способ дистанционного определения размерно-возрастного состава представителей семейства настоящие тюлени

Формула изобретения

Способ дистанционного определения размерно-возрастного состава представителей семейства настоящие тюлени на залежках, включающий получение снимков и сопутствующей им навигационной информации, компьютерную обработку снимков, отличающийся тем, что цифровым аппаратом осуществляют фотосъемку с высоты 150-200 м, при этом для каждой фотографии выполняют привязку координат скорости и высоты полета, времени срабатывания затвора и параметров настройки фотоаппарата, фотоснимки просматривают, отбраковывают изображения животных в неподходящем для измерения длины тела положении, дифференцируют животных по окраске, выполняют компьютерную обработку снимков, при этом определяют длину тела отобранных для измерения объектов съемки в пикселях, определяют корректирующий коэффициент для биологической длины, преобразуют длину объектов, приведенную в пикселях, длину объектов в метрах и определяют биологическую длину измеряемых животных по формуле

S=((2×H×tg( /2)×L)/B)×K,

где S - биологическая длина объекта, м;

Н - высота съемки, м;

- угол обзора фотокамеры;

L - длина объекта измерения, пиксель;

В - ширина кадра цифровой фотографии, пиксель;

К - корректирующий коэффициент определения биологической длины измеряемых животных,

и на основании сведений о биологической длине и видимой окраске особей определяют их возраст по таблицам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экологии морских животных, в частности к способам обнаружения, оценки численности и размерно-возрастного состава представителей семейства настоящие тюлени, и может быть применено в природоохранных целях в рыбохозяйственной и других отраслях.

Многолетний научно-практический опыт свидетельствует о необходимости комплексного подхода в регулировании и управлении биоресурсами морских биоценозов. Морские млекопитающие имеют большое значение не только как ценные промысловые виды, но и как виды, играющие ведущую роль в морских биоценозах и экосистемах, и требуют особого контроля.

Использование традиционных методов учета морских животных было связано с большими затратами и трудностями реализации.

Современные методы учета стали важным элементом дистанционного мониторинга и позволяют получать все более достоверные сведения. В настоящее время регулярно проводят ежегодные авиаучетные съемки основных видов животных ледовых форм на залежках.

Известен метод авиаучета такого вида ластоногих, как моржи (Применение воздушного тепловизорного сканирования для учета тихоокеанских моржей (Odobenus rosmarus divergens). Вебер M., Берн Д. / Тезисы докладов второй международной конференции. Байкал, Россия. 10-15 сентября 2002 г. Морские млекопитающие Голарктики, M. - 2002. - С.62-63), который предусматривает одновременное использование термосканера и цифровой фотокамеры высокого разрешения для получения качественных ИК- и фотоснимков и последующего подсчета количества моржей в группах.

Фотоснимки выполняли на высоте 457-792 м, а затем на высоте 792-3200 м - термосъемки с разрешением 1, 2, 3 и 4 м с целью их сравнения с термальными изображениями различного разрешения для получения сведений о наличии взаимосвязи между термальными (объем тепла на тепловых снимках) и соответствующими им фотоснимками (численность моржей). Ширина учетной полосы на этих высотах составляла от 1,5 до 6 км.

Исследования подтвердили, что такая взаимосвязь существует и это позволит в будущем вести учет моржей, используя только термоснимки.

Выполненные фотоснимки не позволяют получить иные сведения кроме численности животных, так как на лежбищах моржи располагаются очень кучно, иногда практически сливаясь в одно пятно, и определить размеры отдельных особей или их пол достоверно не представляется возможным, более того, для коррекции данных используют термоснимки.

Фото- и термосъемки ученые выполняли или в два приема, или с двух самолетов, с разной высоты (по последним данным 800 м и 6000 м).

Практически сведения о численности моржей в этом случае получали, сопоставляя фото- и термоснимки, и конечной целью выполненной учеными работы является создание способа учета моржей по термоснимкам, при этом фотоснимки используют для корректировки результатов.

Наиболее близким к заявленному способу является мультиспектральный способ подсчета теплокровных животных с летательного аппарата (Пат. 2193308 Россия, 7 МКИ А 01 К 67/02, G 01 V 8/00. Способ подсчета теплокровных животных с летательного аппарата / Черноок В.И., Кузнецов Н.В. - №2000117615/13; Заявлено 04.07.2000, опубл. 27.11.2002, бюл. №33).

Способ предусматривает одновременную съемку скоплений теплокровных животных, например тюленей на щенных залежках, в инфракрасном и видимом диапазонах (в широкой и узкой полосе обзора), с получением ИК- и видеоснимков.

