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“雄兔脚扑朔，雌兔眼迷离；双兔傍地走，安能(ānnéng)辨我是雄雌？”小时候学《木兰辞》，从没想过辨别动物雄雌是什么难事儿。直到上了大学开始(kāishǐ)做科研才发现(fāxiàn)，在动物学领域，这还真是个让人头大的问题。

今天，就和(hé)大家聊一聊如何进行动物的个体识别。

个体识别是开展动物(dòngwù)行为和动物生态研究的基础(jīchǔ)，也是野生动物生态和保护研究的关键。但是，如何(rúhé)高效、精准地识别动物个体却是一个困扰了科学家们近百年的难题。

之所以要这样做，是因为想开展动物(dòngwù)生态学研究，就需要弄清楚三个核心问题(wèntí)：1.（这个地方）以前的动物现在(xiànzài)还有吗？2.有多少？3.都在哪？

但是，野外的动物们数量稀少且分布广泛，它(tā)们(tāmen)可不会老老实实摆好 pose 等(děng)你去找，更不会心甘情愿让你随便(suíbiàn)去窥探它们的私生活——毕竟它们生性警觉、行踪隐秘，甚至很多还是在夜间才出来活动。要是不幸遇到羚牛、熊、河马这些脾气大的家伙，还没等你认出它的雄雌，搞不好它已经和(hé)你比划上几招了。

另外，要了解动物的行为(xíngwéi)习惯和行为背后的动机以及原理，也必须在(zài)对动物群体进行研究(yánjiū)时明确个体身份。这就好比你要了解小明和小强为啥打架，首先得在一群孩子中认出他俩才行。

比起辨认人类(rénlèi)小孩，野生动物群体中的(de)个体识别难度要大得多(dàdéduō)。就拿同是灵长类的川金丝猴来说，头部器官分布与人类相似，面部特征是有共性的。但人类面部毛发稀少，五官特征更加清晰。而猴子面部毛发浓密，且毛发区域相对更明显，纹理特征更复杂。除非长期与它们朝夕相处，否则在(zài)野外(yěwài)环境中很难迅速分辨出不同个体。

猜一猜，这些照片里究竟是一个猴还是七个猴？答案是 18 只猴！图片来源(láiyuán)：陕西省(shǎnxīshěng)动物研究所赵海涛

长期以来(chángqīyǐlái)，个体识别的数据采集主要依靠“一笔、一本、一望远镜”，但这种传统的人工观察式记录(jìlù)非常依赖观察者(guāncházhě)自身的经验，并极大地受制于天气、地形等自然条件，数据采集的可靠性、效率和连续性(liánxùxìng)都难以保障。并且，研究过程是十分艰苦和危险的，对于科学家们(men)来说，野外的日子真不好过。

分餐露宿、跋山涉水是开展野生动物保护(bǎohù)工作的日常(rìcháng) 图片来源：陕西省动物研究所赵海涛

老话说得好：只要肯用心，办法总比困难多(duō)。

近半个世纪以来，科学家们开动脑筋想出了不少方法(fāngfǎ)。简单来说，大致可(kě)分为三类。

第一类，利用(lìyòng)动物自身独特的特征进行(jìnxíng)识别，主要包括体型、气味、毛色、花纹、叫声、足迹、DNA 等(děng)。例如(lìrú)在动物日常饲养工作中，饲养员可以通过肉眼观察动物的外貌特征来(lái)进行个体识别，但这样的方法需要相关人员具有丰富的经验才行，适用于动物数量不多的情况。而在野外，科学家们(men)可以通过收集动物的毛发(máofà)、粪便(fènbiàn)等生物学样本提取 DNA，利用 DNA 分子标记技术(biāojìjìshù)进行鉴别，但是这种方法成本很高，时效性也不强。此外，还可通过在野外观察动物足迹的形状、大小、步态等，来分析动物的物种(wùzhǒng)、体型、性别甚至年龄等信息，但这对于工作人员的专业知识储备要求很高，而且主观误差也会很大。

金雕（A）的(de)虹膜；戴胜（B）头上的冠羽；雪豹（C）身上的斑点；大熊猫(dàxióngmāo)（D）的声纹；小熊猫（E）的面部花纹；斑马（F）身上的条纹；大象（G）鼻子上的鼻纹都是其独一无二的典型特征(tèzhēng) 图片来源：赵海涛 齐晓光蒲志勇何鑫(héxīn)等提供

