Беспилотники для ладожской нерпы

Беспилотники для ладожской нерпы

Всероссийский НИИ рыбного хозяйства и океанографии и Главрыбвод совместно провели уникальную научную экспедицию по мониторингу ладожской нерпы — вида, занесенного в России в Красную книгу. Во время этой экспедиции впервые были задействованы беспилотные летательные аппараты. Благодаря их использованию ученым удалось собрать большой объем информации, которая в дальнейшем будет использована для детального изучения условий обитания нерпы на Ладожском озере.

Текст: Антон Козлов

Ладожское озеро — самое крупное пресноводное озеро Европы. В России больше Ладоги только Байкал. Северная часть озера более глубокая, с крутыми скалистыми, часто неровными берегами и островами; южная, восточная и западная части — мелководные, с низкими песчаными, иногда болотистыми берегами. Ладожское озеро имеет ледниковое происхождение. Бассейн озера составляет 258 тысяч квадратных километров, к нему относятся около 50 тысяч озер меньшего размера, а также три с половиной тысячи рек и ручьев. Все они несут свои воды в Ладогу, а вытекает из озера единственная река — Нева.

Еще сто лет назад ладожская вода считалась исключительной по своей чистоте. В озере водились 53 вида и подвида рыб. Местное население жило благодаря рыбному промыслу и охоте, не нарушая экологического баланса Ладоги. Однако во второй половине ХХ века человеческая деятельность стала оказывать губительное влияние на экосистему озера. Бурное развитие промышленности и сельского хозяйства в регионе, строительство комбинатов, заводов и электростанций привело к тому, что на водосборе Ладожского озера в конце прошлого века функционировало около шестисот промышленных предприятий. Загрязнение озера нефтепродуктами, химическими и радиационными отходами имело катастрофические последствия. Количество кислорода в воде сократилось, вода зацвела. Изменения коснулись видового многообразия рыбы и ее общей численности. Рыбный токсикоз стал массовым явлением. В наиболее пораженных промышленными выбросами акваториях озера загрязнение воды привело к нарушению процесса естественного воспроизводства рыбы. К экологическим проблемам добавилось браконьерство. В итоге из Ладоги практически исчез атлантический осетр, бывший промысловым видом еще в начале XX века. Редкими стали озерный лосось и форель, крупные ладожские окуни, палии. Волховская ГЭС перекрыла доступ к нерестилищам волховскому сигу, а сама река Волхов стала одним из главных источников загрязнения озера токсичными отходами.

Беспилотники для ладожской нерпы

Нерпа

Ладога изначально была уникальна не только своими рыбными богатствами, но и обитающим в ней пресноводным тюленем — ладожской нерпой. Нерпа появилась на Ладоге в постледниковый период, задолго до прихода сюда человека. На протяжении веков она сосуществовала с людьми, деля с ними озеро и его богатства. Нерпа — животное безобидное, она всегда питалась мелкой рыбой, которой в озере было в изобилии. Средняя продолжительность ее жизни — 30-35 лет. Нерпа освоила всю акваторию Ладожского озера. Летом она предпочитает его северную часть. Летние лежбища нерпы расположены в ладожских шхерах и на островах Валаамского архипелага. Зимой нерпа перебирается на юг озера и там выводит потомство. В феврале-марте самки приносят приплод. В нормальных условиях это происходит в норах, которые нерпа выкапывает в снежных торосах на льду. Основная естественная угроза для ее потомства — волки и лисы, которые нападают на лежбища, находящиеся слишком близко к берегу. Но нанести серьезного урона популяции нерпы лесные хищники не могут. Еще в начале прошлого века численность ладожской нерпы достигала 20 тысяч особей. Однако экономическое развитие региона, особенно в послевоенное время, отрицательно повлияло на поголовье нерпы. Уже в конце 1950-х годов ее численность не превышала 5-10 тысяч. Вопреки попыткам государства с начала 1970-х годов ограничить промысел нерпы, ее популяция продолжала снижаться. В 1980 году охота на нее была полностью запрещена, а в 1984 ладожскую нерпу занесли в Красную книгу. Но несмотря на все предпринятые меры, экологическая ситуация на Ладоге продолжала ухудшаться, браконьерство — процветать, а поголовье нерпы — таять. Сегодня численность ладожской нерпы оценивается в 2-3 тысячи голов, то есть за прошедшие сто лет ее поголовье уменьшилось в десять раз.

Непосредственных причин стремительного снижения количества нерпы на Ладоге несколько. Основными угрозами для нее являются разрушение экосистемы озера в результате его загрязнения (прежде всего, попадание нефтепродуктов и промышленных сульфатов в воду), рост численности населения на побережье озера. Нерпа стала жертвой и быстро развивающегося промышленного рыболовства: ее считали (и до сих пор считают) охотником на ценные породы рыб и за это активно истребляли. Нерпа погибала в ставных капроновых сетях, которые с середины 1950-х годов начали применять в советском рыболовстве. Отрицательно повлияло на условия обитания нерпы и развитие туризма на Ладоге. В начале нулевых ситуация стала настолько критичной, что в 2011 году даже Владимир Путин указал на ладожскую нерпу как на один из видов, нуждающихся в активной государственной защите.

