Авиаучёт белых медведей и экологический мониторинг мест их обитания на территории ГПЗ «Медвежьи острова» в 2023 году

От редакции. Развитие современных технологий медленно, но верно отодвигает в сторону сегодняшние методы учёта и оценки численности охотничьих животных. В частности, зимний маршрутный учёт (который ругают уже просто абсолютно все) может быть отнесён к методикам даже не прошлого, а скорее позапрошлого века. На смену этим методикам приходит hi-tech: дроны, тепловизоры и искусственный интеллект – как в предложенной ниже статье якутских коллег.

В 2020 году постановлением Правительства Российской Федерации № 954 на территории МО Нижнеколымский улус (район) Республики Саха (Якутия) был создан государственный природный заповедник «Медвежьи острова» на базе ранее существовавших особо охраняемых природных территорий регионального значения. Общая площадь заповедника составляет 815,5 тысяч гектаров, из них 482 тысячи гектаров приходится на морскую часть и 333,5 тысячи гектаров – на материковую.

Государственный природный заповедник «Медвежьи острова» уделяет особое внимание мониторингу и охране белого медведя, который относится к числу особо охраняемых видов мировой фауны. С момента основания заповедника ежегодно проводится осенний авиамониторинг. Его цель – сбор данных о распределении и численности белых медведей на архипелаге Медвежьи острова и побережье Нижнеколымского района Якутии, входящих в территорию заповедника, в предзимний период. В рамках мониторинга выполняются следующие задачи: поиск белых медведей на островах архипелага и побережье, оценка их половозрастной структуры, поведения и физиологического состояния. Это особенно важно в период, когда животные вынуждены находиться на суше до образования устойчивого ледового покрова.

Рисунок 1. Рабочее окно ЭВМ НПУ для управления полётами БЛА

В 2023 году был успешно внедрён инновационный подход к проведению авиамониторинга. В сентябре осуществлён инструментальный авиамониторинг с участием специалистов АНО «Экофактор». Подсчёт численности белых медведей на территории заповедника проводился с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) «Орлан-10», оборудованного системой для аэрофотосъёмки с дальнейшим подключением нейросети.

Техническое обеспечение аэрофотосъёмки

Для выполнения аэрофотосъёмочных работ использовался беспилотный аэрофотосъёмочный комплекс на базе БЛА «Орлан-10». Беспилотник «Орлан-10» выполнен по классической аэродинамической схеме с верхним расположением крыла, четырёхтактным двигателем и тянущим винтом, обладающей лучшим аэродинамическим качеством среди применяемых для БЛА самолётных схем. Фотографирование осуществляется с помощью следующих приборов:

• среднеформатный фотоаппарат PhaseOne iXM-50 (50 Мп) с объективом RSM 35 мм;
• неохлаждаемый тепловизор разрешением 704×576 пикс. с диапазоном 7,5–13,5 мкм;
• IP-видеокамера разрешением FullHD (1920×1080, 25 к/с).

Съёмка производится автоматически, с соблюдением заданных параметров. Наземная часть является мобильной, транспортируется на микроавтобусе и эксплуатируется экипажем из 2 человек. В течение полёта производится передача данных телеметрии и информации на компьютер наземного пункта управления (НПУ). Полученные данные сохраняются, обрабатываются и визуализируются на экране компьютера НПУ.

Рисунок 2. Общий вид стартовой позиции на о. Четырёхстолбовой

Полёты выполнялись с двух площадок: о-в Четырёхстолбовой снимался непосредственно с этого же острова (рис. 2) во время 3-часовой остановки вертолёта, доставлявшего личный состав и оборудование до кордона «Кургидино-Крестовая», полёты на выполнение авиамониторинга остальных 5 островов архипелага «Медвежьи острова» и материковой части ГПЗ «Медвежьи острова» выполнялись с территории вышеуказанного кордона.

