Zastosowania bezprzewodowych systemów telemetrycznych do śledzenia zwierząt

Transkrypt

1 Zastosowania bezprzewodowych systemów telemetrycznych do śledzenia zwierząt Henryk Gierszal#, Tadeusz Mizera*, Maria Urbańska*, Witold Hołubowicz# # Instytut Technik Telekomunikacyjnych i Informatycznych ITTI, ul. P. Mansfelda 4, Poznań * Katedra Zoologii, Akademia Rolnicza w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 71c, Poznań Streszczenie Omówione zostaną naziemne i satelitarne metody śledzenia zwierząt lądowych i morskich a w szczególności ptaków. Najczęściej wykorzystywanym do tych celów systemem satelitarnych jest system Argos. Z powodu jego uniwersalności system ten może być wykorzystywany także do innych celów, w których liczy się określenie położenia obiektu lub przekazanie niewielkiej liczby danych. Wstęp Podstawową metodą badania przemieszczania się zwierząt jest ich znakowanie za pomocą obrączek, obroży, klipsów oraz barwienia części ciała. Metoda obrączkowania ptaków znana od 100 lat, umożliwia obserwację migracji ptaków w ograniczonym zakresie. Do dyspozycji badacza trafiają tylko dwie informacje, miejsce znakowania oraz miejsce stwierdzenia (zwykle martwego) zwierzęcia. Zazwyczaj nic nie wiadomo o trasach przelotów, kierunkach migracji, szybkości lotu i czasu pobytu w miejscach odpoczynku, zimowania, jak i czasu przebywania na miejscach postojów. Przez ostatnie 30 lat podejmowano wiele prób mających na celu pogłębienie wiedzy o migracji zwierząt z użyciem innych metod niż znakowanie. Metody radarowe umożliwiają rejestrowanie przemieszczania się m.in. ptaków, ale nie jest możliwe ich zastosowanie do obserwacji zwierząt lądowych. Techniki radiowe wykorzystują najczęściej zasadę pelengacji do śledzenia obiektów. Aby móc dokonywać obserwacji w trudno dostępnych terenach, jako stacje lokalizacyjne wykorzystuje się często samoloty lub lotnie. Inne metody bazują na pomiarach emisyjności w podczerwieni czy też temperatury np. migrujących ptaków. Dla celów telemetrii podwodnej rozwinięto natomiast techniki ultradźwiękowe. Telemetrię satelitarną wykorzystywano do śledzenia przemieszczania się zwierząt już od lat wraz z pojawieniem się pierwszych systemów telemetrycznych. Początkowe eksperymenty dotyczyły dużych ssaków lądowych i morskich, co wynikało z wielkości urządzeń nadawczych. Dopiero od połowy lat technologia pozwoliła zastosować techniki telemetrii dla dużych ptaków. Początkowo udało się zaobserwować trasy migracji 6 gatunków ptaków: bielika amerykańskiego Haliaeetus leucocephalus, petrela olbrzymiego Macronectes gigantens, łabędzia trębacza Cygnus buccinator i łabędzia czarnodziobego Cygnus columbianus, albatrosa wędrownego Diomedea exulans na południowo-zachodnim Oceanie Indyjskim oraz w Europie łabędzia czarnodziobego Cygnus c. bewickii [2]. Od roku 1991 system śledzi trasy przelotów bociana białego Ciconia ciconia, które wiodą od środkowej Europy poprzez Bliski Wschód i Kanał Sueski do Afryki w dorzecze Nilu [8]. W roku 1992 wprowadzono nadajniki satelitarne wystarczająco małe i lekkie (48 50 g), aby można je użyć do obserwacji ptaków o masie 1,5 2,5 kg jak np. orlik grubodzioby Aquilla clanga i orlik krzykliwy Aquilla pomarina.