第二类，利用(lìyòng)人为标记进行识别，通过对动物个体施加人工标记物来(wùlái)进行区分。常见方法的主要有：环标法、刺纹法、烙印(làoyìn)法、染料标记法和注入微电子芯片等。例如，可以给鸟类(niǎolèi)或者家禽带上脚环，给老虎或者猴子佩戴项圈，给猪或牛等家畜打上耳标等，但这些方法可能会给动物的行动造成不便，并且容易脱落。至于在动物身体上刺纹身或烙印，多见于早期的畜牧(xùmù)养殖，太过(tàiguò)粗暴，会对动物身心(shēnxīn)造成伤害，现在已经很少使用了。

而利用低频或高频射频识别技术(jìshù)（Radio Frequency Identification，简称 RFID）的(de)微电子芯片应用较为广泛，它通过电磁场传输数据来识别标签中存储的动物个体身份信息，以微型芯片的方式附着、粘贴或植入(zhírù)目标体内(tǐnèi)。这一技术主要应用于小(xiǎo)群居动物个体身份识别，但在多(duō)目标同时识别时效果欠佳。

佩戴 GPS 定位项圈的雌性川金丝猴 图片来源(láiyuán)：陕西省动物研究所赵海涛(zhàohǎitāo)

陕西洋县国家自然保护区的每一只朱鹮出生后(hòu)都会在脚上佩戴环标，这样工作人员就能清楚地了解它的详细身世信息 图片(túpiàn)来源(láiyuán)：陕西省动物研究所赵海涛

FRID 工具 图片(túpiàn)来源：陕西省动物研究所赵海涛

第三类，利用红外(hóngwài)相机拍摄的(de)图像（或视频）来识别动物(dòngwù)个体。随着数码成像技术的不断进步和红外相机设备的国产化，这种方法已经在(zài)国内普及。利用红外相机可以对预设区域实现长期持续(chíxù)观察，从而便于获得那些行踪隐秘或是(huòshì)夜行性动物的数据。例如，感官敏锐、活动隐秘等特点使得大型(dàxíng)猫科动物的行为研究十分困难，红外相机能捕捉到大量平时无法观察的直观信息，为我们了解这些神秘动物贡献巨大。

其次，使用红外相机进行观察具有较好的隐蔽性，可以大大降低人为活动对动物(dòngwù)的影响。此外，相比于通过动物痕迹进行识别，拍摄到(dào)的影像数据更加(gèngjiā)直观可靠，且数字化的影像数据便于存储和交流。

图片(túpiàn)来源：参考文献[8]

然而，布设大量红外相机会(jīhuì)产生海量数据(shùjù)，即便是有经验(jīngyàn)的科研人员也(yě)至少要花费 4 到 5 个小时，才能从被识别过的个体影像、照片资料中获取少量的有效行为数据。面对未标记和识别过的目标，科学家们也只能对这些海量信息“望洋兴叹”。

既然数据收集和分析干起来太累，那能(nànéng)不能让机器代劳呢？

近十年来，随着(suízhe)计算机科学和人工智能技术的(de)飞速发展，以及大规模图像数据集的出现和计算设备(shèbèi)能力的不断增强，以卷积(juǎnjī)神经网络（convolutional neural network，CNN）为代表的深度学习技术在动物识别中(zhōng)取得了巨大进展。科学家们先后实现(shíxiàn)了多种动物在野外条件下的物种识别、数量统计、行为检测(jiǎncè)、栖息地观测等智能化、无人化工作，不仅节省了大量人力与时间，更提高了精确度。

利用深度学习技术开展(kāizhǎn)动物个体识别相关工作(gōngzuò) 非洲企鹅（a），斑马（b）,黑猩猩（c）,家猪(jiāzhū)（d）,奶牛（e），金钱豹（f），大熊猫（g）,亚洲黑熊（h）图片来源：参考文献[8]

CNN 是一种(yīzhǒng)学习(xuéxí)效率很高且易于训练的(de)深度学习模型。在 CNN 基础之上，通过对(duì)卷积层、池化层、全连接层等结构的交替与优化，能够加强对图像的特征提取，并通过调整网络(wǎngluò)层数加强学习能力，进一步(jìnyíbù)训练计算机提高识别性能。此外，CNN 还可以结合其他神经网络(shénjīngwǎngluò)架构，如基于循环(xúnhuán)神经网络（Recurrent Neural Network, RNN）的 LSTM 算法（也称为长短期记忆网络，是一种时间递归(dìguī)神经网络，适合于处理和(hé)预测时间序列中间隔和延迟相对较长的重要事件）、GAN 算法（即生成对抗(duìkàng)网络，由生成网络(Generator)和判别网络(Discriminator)组成；两个网络相互对抗，训练过程中最终的目标是生成接近真实(zhēnshí)数据的样本）等，增强特征提取能力，进一步优化网络结构，提高识别准确度。

