2017年海洋科學年會

2017/5/4-5 @ 國立中山大學

聆聽海洋的訊息:應用深度學習分析海洋聲景之變動

林子皓、曹昱
中央研究院 資訊科技創新研究中心

被動式聲學監測已被廣泛應用在海洋環境與生態研究中,長期錄音中的各種環境音與動物音增加了我們對海洋生態環境的了解,許多研究也深入探討人為噪音對海洋生態的影響。然而,過去針對海洋聲景的分析大多著重噪音的時頻譜特性,並透過設定規則的偵測器尋找海洋動物的聲音。但海洋聲景受到地形、氣候、生物群聚與人為活動的高度影響,時頻譜分析可能無法有效描述同時出現的多種聲源,偵測器效能也隨著噪音變動而改變。為了有效分離海洋聲景中的各種聲源,本研究應用非負矩陣分解法 (non-negative matrix factorization) 及其變形方法分析長期時頻譜圖,將輸入資料拆解為特徵矩陣與編碼矩陣。雖然單層的非負矩陣分解法在多次疊代後,能夠在特徵矩陣與編碼矩陣約略學習到各種聲源的頻譜特徵與時域上的強度,但仍難以分離重疊的多種聲源。本研究將多層學習器分別預訓練後堆疊成深度學習架構,並在各層之間逐漸減少特徵矩陣之基底數量,藉由最末層回傳後之重建資料和輸入資料的誤差,在多次疊代中自行修正各層模型參數以達到最佳的聲源分離成果。本研究針對各地具有不同環境噪音特性的海洋聲景進行分析,結果顯示在不需要辨識樣本與資料標籤的情況下,深度學習能夠有效分離海洋中的各種主要聲源:魚群鳴唱、槍蝦脈衝聲、船隻噪音與環境音。學習到的特徵矩陣也能夠作為辨識樣本,透過半監督式學習分析大量的線上資料。透過深度學習分離聲源,未來將能夠更有效評估海洋聲景的複雜結構,並藉此探討海洋環境與生態的變動,以及人為開發的影響。

2017年動物行為生態研討會

2017/1/23-24 @ 高雄中山大學

應用機器學習探討海洋聲景變動與中華白海豚發聲活動之關聯

林子皓、曹昱
中央研究院資訊科技創新研究中心

方士豪
元智大學電機工程學系

鯨豚的發聲行為相當多變,不同族群可能會在各種環境音改變哨聲特徵﹐也會在遭遇人為噪音時改變聲音結構。海洋聲景是由環境音、動物音與人為噪音組成,具有高度變異的特性。儘管過去已有不少針對鯨豚發聲與單一音源的研究,但是對鯨豚如何在多變的海洋聲景且多重聲源相互重疊的狀況下改變行為仍不清楚。本研究透過水下錄音機,長期收錄2014年苗栗海域的海洋錄音。首先應用自動偵測器尋找中華白海豚水下聲音,再應用非負矩陣分解法學習海洋聲景中的主要聲源特徵。透過非監督式學習器,可以有效拆解長期時頻譜圖,視覺化呈現石首魚鳴唱、槍蝦聲音、環境與人為噪音等主要聲源的相對變化。利用廣義疊加模型分析聲景與白海豚聲音後,我們發現白海豚的聲音偵測率與複雜度和各種聲源皆有不同的相關性。此結果顯示應用機器學習分離聲景中的各種聲源之後,將能夠有效瞭解動物和各種聲源的交互作用。未來,聲景中的各種訊息也可以作為預測動物活動的生態遙測資料。

[聲物誌] 白海豚之家

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白海豚所生活的海洋是甚麼樣子的? 在混濁的海中只能仰賴聽覺了解一切,海表面下的浪花、雨聲、水流聲,透漏了所在之處的環境與位置,更聽見了各種海洋生物活動的蹤跡。聽著哨聲在旅途中尋找同伴,社交之外也合作覓食,但記得小心高速開過的船隻,不注意的話可是會命喪黃泉的。越來越頻繁的噪音,降低了聽到同伴聲音的機會,也減少了利用聲音來尋找食物的效率。這是白海豚的家園,一個正受到噪音侵蝕的海洋。

[聲物誌] 錄音機漂流記

近期颱風肆虐,連帶著海洋觀測也跟著遭殃。前一陣子就因為蓮花颱風和昌鴻颱風接連靠近台灣,造成研究團隊在苗栗外海所放置的海下錄音機因為不明原因而脫離錨錠裝置、漂流上岸。還好遇到當地的好心人通報之後,得以將錄音機尋回,今天也才有機會讓大家聽聽錄音機迷途的這段過程。 