2 Telemetria satelitarna wykorzystuje obecnie najczęściej system Argos umożliwiający lokalizację obiektu oraz zbieranie danych. System ten jest wynikiem międzynarodowej współpracy francuskiego ośrodka badań kosmicznych CNES (fr. Centre National d'etudes Spatiales) oraz dwóch amerykańskich organizacji rządowych: badań oceanograficznych i atmosferycznych NOAA (ang. National Oceanic and Atmospheric Administration) oraz aeronautyki i badań kosmicznych NASA (ang. National Aeronatics and Space Administration). Naziemne systemy lokalizacji Naziemne systemy lokalizacji charakteryzujące się zasięgiem rzędu 0,5 30 km, umożliwiają przeprowadzenie obserwacji na jednym obszarze. Określenie pozycji następuje na podstawie pomiarów wykonanych z kilku punktów na danym obszarze. Pomiary można przeprowadzić jednym urządzeniem odbiorczym, lecz wymaga to ciągłego przemieszczania się, bądź też mierzyć sygnał z nadajnika równocześnie w kilku punktach. Nadajniki mogą być w postaci: obroży, kolczyków, zestawu mocowanego na plecach czy układu przyklejanego do zwierzęcia. Mogą być one uzupełnione o dotatkowe urządzenia jak: czujnik ruchu, czujnik temperatury lub nawet odbiornik GPS (ang. Global Positioning System). Waga urządzeń waha się od 0,8 g do 230 g. Spektakularnym osiągnięciem było skonstruowanie nadajnika do obserwacji lotu pszczoły. Jego waga wynosiła zaledwie 3 mg [7]. Było to możliwe dzięki rezygnacji z zasilania wewnętrznego. Energię do układu dostarczały impulsu zewnętrznego pola elektromagnetycznego, które indukowały napięcie w specjalnie skonstruowanej antenie. Producentami urządzeń do telemetrii lądowej są m.in. takie firmy jak: Televilt, Biotrack, Wildlife Materials czy Mariner Radar. Cena całego systemu lokalizacji (odbiornik, zestaw nadajników i pozostały osprzęt) wynosi ok dolarów amerykańskich. Wszystkie elementy można jednak wykorzystać ponownie przy kolejnych obserwacjach. Satelitarny system Argos System Argos można wykorzystywać do różnych celów. Dotychczas zastosowano go do następujących zadań: śledzenie flot rybołowniczych, monitorowanie przemieszczania materiałów niebezpiecznych, monitorowanie rurociągów w celu zapobieżenia wyciekom i awariom, monitorowanie wycieków ropy naftowej i przewidywanie ich ruchów, monitorowanie innych typów zanieczyszczeń, zbieranie danych oceanograficznych i meteorologicznych (np. o temperaturze, wietrze itp.), śledzenie ssaków, ptaków, gadów morskich i lądowych. Przykładem zastosowania może być zbieranie danych z sieci boi morskich. Po ich przetworzeniu możliwe jest uzyskanie takich informacji jak: temperatura wody, temperatura powietrza, szybkość wiatru, względna wilgotność, głębokość dla izotermy 20 C i wysokość poziomu morza. Satelitarny system Argos składa się z trzech podsystemów: terminala PTT (ang. Platform Transmitter Terminal), części satelitarnej i części naziemnej. Terminale zostały zaprojektowane do różnych zastosowań takich jak śledzenia wędrówek ptaków (miniaturyzacja) czy monitorowanie ruchów lodu w ciężkich warunkach środowiskowych. Nadajniki są konstrukcjami odpornymi na uszkodzenia zarówno te spodziewane jak i niespodziewane. Terminal może być podłączony do czujników znajdujących się na bojach, statkach, balonach i wielu innych obiektach. Najmniejsze terminale ważą mniej niż 3 gramy. Zużycie energii jest niskie, co umożliwia długie działanie nawet ponad 3 lata tylko przy zasilaniu bateryjnym.