При подсчете животных на видеоснимке каждого отмеченного животного идентифицируют с соответствующим ему изображением на одновременно выполненном ИК-снимке, определяя количество совпадений и отличий, рассчитывают корректирующий коэффициент и с помощью полученного коэффициента корректируют полученные результаты и с высокой точностью определяют численность взрослых особей и детенышей.

Недостаток этого способа состоит в том, что он предусматривает дистанционное определение только численности животных.

Совершенствование метода мультиспектральной авиасъемки позволило помимо проведения подсчета численности животных ледовых форм на залежках определять также их размерно-возрастной состав.

В отличие от моржей тюлени на залежках располагаются рядом или на расстоянии друг от друга, что позволяет в большинстве случаев идентифицировать животных на снимке.

Предлагаемый способ дистанционного определения размерно-возрастного состава представителей семейства настоящие тюлени позволяет значительно расширить возможности авиасъемки с целью биологического анализа популяций этих животных.

В процессе учетной мультиспектральной авиасъемки предполагается одновременное дополнительное получение фотоснимков с помощью цифрового фотоаппарата. Фотосъемка проводится с небольшой высоты 150-200 м и более (в зависимости от фотоаппарата).

Способ предусматривает дополнительное получение учетных фотоснимков и сопутствующей им навигационной информации: географических координат, скорости и высоты полета самолета, параметров настройки фотоаппарата.

Полученные снимки просматривают и для последующей компьютерной обработки отбирают фотографии, на которых объекты съемки занимают необходимое для измерения положение тел, отбраковывают те изображения, на которых животные не занимают горизонтальное положение, удобное для получения достоверных данных о их биологической длине, проводят визуальную дифференциацию животных по окраске.

Корректирующий коэффициент К определяют по положению животного на льду во время его авиасъемки и на снимке.

Опытным путем, при одновременных измерениях длин животных на контрольных площадках во время их авиасъемок были определены три коэффициента, соответствующие наиболее часто встречающимся положениям тела объектов съемки:

- К=1 при прямом горизонтальном расположении животного;

- К=1,1 при прямом горизонтальном расположении животного с поднятой головой;

- К=0.9 при съемке животного в момент движения (тело изогнуто по горизонтали и кажется длиннее).

Эти коэффициенты и используются при расчетах.

С учетом корректирующего коэффициента длину объектов, приведенную в пикселях, преобразуют в длину в метрах и определяют биологическую длину измеряемых животных по формуле

S=((2×H×tg( /2))×L)/B)×K, где

S - биологическая длина объекта измерения в метрах;

Н - высота авиасъемки в метрах;

- угол обзора фотокамеры;

L - измеренная длина объекта съемки в пикселях;

В - ширина кадра цифровой фотографии в пикселях;

К - корректирующий коэффициент.

На основании сведений о биологической длине и видимой окраске особей определяют их возраст по известным таблицам.

Полученные данные используют для создания графического отображения распределения объектов измерения по их размерам, например в виде графиков или гистограмм.

На графических материалах размерный состав наблюдаемой группы морских животных представлен наглядно и хорошо выделяются экстремумы, соответствующие детенышам и взрослым особям. При сравнении результатов съемок, проведенных в разные периоды, может быть прослежено изменение размера детенышей по мере их вырастания.

Предложенный способ значительно расширяет возможности авиасъемки, позволяет проводить масштабные исследования по морским млекопитающим, в частности по гренландскому тюленю, в качестве объектов многовидового моделирования, одновременно получать достоверные сведения не только о численности, но и размерно-возрастном составе группы животных.

Эти сведения служат информационной основой для расчета численности популяции морских животных и определения уровня ее промысловой эксплуатации.

Практически способ выполнялся следующим образом.

Определение размерно-возрастного состава гренландских тюленей проводилось по материалам учетной авиасъемки на щенных (март 2003 г.) и линных (апрель 2003 г.) залежках в Белом море (фиг.1, 2). На самолете-лаборатории АН-26 «Арктика» была установлена цифровая фотокамера NIKON D1X/ фотосъемка проводилась с высоты 150-200 м с двумя вариантами фокусного расстояния объектива - 28 и 80 мм. Фотографии получали с максимальным разрешением 3008×1950 пикселей, с динамическим диапазоном цвета - 48 бит.

В ходе проведения съемки фотоснимки и сопутствующая им навигационная информация (географические координаты, высота съемки, настройка фотоаппарата) в реальных координатах и времени поступала в бортовую самолетную систему сбора, обработки и предоставления данных (БАС), реализованную на базе персонального компьютера не хуже Pentium.

