Краткое обоснование
Для разработки эффективных мер защиты и сохранения животных в Арктике и Антарктиде необходимы регулярные исследования самих животных и среды их обитания. Издавна для их изучения использовалась пилотируемая авиация, а сейчас — беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Но до сих пор мало что известно об численности и состоянии животных. Для проведения эффективного мониторинга в суровых полярных условиях необходимы новые технические средства и методы сбора материалов на базе БПЛА, а также современные компьютерные методы их обработки.
Цель: Мониторинг состояния природы и мультивидовой учет полярных животных.
Краткое описание проекта
Для изучения животных и среды их обитания производится съемка с борта нескольких БПЛА одновременно, базирующихся на ледоколе или судне ледового класса. 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. Затем производится экстраполяция выборочных данных и оценка численности животных различный видов.
Авиаучётные работы
Сбор материалов авиасъёмки
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.
БПЛА, маршруты и высота авиасъёмки
Выбор беспилотников зависит от спецификации работы. Для детальной съёмки небольших участков используются небольшие БПЛА, а более крупные летательные аппараты применяются для охвата больших территорий. Маршруты полёта прокладываются таким образом, чтобы получить наиболее полное и равномерное покрытие района работ без больших пробелов. Высота полета беспилотника должна обеспечивать как достаточное разрешение изображений для обнаружения животных, так и широкий охват местности для представительности выборки. Это позволяет получить в итоге более точные результаты авиаучётов.
Методы авиасъёмки животных
Применяются методы как непосредственного обнаружения животных, так и по следам их жизнедеятельности. Кроме обычной цифровой фотосъёмки в видимой области спектра применяются инфракрасная, ультрафиолетовая и другие виды съёмки. Применение тепловизоров позволяет определять животных по тепловому следу даже в условиях слабой видимости, а использование ультрафиолета позволяет обнаруживать замаскированных особей.
Авиасъёмочная аппаратура
При съёмке с БПЛА предъявляются особые требования к аппаратуре: камеры должны иметь высокое разрешение, широкий угол обзора и быть стабильными при вибрации, выдерживать суровые условия эксплуатации. Углы съёмочной аппаратуры должны быть метрологически откалиброваны. Кроме специального оборудования для управления БПЛА и авиасъёмочной аппаратурой необходимы навигационная система, высотомер, датчики положения летательного аппарата.
Обработка материалов и данных
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 авиасъёмки
На следующем этапе данные учёта экстраполируются на всю обследованную территорию и производятся оценки численности животных разного вида. Результаты работ интерпретируются биологами и географами совместно со специалистами других специальностей. Затем результаты работ используются 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 специалистов.
Среди приоритетных направлений можно выделить следующие:
· «перепись» видов животных, обитающих в полярных районах, и характеристика их среды обитания;
· разработка и совершенствование специализированных БПЛА, авиасъёмочной техники и способов авиасъёмки;
· совершенствование и автоматизация методов сбора, обработки материалов и подсчёта животных;
· совершенствование методов экстраполяции и алгоритмов оценки численности животных;
· совершенствование интерпретации результатов исследований животных в полярных районах.
Николай Кузнецов, n-kuz@yandex.ru Январь 2023