3 Terminal przesyła wiadomości do satelity w zaprogramowanych odstępach czasu. Transmisja jest inicjowana przez terminal. Każda wiadomość może zawierać do 256 bitów danych z czujników. Pełna wiadomość przesyłana do satelity trwa 960 ms. Okres powtarzania jest ustawiany zwykle pomiędzy 50 a 200 s. Urządzenia systemu Argos zainstalowane są na satelitach administracji NOAA. Satelity Tiros-N poruszają się na wysokości 850 km. Odbierają one wiadomości od terminali i przekazują je na Ziemię do stacji naziemnej. Jeśli stacja naziemna nie jest osiągalna w danym regionie to zarejestrowane dane są zapamiętywane i przesyłane do jednej z trzech głównych stacji naziemnych (wyspa Wallops, Wirginia, USA, Fairbanks, Alaska, USA, Lannion, Francja), jak tylko satelita znajdzie się w jej zasięgu. Wokół ziemi krążą obecnie trzy satelity, z których dwa działają w dowolnej chwili (Ryc. 1). Przemieszczają się one nad biegunami przy każdym obrocie. Czas potrzebny do jednego pełnego okrążenia wokół Ziemi wynosi ok. 102 minuty. Polska satelity 2 satelity Ryc. 2. Liczba przejść w ciągu doby w funkcji szerokości geograficznej przy 2 lub 3 satelitach. W skład części naziemnej wchodzą: główne stacje naziemne, regionalne stacje odbiorcze, globalne centra oraz regionalne centra (Ryc. 3). Hawaje regionalne Fairbanks globalne Landover, MD, USA wyspa Wallops komunikacyjne Lannion globalne Toulouse, Francja regionalne Japonia Australia regionalne Darwin Melbourne Perth Ryc. 1. Satelity systemu Argos. W dowolnej chwili, każdy satelita mija równocześnie wszystkie nadajniki na obszarze o średnicy 5000 km. Liczba przejść w ciągu doby ponad nadajnikiem zwiększa się wraz z szerokością geograficzną. Wynika to z faktu, że orbity są okołobiegunowe. Przedstawiono to na Ryc. 2. główna stacja naziemna regionalna stacja odbiorcza Casey, Antarktyda Ryc. 3. Struktura części naziemnej systemu Argos. Trzy główne stacje naziemne odbierają wszystkie wiadomości zapamiętane przez satelitę podczas okrążenia. Regionalne stacje odbiorcze odbierają dane z satelitów jak tylko satelita znajdzie się w zasięgu stacji. Globalne centra koordynujące przetwarzają wszystkie dane rejestrowane przez stacje odbiorcze. Z kolei regionalne centra zapewniają dostęp do danych użytkownikom. Zadania realizowane przez centra to: kontrola jakości, porządkowanie chronologiczne wiadomości, obliczanie położenia, przetwarzanie danych z czujników, rozsyłanie danych siecią komputerową lub na innym nośniku i tworzenie archiwów danych.