這段漂流的時間其實不長,大約5至6個小時後錄音機就被浪打上岸。錄音機漂流的路徑根據推測應是從後龍外海約15公尺水深的礁石區一路北漂至附近的中港溪口南岸,再進入潮間帶與碎波帶。然而,在這段濃縮的3分半鐘錄音裡,卻可以聽到海洋聲景有著非常大幅度的改變。

0:00 – 1:00
礁石區內眾多的槍蝦聲音。注意1分鐘後的水花聲,顯示錄音機已經浮上水面 (痛心)。

1:00 – 1:30
脫離礁石區,槍蝦聲音明顯減少。當時已進入傍晚,可以聽見河口附近的石首魚開始發出低頻的鳴聲。

1:30 – 2:57
台灣西部河口附近著名的石首魚群體鳴唱。注意這段時間之中,石首魚聲音的音頻特徵隨錄音機漂流進入潮間帶後的改變趨勢。

2:57 – 3:39
碎波帶的浪花與水流聲。這段聲音是透過水下麥克風所錄製,和空氣中聽到的略有不同。
 

從這段錄音之中,其實我們不難發現在不同型態的海床、地區之間,可能受到當地生態系組成的不同,而造就了多樣化的海洋聲景。許多海洋動物,也可能是透過各地聲景的不同,以此來尋找其偏好的棲地位置。因此,自然的海洋聲景是否受到人為噪音的干擾,將會是海洋保育非常重要的課題,亟需我們更多的關注。

聽海洋的聲音? 從聲音訊號多樣性來探討魚類群聚的行為

生活在競爭激烈的社會中,大家都知道要去尋找『藍海』,而不是拼命地往『紅海』裡鑽。同樣的,各種動物為了減少彼此競爭資源的衝突,也在長期演化過程中發展出偏好不同資源的趨勢,在生態系統中佔據著不同區位。但大家可曾想過,『聲音空間』是否也是一種資源?

其實對於仰賴聲音求偶、競爭領域的動物來說,可供作溝通的領域、時間甚至頻率範圍都是一種另類的生存資源。如果『聲音空間』被別種動物佔據、或是被噪音干擾而無法和同種動物傳遞訊息,可能就會降低尋找同伴、交配的機會,甚至提高了和別種動物衝突的可能。就像待在一個吵鬧且缺乏光線的演唱會,台上的歌手用喇叭佔據了大部分的聲音空間。在缺乏可見度的狀況下,我們只能大聲喊叫,或是開啟假聲模式提高自己的發聲音頻,讓同伴在歌手所佔據的音頻範圍之外察覺到我們。為了避免陷入這種慘況,許多發聲昆蟲、蛙類、鳥類還有哺乳動物都會在聲音溝通中區隔出所偏好發聲的時間、音頻範圍。

但是對於共處一海域的魚類群聚來說,如何分享、利用所處的音響環境,並且能夠在吵雜的狀況下正確分辨同類聲音仍沒有明確結論。直到Ruppé等人於2013年春天,在南非Sodwana Bay外海約120公尺水深的海底峽谷收錄聲音。並將2793筆聲音訊號分為17大類,雖然沒有同步的錄影監視發聲動物,但根據聲音特徵幾乎可以確認其中有16大類屬於魚類叫聲,另一類則可能是齒鯨的脈衝聲波。

從各類聲音頻繁出現的時間,可再區分為白天和晚上出現的兩大類群。有趣的是,白天出現的聲音類群在聲學特徵上(脈衝波重複率和峰值頻率)較為相似,反而是在晚上出現的聲音類群中,各類聲音的特徵區分相當明顯。換句話說,比起白天的魚類聲音,晚上的魚類聲音多樣性較高。作者推測這是因為在白天活動的魚類主要依賴視覺展示溝通、求偶,聲音只是輔助的媒介。然而,晚上活動的魚類無法透過視覺觀察,必須仰賴聲音進行溝通。如果夜晚活動的各種魚類都使用極為相似的聲音,則可能會降低同種之間的溝通效率。這種在聲音使用上的限制,可能是夜間活動的魚類聲音具有豐富多樣性的原因。