Для обработки были отобраны снимки, на которых тюлени занимали преимущественно горизонтальное положение (фиг.3, 4), проводили визуальную дифференциацию животных по окраске.

Всего по полетам было обработано 1263 фотографии. При компьютерной обработке фотографий с помощью программы «Видеотест» производили измерение длины тела тюленя в пикселях (максимальный размер 130 пикселей).

Измерение длины тела тюленей было проведено на отобранных 206 изображениях 14-15 марта и 142 изображениях за 20 марта. Данные измерений приведены в таблице.

Длину объектов, приведенную в пикселях, преобразовывали в длину в м по приведенной формуле с учетом корректирующего коэффициента определения биологической длины измеряемых животных (суммарная ошибка при измерении длины по фотографии составила 15%).

Пример выполнения расчета биологической длины измеряемого животного - тюленя.

Съемка проводилась цифровым фотоаппаратом NICON 1DX, со следующими характеристиками:

- объектив с фокусным расстоянием F=80 мм;

- угол обзора по горизонтали =16°;

- ширина кадра цифровой фотографии в пикселях В=3008 пикселей.

- высота авиасъемки Н=170 м;

- измеренная длина при прямом горизонтальном положении тюленя на фотографии L=107 пикселей.

Корректирующий коэффициент К определяли положением тюленя на льду в момент его фотосъемки. В данном случае К=1.

Биологическую длину измеряемого тюленя рассчитывали по формуле:

S=((2×Н×tg( /2)×L)/В)×К,

где (2×Н×tg( /2)) - это полная ширина учетной полосы авиасъемки в м (рассматривается как основание равностороннего треугольника с углом при вершине =16°, равным углу обзора фотоаппарата, при этом 1/2 ширины учетной полосы рассчитывают как длину меньшего катета прямоугольного треугольника, второй катет которого равен высоте авиасъемок, а угол при вершине - угла обзора фотокамеры - /2).

Подсчитав сколько м учетной полосы соответствует 1 пикселю кадра, определяли биологическую длину тюленя с учетом корректирующего коэффициента.

После подстановки данных получается

S=((2×170×tg(16°/2)×107)/3008)×1=1,69 (м).

Графическое представление распределения тюленей по размерам длины тела показано на фиг.5 и 6.

На графике наглядно представлена размерная структура выборки гренландских тюленей на щенных залежках в Белом море, хорошо выделяются детеныши и взрослые особи (выделены экстремумы, соответствующие взрослым особям и детенышам).

Общий диапазон размеров от 80 до 200 см, средние размеры детенышей 100-110 см, взрослых особей 160-170 см.

Для детенышей тюленей абсолютная ошибка в определении длины тела составляла 10-15 см, а для взрослых - 15-20 см.

По опубликованным исследованиям через длину тюленя представляется возможным характеризовать его возраст. Возможности цифровой фотографии с высоким разрешением позволяют дистанционно с высоты съемки хорошо распознавать характерную для возраста окраску тюленей, что также служит еще одной возможностью определения возраста тюленей (фиг.4).

Прослеживается изменение размера детенышей по мере их вырастания. По опубликованным исследованиям через длину тела тюленя с высокой достоверностью может быть определен его возраст, благодаря возможностям цифровой фотографии возможна дифференциация тюленей наряду с размерами и по окраске (серопятнистая, полукрылановая, крылановая).

Результат съемок.

Данные проведенных съемок стали важным элементом дистанционного мониторинга, регулярно выполняемого в последние годы.

Ценность полученных данных особенно высока в связи с тем, что одновременно получены сведения не только о численности взрослых особей и детенышей, но и ряд биометрических характеристик тюленей, что позволяет осуществить комплексный подход в регулировании и управлении биоресурсами морских биоценозов, так как морские млекопитающие имеют большое значение не только как ценные промысловые виды, но и как виды, играющие ведущую роль в морских биоценозах и экосистемах, и требуют особого контроля.

Предложенный способ значительно расширяет возможности авиасъемки и может быть использован на всех рыбопромысловых бассейнах.

Таблица Распределение тюленей по размерам на щенных залежках
Длина тела тюленя (см)	Количество тюленей
	14-15 марта 2003 г.	20 марта 2003 г.
81-90	3	4
91-100	23	11
101-110	38	23
111-120	26	13
121-130	5	11
131-140	3	5
141-150	12	8
151-160	26	22
161-170	26	19
171-180	23	14
181-190	15	8
191-200	6	2