4 Położenie obiektu wyposażonego w nadajnik wyznacza się w oparciu o zjawisko Dopplera przesunięcia częstotliwości nośnej nadajnika (410,650 MHz). Do pracy w trybie podstawowym, system Argos wymaga zarejestrowania 4 wiadomości od nadajnika podczas jednego przejścia satelity nad obiektem. Stosując jednak specjalizowane algorytmy danych możliwe jest określenie położenia na podstawie tylko dwóch pomiarów przesunięcia dopplerowskiego. Uzyskana na tej drodze dokładność odczytu jest zazwyczaj wystarczająca w badaniach dzikiej przyrody. Począwszy od roku 1994 system Argos klasyfikuje zarejestrowane położenia obiektów według dokładności zrealizowanego pomiaru. Dokładność ta, wyrażona współczynnikiem jakości położenia LQ (ang. Location Quality), może wynosić: LQ3 = 150 m, LQ2 = 350 m, LQ1 = 1 km oraz LQ0, która nie jest zdefiniowana. Pomiar o dokładności LQ0 nie gwarantuje poprawnej lokalizacji obiektu, ale pomaga w oszacowaniu pozostałych położeń dostarczając także informacji o ewentualnych przyczynach powstania błędów w procesie. Producentami nadajników są m.in.: Toyo Communication Equipment, CTA Space Systems, Microwave Telemetry, Metocean czy Seimac Limited. Współczesne nadajniki ważą 30 g i mniej zależnie od wielkości baterii zasilających. Przeprowadzono również próby z wykorzystaniem nadajników zaopatrzonych w ogniwo słoneczne. Dzięki temu nadajnik może pracować przez cały czas, co pozwala uzyskać częstsze pomiary lokalizacji. Tego typu nadajniki zastosowano do badań przelotu orlika grubodziobego Aquilla clanga z Biebrzańskiego Parku Narodowego do Afryki i z powrotem [6]. Satelitarne śledzenie zwierząt nie jest tanie. Koszt jednego terminala i rocznej opłaty rejestracyjnej w systemie Argos wynosi ok dolarów amerykańskich. Rzadko udaje się odzyskać terminal dlatego poniesiony koszty dotyczą badań jednego osobnika. Obserwacje zwierząt W przypadku ptaków obserwacje z wykorzystaniem telemetrii lądowej przeprowadza się najczęściej na obszarach lęgowych lub zimowania. Na ich podstawie można określić np. areały osobnicze, miejsca polowań czy żerowania. Obserwacje rybołowa Pandion haliaetus [4] pozwoliły m.in. wyznaczyć jeziora, które były najważniejszymi jego wodami polowań. Badania te pozwalają wprowadzić najbardziej odpowiednią strategię ochrony gatunków. Telemetria satelitarna i lądowa wykorzystana do badań orlika grubodziobego Aquila clanga [6] pozwoliła na wyznaczenie tras przelotów z obszarów lęgów na tereny zimowania, zaobserwowanie zwyczajów dorosłych osobników w okresie opieki nad pisklętami. Ujawniono także wysoką śmiertelność tego gatunku spowodowaną presją kłusowniczą w krajach, przez które przelatywał. Do obserwacji dorosłego orlika grubodziobego Aquila clanga [1] wykorzystano nadajnik o wadze 48 g, który został przymocowany do grzbietu teflonową taśmą zszytą biodegradującą się nicią bawełnianą. Czas pracy nadajnika zależy od ustawień jego układów zegarowych. W tym przypadku moduł nadawczy pracował przez 8 godzin zaś 96 godzin był nieaktywny. Odległość pokonywaną przez ptaka pomiędzy punktami rejestrowanymi przez system Argos wyznaczano komputerowo w oparciu o zintegrowany system map z prawdziwym rzutem Merkatora. W celu wykreślenia obszarów lęgowych i miejsc postoju posłużono się kolorowymi mapami kartograficznymi. Podczas niemal 8-miesięcznych obserwacji, po którym to czasie napięcie baterii stało się zbyt małe, otrzymano 96 odczytów położenia za pośrednictwem systemu Argos. Ptak był śledzony na dystansie km, pomijając lokalne przemieszczania się na terenach zimowania i postoju. Z otrzymanych danych okazało się, że trasa przelotu wiodła najkrótszą drogą. Średnia