Hastings 和Širović在2015年 PNAS 上的文章中也指出,聲學監測系統的研發在近年來大幅增加了我們對海洋聲景的了解,一旦能夠掌握各種魚類在不同行為的聲音特徵,即可透過海裡的聲音了解各種魚類的豐度與行為。即使現在還沒有辦法建立起完整的魚類聲音資料庫,也可以進行和Ruppé等人相似的研究,從水下錄音中透過聲音特徵在時間與空間上的變動趨勢,發掘出和當地魚類群聚相關的資訊。此外,在水下噪音汙染日漸增加在情況下,長期的水下錄音也可以協助我們了解魚類群聚的長期變化趨勢是否受到噪音污染的影響。

石首魚夏季鳴唱

石首魚冬季鳴唱

在台灣,雖然對於魚類群聚聲音的日夜變化還沒有詳盡的研究,但從不同季節之間的水下錄音也可以聽到石首魚在夏季和冬季之間的叫聲改變。這樣的改變是因為魚種的不同呢? 還是行為的改變? 還有待我們去發掘。

其實,透過水下錄音我們可以獲取非常大量的『聲態資訊』,生態學、海洋物理和資訊學門的跨領域合作,透過訊號偵測、大量資料分析等技術,將能夠進一步從海洋動物的聲音、海洋環境的聲景了解海洋生態與環境的變化。雖然目前這類研究在台灣學術界還非常的小眾,但在歐美已經是一個逐漸興盛的領域,並且廣泛的被應用在海洋魚類與海洋哺乳動物的生態調查、海洋工程的環境影響評估、甚至是海洋生態系的長期變遷研究之中。未來隨著台灣海洋再生能源的開發,相信這類的研究也會慢慢的在台灣擴展開來。

參考資料:

1. Philip A. Hastings and Ana Širović (2015) Soundscapes offer unique opportunities for studies of fish communities. PNAS, 112: 5866-5867.
2. Laëtitia Ruppé, Gaël Clément, Anthony Herrel, Laurent Ballesta, Thierry Décamps, Loïc Kéver, and Eric Parmentier (2015) Environmental constraints drive the partitioning of the soundscape in fishes. PNAS, 112: 6092-6097.

延伸閱讀1:【看啥小魚可以吃】有錢吃鮸,沒錢免吃!

延伸閱讀2:研究海洋生態保育魚類聲音藏玄機

海洋聲景與魚類的聽覺感知

如果我們是海洋裡的一隻魚,聽不見聲音會怎麼樣

這是個難以回答的問題,畢竟子非魚,怎知海洋聲音在魚聽起來是甚麼樣子甚至許多人會疑問,魚能夠聽得到聲音嗎?

對於會發出聲音的魚類,例如石首魚,這些發聲魚類會利用聲音溝通、求偶,毫無疑問的我們會認為這些發聲魚類應該也能夠敏銳地察覺聲音,否則無法和同類溝通。但對於更多不會發出聲音的魚類來說,難道聲音對牠們毫無意義嗎?

刊登在2009Integrative ZoologySoundscapes and the sense of hearing fishes一文中,作者Richard Fay彙整了近年的研究結果,認為聲音感知的能力對於海洋魚類極其重要。就像我們人類一樣,可以從聲音反射、各種設施運作的噪音分辨室內的密閉空間和室外公共場合,透過敲打物體或聆聽樂器發聲可以從其音色來了解材質構造。海洋中的聲音來自於風浪、降雨以及各種生物、人為活動,聲音就像光線一樣讓整個水下環境沉浸其中,從聲音的傳播、反射形成的音場,提供了海洋生物探測周遭環境、尋找方位以及行為反應的資訊來源。

每一種類型的海洋環境因為在其中不同的生物群聚組成、海床物理特性的差異會有著明顯不同的聲景。換句話說,在不同海洋環境所聆聽到的聲音音量、訊號特徵、出現的時間特性可能有很大的差異。可是,這對海洋魚類來說有甚麼重要的意義嗎研究發現,許多礁岩性的魚類,在較深水域生活的仔魚成長之後會回到礁岩繁殖、交配,當研究人員在新放置的礁岩中利用水下喇叭撥放出在礁岩中所錄製的槍蝦和魚類聲音時,比起沒有撥放聲音的礁岩,幼魚的數量明顯在這些利用錄音裝飾的礁岩中來得高,顯示海洋魚類確實會透過環境中的各種聲音,也就是海洋聲景來尋找其偏好的棲地環境。

