzania và Kenya để tìm đồng cỏ mới sau mùa mưa.
Hành trình vòng cung rộng lớn này thúc đẩy sự sống của toàn bộ hệ sinh thái Serengeti-Mara. Cuộc di cư nuôi sống các loài săn mồi như sư tử và cá sấu, làm giàu đất và duy trì đồng cỏ. Vô số loài khác và cả sinh kế của con người như chăn thả và dịch vụ du lịch đều phụ thuộc vào nó.
Cuộc di cư này đóng vai trò là nền tảng của cả hệ sinh thái, vì vậy các nhà khoa học mong muốn có thể nắm được số cá thể tham gia cuộc đại di cư. Bất kỳ sự thay đổi nào về số lượng không chỉ ảnh hưởng đến linh dương mà còn lan sang các loài săn mồi, thảm thực vật và hàng triệu người sống dựa vào cảnh quan này.
Trong nhiều thập niên, các nhà khoa học chủ yếu sử dụng máy bay để khảo sát quy mô đàn linh dương ở Đông Phi. Máy bay bay theo các đường thẳng song song cách nhau vài kilomet và dựa trên số lượng ghi nhận trên các dải quan sát này để ước tính tổng số cá thể. Phương pháp thủ công tốn nhiều công sức này đã cho chúng ta con số ước tính khoảng 1,3 triệu con linh dương đầu bò.
Những năm gần đây, các nhà bảo tồn bắt đầu thử nghiệm xem vệ tinh và trí tuệ nhân tạo (AI) có thể mang lại một cách tiếp cận mới trong giám sát động vật hoang dã hay không. Nghiên cứu trước đó cho thấy nhiều loài khác – như hải cẩu Weddell, cá voi beluga và voi – có thể được nhận diện từ ảnh vệ tinh bằng AI.
Năm 2023, nghiên cứu viên sau tiến sĩ Isla C. Duporge (Đại học Princeton, Hoa Kỳ) đã cùng các đồng nghiệp chứng minh rằng có thể dùng dùng ảnh vệ tinh để theo dõi đàn linh dương đầu bò đang di cư. Nghiên cứu đã cho thấy các nhà khoa học hoàn toàn có thể giám sát các đàn thú có vú quy mô lớn từ không gian. Bước tiếp theo là chuyển từ việc chỉ phát hiện sang ước tính toàn bộ quần thể, tức là dùng vệ tinh không chỉ để quan sát mà còn để đếm chúng ở quy mô lớn.
Các nhà sinh học, chuyên gia viễn thám và nhà khoa học máy tính đã hợp tác với nhau nhằm tiến hành nghiên cứu này. Nhóm phân tích ảnh vệ tinh của hệ sinh thái Serengeti-Mara trong năm 2022 và 2023, bao phủ hơn 4.000 km².
Họ thu được những bức ảnh với độ phân giải không gian rất cao (33-60 cm mỗi pixel), trong đó mỗi con linh dương chỉ xuất hiện dưới chín pixel. Nhóm đã phân tích ảnh bằng hai mô hình học sâu bổ trợ nhau: U-Net dựa trên pixel và YOLO dựa trên đối tượng. Họ huấn luyện hai mô hình này nhận diện linh dương nhìn từ trên cao và kết hợp cả hai nhằm kiểm chứng chéo và giảm sai lệch. Ảnh được chụp vào đầu và cuối tháng 8, tương ứng với hai giai đoạn khác nhau của đợt di cư mùa khô. Đầu tháng, đúng như dự đoán, đàn có quy mô nhỏ hơn.
Trong cả hai năm, các mô hình ghi nhận dưới 600.000 con linh dương trong vùng di cư vào mùa khô. Dù con số này thấp hơn một số ước tính từ khảo sát bằng máy bay, điều này không nhất thiết đồng nghĩa với việc đàn đang suy giảm. Nhóm nghiên cứu đã khuyến nghị tăng cường khảo sát để xác định sai lệch của từng phương pháp. Họ chắc chắn rằng một số cá thể đã bị bỏ sót, có lẽ vì chúng đang nghỉ ngơi dưới bóng cây hoặc di chuyển ngoài vùng ảnh – nhưng khó có khả năng sai số lên đến hàng trăm nghìn con. Để đảm bảo rằng phương pháp về cơ bản đã bao phủ cả đàn, bà Duporge đã đối chiếu phạm vi khảo sát với dữ liệu GPS từ linh dương đeo vòng cổ giám sát và các kết quả quan sát thực địa của những tổ chức theo dõi đàn trong khu vực.
Cuối cùng, họ đã có được kết quả khảo sát số lượng đàn bằng vệ tinh đầu tiên cho đợt di cư mùa khô ở Serengeti-Mara. Thay vì thay thế khảo sát bằng máy bay, chúng cung cấp góc nhìn bổ sung về động thái quần thể theo mùa. Bước tiếp theo là phối hợp khảo sát máy bay và vệ tinh song song, để mỗi phương pháp có thể hiệu chỉnh phương pháp còn lại và xây dựng bức tranh đầy đủ hơn về cuộc đại di cư này.
Mở ra những góc nhìn mới
Theo dõi bằng vệ tinh không phải là giải pháp hoàn hảo. Ảnh vệ tinh đắt đỏ, đôi khi bị mây che, và cũng không thể ghi nhận mọi cá thể (khảo sát trên máy bay cũng vậy); song nó vẫn có nhiều ưu điểm. Vệ tinh có thể ghi lại toàn bộ cảnh quan trong một khoảnh khắc duy nhất, giảm thiểu phần lớn sai số do phải suy luận từ những điểm rời rạc.
Có thể áp dụng phương pháp này trên nhiều loài và hệ sinh thái khác. Ngoài việc đếm số lượng, vệ tinh còn mở ra một khía cạnh mới: nghiên cứu chuyển động tập thể ở quy mô lớn. Cuộc di cư linh dương là ví dụ kinh điển về “hành vi phát sinh”: không có con đầu đàn dẫn đường, nhưng cả đàn vẫn hình thành được một trật tự riêng. Mỗi cá thể phản ứng với những tín hiệu đơn giản – cỏ xanh hơn ở đâu, con bên cạnh đang đi hướng nào – và cùng nhau chúng tạo ra một hành trình phối hợp nhịp nhàng.
Với dữ liệu vệ tinh độ phân giải cao, các nhà khoa học giờ đây có thể tìm hiểu các quy luật vật lý chi phối cách các loài động vật di chuyển theo bầy. Họ cũng có thể lý giải sóng chuyển động lan truyền qua cảnh quan như thế nào, quy luật nào định hình khoảng cách và hướng đi, và những mô hình tập thể này ảnh hưởng ra sao đến hành vi của cả hệ sinh thái.
Những phát hiện của nhóm nghiên cứu đã được công bố trong bài báo Deep learning enables satellite-based monitoring of large populations of terrestrial mammals across heterogeneous landscape trên Nature Communications, cho thấy vệ tinh và AI có thể giúp các nhà khoa học theo dõi quần thể động vật và khám phá các cơ chế tổ chức tập thể trong thế giới động vật hoang dã.
Bảo Ngân tổng hợp