При выполнении аэросъёмочных работ БЛА удерживался на линии заданного маршрута и проектной высоте полёта по информации, получаемой бортовым GNSS-приёмником. Информация о текущем положении самолёта и необходимая телеметрия с борта БЛА отображалась в реальном времени на мониторе оператора НПУ. В соответствии с записанными в компьютер координатами центров фотографирования (КЦФ) в системе координат WGS-84 автопилот автоматически в нужной точке пространства давал команду на открытие затвора и на запись текущих координат центров фотографирования. При выполнении снимка фотоаппарат автоматически устанавливал необходимые параметры экспозиции с целью получения наиболее оптимальных по фотографическому качеству снимков.

Рисунок 5. Рабочий момент – укладка парашюта после приземления

Аэрофотосъёмочные работы с использованием беспилотного авиационного комплекса (БАК) выполнялись с 8 до 18 ч местного времени. Полёты выполнялись на расстояние до 85 км от НПУ. Максимальная продолжительность полёта БЛА составляла до 9 ч 2 мин. за 1 полёт, общее полётное время при выполнении аэросъёмочных работ составило 34 ч 4 мин., общее количество аэрофотоснимков высокого разрешения – 25 080 а/сн., общая длина аэросъёмочных маршрутов – 2726 км. Пространственное разрешение аэрофотоснимков высокого разрешения составило от 3 до 7 см/пиксель.

Территории о-ва Четырёхстолбовой были отсняты только частично (ввиду ограниченного времени стоянки вертолёта был отснят периметр острова и примерно 1/8 площади острова), территория о-ва Крестовский была отснята примерно с 70% покрытием. Применение дифференциальных спутниковых наблюдений на базовой станции и бортовых GNSS-приёмниках позволило обеспечить точность определения координат центров фотоснимков (далее – КЦФ) не хуже 0,15 м. Полёты выполнялись в среднем на высоте 300 м, в зависимости от условий беспилотники или снижались до 250 м, или поднимались до 400 м.

Послеполётная экспресс-обработка материалов, контроль качества

Фотоснимки высокого разрешения с фотокамер PhaseOne iXM-50 сохранялись на съёмном носителе в RAW – формате фирмы PhaseOne (*.IIQ) и для удобства последующей работы с ними потребовали преобразования в формат JPEG. Перед конвертацией проводился просмотр исходных аэроснимков, в случае необходимости выполнялась коррекция экспозиции (осветление) аэроснимков. Общее время конвертации аэроснимков высокого разрешения составило порядка 80 ч (выполнялось на высокопроизводительном ноутбуке ASUS G751J, оперативная память 32 Gb, процессор Core I7 2000 Hz, дискретная видеокарта NVIDIA GeForce GTX 980M). Спутниковые GNSS-наблюдения фиксировались бортовыми приёмниками Javad TRE-G3T и после полёта обрабатывались совместно с наблюдениями базовой ГНСС-станции c целью получения высокоточной траектории полёта и координат центров снимков в ПО GrafNav 8.90 (получена точность в плане и по высоте не хуже 0,10 м), режим обработки – «кинематические измерения».

Рисунок 6. Картосхема выполненных с 15 по 21 сентября 2023 г. маршрутов аэрофотосъёмки на ГПЗ «Медвежьи острова»

При первичной перезаписи файлы с фотографиями переименовываются, им присваиваются имена формата «Месяц-День-Год-Час-Минута-Секунда_НомерКадра, присвоенный фотоаппаратом». Производится обработка навигационных данных, проверка привязки полученных материалов к единому времени. Для наглядного представления строятся картосхемы маршрутов авиасъёмки (пример картосхемы приведён на рис. 6) с указанием номеров выполненных фотоснимков

Технический контроль качества выполняемых видов работ в процессе производства осуществлялся по этапам исполнителями, оператором БЛА и руководителем группы авиамониторинга И.В. Чернооком. Фото-, видео- и ИК-материалы просматривались после окончания каждого полётного дня с целью оценки качества получаемых материалов, оптимальной настройки авиасъёмочной аппаратуры перед следующими полётами, а также для подсчёта зарегистрированных белых медведей. Фотоснимки местности с плотным туманом перемещались в отдельную папку. Изобразительное качество материалов аэросъёмки соответствует требованиям ТЗ. На аэроснимках легко различимы отдельные особи белых медведей, кроме того, были зафиксированы антропогенные загрязнения побережья Восточно-Сибирского моря, в частности в виде крупных скоплений многочисленных металлических 200-литровых бочек из-под топлива.