 苗栗魚礁聲景
 外傘頂洲聲景

然而,海洋中的聲音極其多樣,在一個吵雜的環境之中魚類是否還可以察覺出不同類型的聲音訊號以石首魚來說,河口附近的石首魚群在傍晚過後會群體鳴唱,吵雜的程度好比夜市一樣。石首魚個體在許多同類共同大聲喧嘩的狀況下是否還能有效地透過聲音溝通、尋找交配的對象雖然目前仍無法確定魚類是否可以精確的定位聲源,但透過實驗也發現魚類似乎可以從角度的差異來察覺被噪音所遮蓋的訊號。此外,當多個聲音訊號同時出現,魚類也可以利用音頻特徵和脈衝波的重複次數來辨別不同的聲音類型,這種聽覺辨認的解析能力在兩種聲音音頻特徵差距越大時會更加提升。

石首魚群體鳴唱

雖然目前的科學研究對於魚類聽覺的了解還不是相當透徹,新的研究也可能會產生和過去相互矛盾的結果。儘管如此,越來越多研究人員皆認同聽覺感知對於海洋魚類的生存相當重要。過去大多認為只有生物發出的聲音才具有生物意義,但越來越多的證據顯示環境聲音對於生物本身也具有相當大的重要性,如同光線讓陸域動物得以透過視覺了解環境,海洋中的聲音則是魚類賴以為生的感知來源。在了解了這些之後,或許我們也應該開始注意噪音對海洋生物的影響是甚麼魚類透過感知聲景來尋找其偏好的礁岩棲地,那如果在礁岩的附近興建了大型離岸海事工程,雖然沒有破壞礁岩本身但釋放的噪音卻大幅改變了當地聲景,在這種聲景被破壞的狀況下,遷徙的魚類還能尋找到偏好的棲地嗎甚至我們的漁業資源量會不會因為海洋日益增加的人為噪音而下降為了海洋環境的永續發展,讓我們持續聆聽海洋聲音來了解這些問題的答案。

參考資料:

1. Richard Fay (2009) Soundscapes and the sense of hearing of fishes. Integrative Zoology 4: 26-32.
2. Stephen D. Simpson, Mark Meekan, John Montgomery, Rob McCauley, Andrew Jeffs (2005) Homeward sound. Science 308: 221.

台灣東部海域鯨豚群聚生態之自動化監測平台

最近台大生命科學院舉辦了三分鐘口說論文比賽,又稱生命科學懶人包比賽。這次參加僥倖得了觀眾之選獎,不管在結果或是參與過程中,收穫真的是很多。但是除了結果之外,我更希望這些生態的研究成果,能夠真正地走入台灣社會中,讓更多台灣人了解學術圈為台灣的生態環境作的努力和貢獻,也期許未來能夠和民間結合激盪出更多的可能性。

3min

東部海域自動化鯨豚哨叫生監測平台懶人包

這個監測平台囊括了水下工程技術(長期海洋觀測站)、自動化訊號偵測(鯨豚哨叫聲偵測)、自動化分類(訊號特徵分析與鯨豚種類辨識)以及生態資料分析四層面的工作,缺一不可。如果沒有中央氣象局在宜蘭外海建置臺灣東部海域海纜觀測系統、蘭陽博物館與台大鯨豚研究室的工作人員協助建立台灣東部海域鯨豚聲音資料庫、科技部對於部分研究經費的支持,這整個監測平台就不可能建立。

Life Science 3 Minute Thesis Competition from Lin on Vimeo.

在臺灣東部海域海纜觀測系統從海底傳回水下錄音資料後,這個平台透過將鯨豚聲音視覺化的呈現在頻譜圖(spectrogram)上,並偵測這些像線條一般的鯨豚哨叫聲,分析鯨豚聲音的音頻位置,作為種類辨識的特徵之用。不同鯨豚種類的聲音使用習性都有不同之處,體型大的偽虎鯨通常使用的音頻較低,但體型較小的飛旋海豚通常使用的音頻則較高。透過類似的音頻分析,可以發現在蘇澳外海的這個海脊附近,常吃花枝、透抽的花紋海豚最為活躍,偽虎鯨則似乎在冬、春兩季較為頻繁的進入此海域,小型海豚的活動則在夏季較為頻繁。

這個監測平台才剛完成沒多久,還需要很長的路來改良裡面的演算法、擴大種類辨識的資料庫、甚至建立一個完善的使用者介面來讓公眾使用。但是我們相信透過這些平台,能夠讓更多人了解我們所不熟悉的海域生態,尤其是台灣周遭海域的鯨豚生態。

如果大家有興趣閱讀更進一步的學術論文資料,可以參考發表在水下技術研討會的論文全文(中文):

水下技術研討會暨國科會成果發表會