Беспилотники для ладожской нерпы
Вид с беспилотного воздушного судна: берег Ладоги и колония нерп

Экспедиция

В апреле 2020 года Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (ФГБНУ «ВНИРО»), Главрыбвод и Государственный институт озерного и речного рыбного хозяйства имени Л.С. Берга организовали совместную экспедицию. Предстояло оценить нынешнее поголовье ладожской нерпы, ее состояние, эффективность ее размножения, количество приплода и поведение в условиях меняющегося климата, в том числе — аномально теплой зимы этого года.  Ученые также должны были проанализировать роль нерпы в меняющейся экосистеме Ладожского озера, ее взаимоотношение с рыбными промыслами.

Помимо этого, перед исследователями стояли и другие задачи. Во-первых, — получение данных о численности, распределении и размерно-возрастном составе нерпы на береговых и островных лежбищах в акватории озера. Вовторых, — освоение нового метода фото- и видеосъемки с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для получения более детальной информации. Применение практически бесшумных беспилотников, с большим радиусом действия и высокопрофессиональной фото- и видеоаппаратурой позволяет ученым исследовать нерпу в естественных условиях, не доставляя какого-либо беспокойства животным. Во время облетов нерпы просто не замечают БПЛА, кружащих высоко над озером.

В-третьих, ученые продолжили работу над методикой автоматизированной обработки исходных фото- и видео-данных с использованием инструментов цифрового зрения и искусственного интеллекта для получения информации о местонахождении отдельных особей, а также численности, плотности и количественном составе, и размерах лежбищ ладожской нерпы.

Экспедиция состояла из двух этапов. На первом этапе ученые исследовали побережье Ладоги, выявляли лежбища нерпы и изучали ее поведение. Эти работы позволили определить наиболее важные для учета нерпы участки побережья и островов и перейти ко второму этапу экспедиции — исследованию этих территорий с помощью беспилотников. Аэрофотосьемку с использованием БПЛА осуществляли сотрудники Oтдела по воздушному мониторингу водных биологических ресурсов Главрыбвода под руководством Дмитрия Аксакова. Главрыбвод — единственная пока в России государственная организация, занятая сохранением и воспроизводством водных биоресурсов, которая в этих целях использует собственный флот беспилотных летательных аппаратов.

Аэросъемки проводились практически по всему периметру Ладожского озера. В операции были задействованы два дрона Supercam S350 с комплектом фото- и видеооборудования. Именно благодаря их использованию удалось собрать значительный объем научной информации в сжатые сроки, ведь протяженность береговой линии озера — более тысячи километров, а общая площадь — около 18 тысяч квадратных километров. Без использования новейших технологий такая экспедиция могла затянуться на пару месяцев, а благодаря беспилотникам ученые уложились в две недели.

Беспилотники для ладожской нерпы
Беспилотники для ладожской нерпы

Первые выводы

Несмотря на все трудности, запланированный авиаучет был выполнен в полном объеме в установленные сроки. В ходе этих работ впервые была показана возможность авиаучета и наблюдения за ладожской нерпой в отсутствие льда, когда животные находятся на берегу или в воде и видны гораздо хуже, чем на льду. Для решения этой непростой задачи была применена самая современная оптика, а обработка фото- и видеоматериалов велась с использованием самообучающейся системы искусственного интеллекта. Оказалось, что искусственный интеллект в союзе с опытным оператором может не только научиться уверенно различать отдельных животных среди скал, валунов, в воде, но и производить измерения, оценивать размеры животного, выделять детенышей из общей популяции. Тем самым показан большой потенциал дальнейшего применения БПЛА, оснащенных «умными» фото-видеосистемами, для исследования морских млекопитающих не только на Ладоге, но и в других водоемах России.

До сих пор считалось, что размножение ладожской нерпы, как и других видов пресноводных нерп (например, байкальской нерпы), возможно только на льдах в открытой части акватории, вдали от хищников. В условиях необычно теплой зимы 2019–2020 годов ледяной покров на Ладожском озере вообще не сформировался, и у ученых было опасение, что эта ситуация может крайне отрицательно повлиять на размножение животных. Однако береговые исследования, подкрепленные наблюдениями с БПЛА, показали, что нерпы могут приспосабливаться к таким изменениям окружающей среды. Как считают ученые, соответствующий набор адаптаций есть в их генетической памяти. Данные, полученные в ходе исследований в аномальных климатических условиях, позволяют по-новому взглянуть на ладожскую нерпу, точнее оценить возможность ее приспособляемости к меняющемуся климату. Также эти данные позволят глубже понять биологию и образ жизни животных и разработать научные рекомендации по их защите, снижению взаимодействия нерпы с рыбными промыслами на Ладоге. Ученые смогут составить детальные карты лежбищ. Экспедиция подтвердила, что использование беспилотных летательных аппаратов — очень эффективное и перспективное направление научных исследований. Судя по предварительным результатам анализа данных проведенного авиаучета, численность ладожской нерпы существенно не изменилась по сравнению с последним авиаучетом 2012 года. Это дает основания для осторожного оптимизма: возможно, в последние годы положение животных постепенно меняется к лучшему, и можно надеяться, что результаты нынешних научных исследований будут способствовать дальнейшему росту их поголовья.

Уникальные материалы, собранные в зимне-весенний период 2020 года, в настоящее время обрабатываются. В этой работе участвуют специалисты Нижнесвирского заповедника, Олонецкого заказника, Санкт-Петербургского университета. Совместными усилиями ученые смогут раскрыть тайные стороны жизни ладожской нерпы и предложить научно обоснованные меры ее защиты в условиях меняющегося климата.