Рисунок 7. Пример ОФП на острове Андреева

По материалам полученных материалов аэросъёмки построены ортофотопланы оптическим разрешением 7 см/пиксель на территорию общей площадью 325,4 кв. км. Ортофотопланы позволят более точно определить площади загрязнений береговой линии, а также, в случае проведения ежегодных повторных авиамониторингов, оценить скорость эрозии (размыва) береговой линии материковой части ГПЗ «Медвежьи острова», значительно ускорившейся в последние годы вследствие повышения среднегодовых температур и таяния вечной мерзлоты.

Послеполётная оперативная обработка материалов аэрофотосъёмки с помощью нейросети

Для оперативного реагирования на ситуацию авиасъёмки после каждого полёта проводилась обработка результатов с помощью нейросети. Для этого нейросеть была обучена по результатам авиасъёмки 2022 г. на острове Врангеля. Также для этой цели был приобретён компьютер с необходимой аппаратной конфигурацией. Время обработки одного полёта составляло 8–10 часов. Результатом работы нейросети был набор вырезок из исходных фотографий предполагаемых белых медведей с информацией о местоположении на фото. Затем весь объём вырезок просматривался, и ненужные вырезки удалялись. Также удалялись дублирующие вырезки одного медведя. После этого производилась координатная привязка обнаруженных медведей и нанесение их на картосхему. Для примера на рис. 9 приведены картосхемы мест обнаружения нейросетью медведей, а в табл. 1 – число медведей. Примеры фрагментов фотографий белых медведей приведены на рис. 11.

Рисунок 9. Обнаруженные на островах нейросетью медведи и маршруты полётов

Оперативная обработка необходима для представления реальной ситуации и позволяет оптимально строить последующие маршруты. Например, после полёта по побережью материка было обнаружено отсутствие медведей далее 1 км от береговой черты, поэтому было принято решение последующие галсы строить с интервалом 1 км, что позволило сэкономить полётное время. Обработка нейросетью этого полёта выявила правильность принятого решения. На внутренних галсах не было обнаружено ни одного медведя.

Таблица 1. Обнаруженные нейросетью белые медведи по районам

Также были зарегистрированы места обнаружения антропогенных загрязнений. Картосхема мест обнаружения антропогенных загрязнений приведена на рис. 13, а примеры загрязнений – на рис. 14.

Расчёт численности белого медведя по результатам авиаучёта на территории ГПЗ «Медвежьи острова»

С 15 по 21 сентября 2023 г. на территории ГПЗ «Медвежьи острова» проведены авиаучёт белого медведя и экологическая авиасъёмка территории заповедника с применением БПЛА с большой дальностью полёта. Картосхемы всех полётов с нанесением маршрутов полётов разных дней и мест встречи белых медведей приведены выше (см. рис. 9). Практически на всей территории заповедника проведена сплошная авиасъёмка, по итогам которой зарегистрировано 183 особи белого медведя. Однако аэросъёмка острова Крестовский выполнялась 3 раза: 17, 18 и 19 сентября.

Рисунок 11. Пример фото обнаруженных с БПЛА белых медведей

17 сентября завершить запланированную съёмку острова не удалось: из-за тумана и снегопада началось обледенение БПЛА, и самолёт экстренно вернули на базу. В полёте 18 сентября выполнена съёмка высокого разрешения для построения точной карты побережья о-ва Крестовский, в ходе которой на побережье найдено 15 белых медведей (13 взрослых и 2 детёныша). 19 сентября 2023 г. остров Крестовский отсняли полностью. Аэросъёмка выполнялась параллельными галсами, с расстоянием между галсами 710 м. Выполнено 13 галсов направлением СЗ-ЮВ. Расположение галсов, точек фотографирования и номера фотоснимков указаны на рис. 9.

