Краткое обоснование
Для разработки эффективных мер защиты и сохранения животного мира в Арктике и Антарктиде необходимы регулярные исследования полярных животных и среды их обитания. Издавна для их изучения используется пилотируемая авиация, а сейчас беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Но до сих пор мало что известно об их численности и состоянии. Для проведения эффективного мониторинга в суровых полярных условиях необходимы новые технические средства и методы сбора материалов на базе БПЛА, а также современные компьютерные способы их обработки.
Цель
Мониторинг состояния животных и мультивидовой учет с БПЛА в полярных регионах.
Краткое описание проекта
Для изучения полярных животных производится съемка с борта нескольких БПЛА, базирующихся на ледоколе или берегу. Беспилотники оснащаются камерами в различных областях оптического спектра, включая инфракрасные и ультрафиолетовый диапазоны, а также навигационными системами, высотомерами и другим оборудованием. Ледокол обеспечивает поступательное движение вперед, а БПЛА ведут съемку галсами преимущественно в направлении, перпендикулярном движению ледокола.
После предварительной бортовой обработки и сжатия собранные материалы с БПЛА оперативно передаются в центр экспресс обработки на ледоколе или берегу для оценки качества материалов и дальнейшего планирования полетов. Далее информация передается в береговой центр обработки и анализа данных. Для оценки численности животных производится экстраполяция выборочных данных и оценки численности животных различный видов.
Сбор материалов и обработка данных
Определение района работ и выбор времени авиасъёмки
Первоначальный этап включает определение района и выбор времени авиасъёмочных работ. Для этого необходимо учитывать размер территории, тип местности и плотность распределения животных. Выбор оптимального времени для съёмки зависит от жизненного цикла животных. Съёмка с БПЛА должна производится в такой период активности животных, когда можно выполнить наиболее полный их учёт.
Выбор БПЛА, маршруты и высоты авиасъёмки
Выбор беспилотников зависит от спецификации работы. Существуют БПЛА для детальной съёмки небольших участков и более крупные летательные аппараты для охвата больших территорий. Маршруты полёта прокладываются таким образом, чтобы получить наиболее полное и равномерное покрытие района без больших пробелов. Высота полета беспилотника должна обеспечивать как достаточное разрешение изображений для обнаружения животных, так широкий обхват местности для представительной выборки. Это в итоге позволяет получить более точные результаты при экстраполяции данных.
Методы авиасъёмки животных
Применяются методы как непосредственного обнаружения животных, так и по следам их жизнедеятельности. Кроме обычной цифровой фотосъёмки в видимой области спектра применяется инфракрасная, ультрафиолетовая и другие виды съёмки. Применение тепловизоров позволяет определять животных по тепловому следу даже в условиях слабой видимости или густой растительности, а использование ультрафиолета позволяет обнаруживать замаскированных особей.
При учёте с БПЛА предъявляются особые требования к аппаратуре: камеры должны иметь высокое разрешение, широкий угол обзора и быть стабильными при вибрации, выдерживать жёсткие условия эксплуатации. Углы съёмочной аппаратуры должны быть метрологически откалиброваны. Кроме специального оборудования для управления БПЛА и авиасъёмочной аппаратуры необходимы навигационная система, точный высотомер, датчики положения летательного аппарата.
Дешифрирование авиаснимков
На этапе дешифрирования снимков с БПЛА специалисты анализируют полученные материалы, классифицируя типы местности и идентифицируют животных на льду, земле или в воде. Для обнаружения и распознавания животных применяются как ручные методы, так и компьютерные с использованием методов машинного зрения и нейросетей.
Подсчет животных и корректировка недоучета
Подсчет количества животных на снимках осуществляется путем прямого подсчета особей на изображениях в ручном или автоматическом режиме. При этом недоучет на краях снимков корректируется с помощью статистических моделей. Оценивается также степень недоучета из-за сложностей местности и особенностей поведения животных.
Экстраполяция данных учётов и интерпретация результатов работ
На последнем этапе данные учёта экстраполируются на всю обследованную БПЛА территорию и производятся оценки численности животных разного вида. Результаты работ интерпретируются биологами и географами совместно с другими специалистами. Затем результаты работ могут использоваться для оценки состояния полярных экосистем, их защиты и разработки стратегий сохранения биоразнообразия.
Подготовка к работам
Для реализации всего проекта требуется тщательная научно-техническая подготовка по биологическому, экологическому, географическому и другим направлениям, а также серьезное математическое и организационно-техническое обеспечение работ. Комплексный подход диктует объединение усилий профессионалов разного профиля — от биологов до технических и IT-специалистов.
Среди приоритетных направлений можно выделить следующие:
· «перепись» видов животных, обитающих в полярных районах, и характеристика их среды обитания;
· разработка и совершенствование БПЛА и авиасъемочной техники, а также методов авиасъёмки;
· совершенствование и автоматизация методов сбора, обработки материалов и учета животных;
· совершенствование методов экстраполяции и алгоритмов оценки численности морских животных;
· совершенствование интерпретации результатов исследований животных в полярных районах.
Николай Кузнецов, n-kuz@yandex.ru Январь 2023
