WYKORZYSTANIE SAMOLOTÓW BEZZAŁOGOWYCH I TERMOWIZYJNEJ FOTOGRAFII PODCZERWONEJ DO MONITORINGU DZIKICH ZWIERZĄT Stanisław Pagacz 1, Julia Witczuk 1, Anna Zmarz 2, Wieńczysław Plutecki 2, Bogusław Borusiewicz 2 1 Muzeum i Instytut Zoologii PAN 2 Taxus SI Monitorowanie liczebności jest jednym z podstawowych zadań ń niezbędnych do prawidłowego zarządzania populacjami dzikich zwierząt. Różnorodne metody wykorzystywane do inwentaryzacji zwierzyny takie jak: tropienia na śniegu, pędzenia próbne, całoroczne obserwacje, liczenia odchodów czy liczenia z samolotu różnią ż ą się pod względem nakładu kosztów oraz dokładności uzyskiwanych wyników. Niestety brak jest metody uniwersalnej dostatecznie precyzyjnej, ekonomicznej oraz przystosowanej do różnych środowisk i odmiennej biologii inwentaryzowanych gatunków. Metody najczęściej ciej stosowane w lasach, takie jak pędzenia i tropienia na śniegu są ą czasochłonne i wymagają zaangażowania licznego personelu. Dodatkowo są to metody niedokładne np. wykazano, że wyniki uzyskane podczas tropień na śniegu bywają nawet trzykrotnie niższe od wyników uzyskanych podczas pędzeń (Jędrzejewska i in. 1994). Mała dokładność poważnie ogranicza przydatność wyników inwentaryzacji i w rezultacie utrudnia prawidłowe gospodarowanie zwierzyną. W ostatnich latach na świecie podjęto próby wykorzystania nowoczesnych technologii do inwentaryzacji dzikich zwierząt. Do monitorowania drapieżników zaczęto stosować metody genetyczne oraz foto-pułapki, natomiast w przypadku kopytnych zdjęcia lotnicze wykonane kamerami termowizyjnymi rejestrującymi emitowane przez zwierzęta promieniowanie cieplne (Nagle i in. 1996, Darke i in. 2005). Promieniowanie to jest częścią niewidzialnego dla człowieka promieniowania podczerwonego. Choć pierwsze próby wykorzystania termowizji do monitoringu zwierzyny podjęto już pod koniec lat 60 ubiegłego wieku. (Crown i in. 1968), to jednak dopiero teraz technika ta stała się stosunkowo łatwo dostępna. Współczesne kamery termowizyjne są wystarczająco czułe, aby umożliwić stosowanie inwentaryzacji lotniczej także na obszarach zalesionych. W przypadku zdjęć wykonywanych podczas zimowych nocy, różnica temperatur pomiędzy ciałem i otoczeniem jest na tyle duża, że wykrycie zwierzęcia jest możliwe nawet przy jego częściowym przesłonięciu koronami drzew (Tappe i in. 2003). W Niemczech, w trakcie badań wykorzystujących kombinacje lotniczych zdjęć termowizyjnych i zdjęć w barwach rzeczywistych, wykrywalność kopytnych w drzewostanach
sosnowych wyniosła 56%, a w lasach bukowych aż 91% (Franke i in. 2011). Co więcej w trakcie inwentaryzacji na zdjęciach zarejestrowano także inne gatunki, m.in. wilki. Z kolei w USA wykrywalność jeleni wapiti w drzewostanach mieszanych wyniosła, w zależności od wielkości grupy, od 76% dla grup poniżej 10 zwierząt, aż do 100% w przypadku grup większych (Dahl 2008). Podobnie wysoką wykrywalność zaobserwowano inwentaryzując amerykańskie łosie (Millette i in. 2011). Pomimo, że zastosowanie termowizji znacznie usprawniło przeprowadzanie inwentaryzacji zwierzyny z powietrza, duże koszty lotów wciąż pozostają barierą uniemożliwiającą powszechne stosowanie tej metody. W tym świetle jedną z najbardziej obiecujących technologii, mogącą zrewolucjonizować zadania związane z monitoringiem zwierząt są bezzałogowe statki latające (BSL), których koszty eksploatacji są znacznie niższe od kosztów użycia samolotów załogowych. Początkowo BSL wykorzystywane były wyłącznie przez wojsko do zadań zwiadowczych i szpiegowskich, jednak w ciągu ostatniej dekady tego typu maszyny zaczęto także wykorzystywać do zadań cywilnych, m.in. do szeroko rozumianego monitoringu środowiska. Pierwsze prace nad wykorzystaniem BSL wyposażonych w kamery cyfrowe rejestrujące obraz w barwach rzeczywistych do badań i monitoringu zwierząt rozpoczęto 10 lat temu na Florydzie (Jones 2003, Jones i in. 2006). W kolejnych latach testowano przydatność BSL do monitoringu bernikli kanadyjskiej, baribala, jeleni wirginijskich, reniferów i wilków (Chabot 2009), bizonów (Watts i in. 2010), a także ssaków morskich (Koski i in. 2009). We wszystkich wypadkach użycie BSL zostało ocenione pozytywnie samoloty były wstanie wykonać zaplanowane trasy przelotów fotografując inwentaryzowany obszar, a na podstawie wykonanych zdjęć możliwe było rozpoznanie i policzenie badanych gatunków. Obniżenie kosztów inwentaryzacji z powietrza za pomocą BSL, podobnie jak wcześniejsze zastosowanie termowizji jest istotnym krokiem ku powstaniu nowoczesnej, stosunkowo niedrogiej i precyzyjnej metody inwentaryzacji zwierzyny. Metoda wykorzystująca obie te technologie pod wieloma względami przewyższać będzie tradycyjne liczenia z samolotu, a także inne (naziemne) metody inwentaryzacji: 1. Umożliwi monitoring w szerokim spektrum środowisk,