Общая площадь острова Крестовский составляет 70 кв. км (определено по космоснимку Google Map). В связи с сильно выраженным рельефом (максимальные высоты на острове – до 270 м) площадь фотографий была переменной, в зависимости от высоты полёта БПЛА над рельефом. Высоты БПЛА над рельефом были вычислены в ПО Global Mapper v.18.0 c использованием данных матрицы высот SRTM и данных о высотах центров аэроснимков. Площадь покрытия каждого галса определялась произведением длины галса на среднее арифметическое ширины аэроснимков этого галса. Также определена полезная площадь (площадь покрытия галса за вычетом площадей аэроснимков над морем и в тумане). Таким образом, полезная площадь покрытия аэроснимками территории о-ва Крестовский по материалам аэросъёмки за 19.09.2023 составила порядка 67% от общей площади острова.

Рисунок 13. Места антропогенных загрязнений (оранжевые точки)

Заключение

Апробирован метод авиасъёмок для учёта белых медведей на территории Государственного природного заповедника «Медвежьи острова» с использованием звена БЛА «Орлан-10» с большой дальностью полётов.

1. Все фотоснимки имеют привязку ко времени (UTC, GPS) и координатам (в СК WGS-84).
2. Высокое пространственное разрешение аэрофотоснимков позволило зарегистрировать тропы следов белого медведя.
3. Получены траектории полётов БЛА с интервалом записи 1 с, включающие данные о времени, курсе, скорости полёта, КЦФ аэрофотоснимков высокого разрешения в СК WGS-84.
4. Обследованы и отсняты все береговые линии ГПЗ «Медвежьи острова» и материка, на которых было 175 белых медведей, в т. ч. 31 детёныш.
5. Подготовлены картосхемы с обозначением мест встречи медведей и мест их обитания на Медвежьих островах, а также архив фотовырезок с зарегистрированными белыми медведями, их тропами.
6. Детально отснята вся территория о. Андреева и кордона «Кургидино-Крестовая», построены ортофотоплан (ОФП) в формате GeoTiff с разрешением 5 см/пикс.

Результаты работы

1. Создана цифровая карта всей береговой зоны заповедника «Медвежьи острова» с высоким пространственным разрешением (3–7 см) и точной географической привязкой (20 см).
2. Подготовлены итоговые таблицы основных обнаруженных объектов авиамониторинга с привязкой к географическим координатам и ко времени:

• белые медведи – 175 особей, в том числе 31 детёныш;
• тропы белых медведей – 1700 мест фоторегистрации;
• останки животных – 23 места фоторегистрации;
• птицы – 1078;
• олени – 26 особей на материке;
• железо и бочки (200 л) – более 6000 бочек, в основном на о-ве Четырёхстолбовой;
• плавник – 150 мест фоторегистрации;
• пластик – 45 мест фоторегистрации.

Рисунок 14. Пример антропогенных загрязнений

Таким образом, в результате выполненного нами БПЛА-обследования ГПЗ «Медвежьи острова» с протяжённостью маршрутов полёта 2726 км авиасъёмкой задокументировано около 11 тыс. объектов. Дополнительно к техническому заданию выполнена детальная фотосъёмка всего побережья заповедника – фактически подготовлены данные для построения цифровой карты береговой линии с точной географической привязкой фотоснимков и с высоким пространственным разрешением.

Результаты проведённой работы показали, что при авиасъёмке можно в кратчайшие сроки получить ценную информацию о текущем состоянии популяции такого редкого вида животного, как белый медведь, и принять оперативные действия по его охране, возможным биотехническим мероприятиям, предупреждению конфликтов коренного населения с хищником и развитию арктического экологического туризма в ООПТ.

Все статьи номера: Русский охотничий журнал, апрель 2025