5 długość lotu wyniosła 150 km na dzień, zaś trasa najdłuższego przelotu liczyła 280 km w ciągu dnia. Wiele badań prowadzonych jest w zespołach międzynarodowych, gdyż obserwacje terenowe prowadzone są na obszarach lęgowych i zimowania położonych na różnych kontynentach. Pozwala to również rozłożyć nakłady finansowe związane z kosztami nadajników i opłatami za wykorzystywanie satelitów. Oprócz tras przelotów otrzymane wyniki pozwalają także na określenie strategii lotów ptaków, co nie jest możliwe przy zastosowaniu obrączkowania czy bezpośredniej obserwacji w terenie. Na podstawie uzyskanych informacji możliwe jest także określenie prędkości przelotu. Satelitarne systemy śledzenia pozwalają także na badanie zachowania się ptaków po wypuszczeniu ich na wolność po wyleczeniu. Obserwacje takie przeprowadzono dla krótkoszpona Circaetus gallicus [5]. Z pomocą systemu Argos na świecie przeprowadzono do tej pory obserwacje przemieszczania się kilkudziesięciu gatunków ptaków (łabędzie Cygnus buccinator, C. columbianus, żurawie Grus leucogeranus, Grus americana, orły Aquilla pomarina, A. clanga, A. nipalensis, A. chrysaetos, Haliaeetus leucocephalus, rybołów Pandion haliaetus, albatros wędrowny Diomedea exulans, petrel olbrzymi Macronectes giganteus), zwierząt lądowych (słoń indyjski Elephas maximus, niedźwiedź polarny Ursus maritimus, wielbłąd jednogarbny Camelus dromedarius) i morskich (żółwie caretta Caretta caretta, ż. skórzaste Dermochelys coriacea, rekin Cetarrkinus maximus, płetwal błękitny Balenoptera musculus, foka kapturowa Cystophora cristata). Wnioski Satelitarne śledzenie zwierząt stwarza nowe możliwości badawcze. Pozwala poznać międzykontynentalne trasy przemieszczań się zwierząt. Najczęściej wykorzystuje do tego celu system Argos, który oprócz lokalizacji obiektów umożliwia także transmisję danych np. z czujników zainstalowanych wraz z nadajnikiem. Niskie orbity satelit systemu Argos umożliwiają stosowanie terminali nadawczych o niewielkiej mocy. Pozwala to na zastosowanie zasilania bateryjnego lub z ogniw słonecznych. Dzięki tej cesze, terminale PTT mogą być na tyle małe, aby można je było zainstalować na zwierzętach. Jest to szczególnie istotne przy badaniach przemieszczania się ptaków. Na obszarze Polski możliwe jest otrzymanie 20 odczytów pozycji nadajnika w ciągu dnia. Wadą tego systemu jest stosunkowo mała dokładność pomiarów położenia. Istnieją już jednak konstrukcje, które łączą w sobie odbiornik GPS i terminal systemu Argos. W ten sposób dokładna pozycja obiektu odczytana przez odbiornik GPS jest przesyłana poprzez system Argos do odbiorcy. Bibliografia [1] B.-U. Meyburg, X. Eichaker, Ch. Meyburg i P. Paillat, Migrationa of an adult Spotted Eagle tracked by satellite, British Birds 88, sierpień 1995, str [2] E. Nowak, Satellite Tracking of Migrating Bewick's Swans, Natuwissenschaften 77, 1990, str [3] J. Griesinger, P. Bertold, U. Querner, C. Pedrocchi i E. Nowak, Satellite tracking of a young griffon vulture in the north of Spain, Wildlife Telemetry, Remote Monitoring and Tracking of Animals, Ellis Horwood, str [4] D. Schmidt i R. Leiders, Do Ospreys (Pandion Haliaeetus) need clear water for Fishing? A Telemetry Study., 2nd International Conference on Raptors 1996, Urbino, Włochy, str. 26. [5] B.-U. Meyburg i Ch. Meyburg, Survival and Migration of a Rehabilitated Short-Toed Eagle (Circaetus gallicus) Revealed by Satellite Telemetry, 2nd International Conference on Raptors 1996, Urbino, Włochy, str [6] B.-U.Meyburg, Ch. Meyburg, T. Mizera, G. Maciorowski i J. Matthes, A Study of the

6 Greater Spotted Eagle (Aquila clanga) Using Satellite and Conventional Telemetry, 2nd International Conference on Raptors 1996, Urbino, Włochy, str. 60. [7] National Geographics, maj [8] P. Berhold, E. Nowak i U. Querner, Satelliten-Telemetrie beim Weissstorch (Ciconia ciconia) auf dem Wegzug eine Pilotstudie, J. Orn. 133, 192, str