2. Niższy pułap lotów pozwoli na uzyskanie zdjęć o większej szczegółowości, a przez to na zwiększenie wykrywalności zwierząt, 3. Koszty lotów BSL są znacznie niższe od lotów maszyn załogowych, 4. Jest to metoda nieinwazyjna nie wymaga łapania ani płoszenia zwierząt (cicha praca silnika), 5. Nie wymaga zaangażowania licznego personelu, 6. Zapewnia dowolność w doborze kształtu jak i powierzchni inwentaryzowanego obszaru oraz jest w pełni zintegrowana z systemem informacji geograficznej (GIS), 7. Umożliwia zastosowanie różnych metod statystycznych do analizy danych (np. distance sampling, mark-resight), 8. Gwarantuje małą zmienność dokładności podczas kolejnych inwentaryzacji, w sytuacji gdy kolejne loty wykonywane są o tej samej porze roku i w podobnych warunkach pogodowych. Możliwe jest, że wraz z rozwojem komercyjnie dostępnych systemów BSL, tego typu inwentaryzacja stanie się jednym z powszechnie używanych narzędzi jednostek odpowiedzialnych za gospodarowanie zwierzyną oraz leśników zainteresowanych monitorowaniem liczebności zwierzyny wyrządzającej szkody w drzewostanach. Obecnie nasz zespół rozpoczął badania zmierzające do opracowania metody inwentaryzacji wykorzystującej lotnicze zdjęcia termowizyjne wykonane za pomocą BSL. Do tego celu dysponujemy samolotem AVI-1 górnopłatem o strukturze kompozytowej z napędem elektrycznym. Projekt płatowca został wykonany i zrealizowany w Polsce przez firmę TAXUS SI z Warszawy. Sterowanie płatowcem odbywa się za pomocą automatycznego układu sterowania, w fazach startu i lądowania wspomagane jest sterowaniem ręcznym. Samolot AVI -1 przeszedł wiele testów wykonując kilkadziesiąt lotów zadaniowych nad różnymi obszarami leśnymi pozyskując dane o charakterze fotogrametrycznym, co zostało pozytywnie ocenione w pracy doktorskiej Anny Zmarz (2011).
Tabela 1. Wybrane parametry płatowca AVI-1 Parametr Rozpiętość Masa w locie (z pełnym wyposażeniem) Maksymalny czas lotu Maksymalny dystans w locie AVI-1 3,5 m 6,2 kg 80 min 90 km Literatura Chabot, D., 2009. Systematic evaluation of a stock unmanned aerial vehicle (UAV) system for smallscale wildlife survey applications. M.Sc. thesis, Department of Natural Resource Science, McGill University, Montreal. Croon, G.W., D.R. McCullough, C.E. Olson Jr., and L.M. Queal, 1968. Infrared scanning techniques for big game censusing. Journal of Wildlife Management, 32: 751-759. Dahl, L.M., 2008. Using forward-looking infrared radiography to estimate elk density and distribution in Eastern Kentucky. M.Sc. thesis, College of Agriculture, University of Kentucky, Lexington. Drake, D., C. Aquila, and G. Huntington, 2005. Counting a suburban deer population using forwardlooking infrared radar and road counts. Wildlife Society Bulletin 33(2): 656 661. Franke, U., B. Goll, U. Hohmann, and M. Heurich, 2011. Aerial wildlife monitoring with a combination of infrared and high resolution RGB images. P. 97 w: Abstracts of the XXX IUGB Congress (International Union of Game Biologist) and Perdix XIII, Universitat de Barcelona. Jędrzejewska, B., H. Okarma, W. Jędrzejewski, and L. Miłkowski, 1994. Effects of exploitation and protection on forest structure, ungulate density and wolf predation in Białowieża Primeval Forest, Poland. Journal of Applied Ecology 31: 664-676. Jones, G.P., 2003. The feasibility of using small unmanned aerial vehicles for wildlife research. M.Sc. thesis, Department of Wildlife Ecology and Conservation, University of Florida, Gainesville.
Jones, G.P. IV, L.G. Pearlstine, and H.F. Percival, 2006. An assessment of small unmanned aerial vehicles for wildlife research. Wildlife Society Bulletin 34: 750-758. Koski, W.R., T. Allen, D. Ireland, G. Buck, P.R. Smith, A.M. Macrander, M.A. Halick, C. Rushing, D.J. Sliwa, and T.L. McDonald, 2009. Evaluation of an unmanned airborne system for monitoring marine mammals. Aquatic Mammals 35: 347-357. Naugle, D.E., J.A. Jenks, and B.J. Kernohan, 1996. Use of thermal infrared sensing to estimate density of white-tailed deer. Wildlife Society Bulletin 24: 37-43. Tappe, P.A., R.E. Kissell, Jr., E.E. Mccammon, 2003. Ground-based and aerial thermal infrared imaging for estimating white-tailed deer population densities final report. Arkansas Forest Resources Center, School Of Forest Resources, University Of Arkansas, Monticello. Watts, A.C., J.H. Perry, S.E. Smith, M.A. Burgess, B.E. Wilkinson, Z. Szantoi, P.G. Ifju, H.F. Percival, 2010. Small unmanned aircraft systems for low-altitude aerial surveys. Journal of Wildlife Management 74: 1614-1619. Zmarz, A., 2011. Zastosowanie bezzałogowych statków latających do pozyskania danych obrazowych o lesie. Praca doktorska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Warszawa.