通过 CNN 进行动物(dòngwù)识别简化流程图 图片来源：李勃绘制

2020 年，西北大学郭松涛(sōngtāo)团队在长期对金丝猴群体特征研究结果的(de)(de)基础上，利用神经网络(shénjīngwǎngluò)原理，提出具有关注机制的深度神经网络模型，首次开发出基于 Tri-AI 技术的动物个体识别系统。该系统实现了对野生个体的准确身份识别和(hé)连续跟踪采样，目前已在灵长类的 41 个代表性物种和 4 种食肉动物群体进行(jìnxíng)了适用性(shìyòngxìng)验证，平均识别精度达 94.1%。更厉害的是，Tri-AI 系统还能兼容夜视影像的分析，实现全天候的动物研究。

Tri-AI 动物个体识别系统的(de)工作过程 图片来源(láiyuán)：参考文献[11]

当年唐僧要(yào)是有了这套(zhètào)系统，那《西游记》里真假美猴王的故事怕是要改写了。

即便猴脸都能(néng)靠 AI 自动识别了，科学家们依然没有满足。

他们还将卫星遥感与深度学习结合进行(jìnxíng)物种识别，并且应用于羚牛、布氏斑马等野生动物监测，人们可以通过这些卫星遥感数据对物种死亡率进行调查并评估(pínggū)潜在(qiánzài)死亡风险，甚至可以远程追踪威胁野生动物的非法活动(fēifǎhuódòng)。

利用 AI 技术无人机能够(nénggòu)快速准确地分辨(fēnbiàn)出画面中的监测目标 图片来源：参考文献[12]

此外，科学家们(men)还尝试开发(kāifā)基于深度学习的无人机检测方法。利用无人机与 CNN 结合搭建的半自动检测方法，对非洲大草原上的长颈鹿、非洲象等(děng)动物进行观测，不仅在效率上有很大提升，精确度也(yě)有所提高。另外，科学家们已(yǐ)不再局限于静态图像的AI识别，正致力于开发能够解析动态视频数据的 AI 模型了。

如今，借助 AI 技术的深度融合，动物(dòngwù)身份识别技术已能实现对单个动物制定繁殖(fánzhí)计划、进行疾病控制(kòngzhì)、开展动物行为学研究及动物种群预估等，在未来(wèilái)的精准畜牧养殖、食品安全溯源以及生态保护等方面，这类技术有着巨大的应用潜力。

借助该技术，我们甚至可以给动物群体中的(de)每只动物都(dōu)赋予明确的身份。设想一下，在不久的将来，无论是在动物园还是野外，拿起(qǐ)手机对着活蹦乱跳的动物一扫(yīsǎo)，屏幕上就会跳出它们的姓名、性别、兴趣爱好、家族谱系等，甚至每一个动物的身世传奇都尽在你的掌中(zhǎngzhōng)，那将会是一种什么样的难忘体验？

感谢西北大学李保国(bǎoguó)老师团队和陕西省动物研究所赵海涛研究员等诸位师友为(wèi)撰写本文提供的文献、图片资料和宝贵意见。

[1]张丽霞等. 动物(dòngwù)个体(gètǐ)识别方法种种. 野生动物学报，2015,36（04）：475-478

[2]黄孟选等. RFID技术(jìshù)在动物个体行为识别中(zhōng)的应用进展. 中国家禽，2018，40（22）：39-44

[3]付鑫等. 基于红外相机监测(jiāncè)照片对亚洲黑熊(hēixióng)的个体识别. 经济动物学报，2020，24（03）146-152

[4]保明伟等. 野生动物学报，西双版纳野象谷亚洲象个体(gètǐ)识别(shíbié)及种群(zhǒngqún)数量特征，2024 ,45 (03)：472 - 479

[5]顾佳音. 东北虎雪地足迹(zújì)个体识别(shíbié)技术研究. 东北林业大学，2013,06

[6]路红坤. 基于声纹的(de)大熊猫个体识别系统分析与(yǔ)研究. 电子科技大学，2019.06

[7]刘雪华等. 红外相机技术在物种监测(jiāncè)中的应用及数据挖掘. 生物(shēngwù)多样性,2018，26(8)：850-861

[8]刘宁. 基于图像(túxiàng)的濒危动物个体识别研究——以(yǐ)东北虎和小熊猫为例. 四川大学，2021,06

作者丨李勃 陕西省(shǎnxīshěng)生物农业研究所