Наука с высоты птичьего полета: что мы можем узнать о планете с помощью воздушной техники

image40

Планета Земля существует уже более 4,5 миллиардов лет, и на протяжении последних 200 тысяч лет ее населяют люди. Тем не менее, за все это время мы узнали удивительно мало о ландшафтах нашей планеты и населяющих ее животных. Это особенно верно в отношении удаленных регионов, таких как непроходимые джунгли Амазонки, обширные океанские коралловые рифы и открытые всем ветрам пустыни Монголии.

Для ученых, которые хотят изучать такие экосистемы, – и для специалистов по охране природы, пытающихся сохранить их, — выявление подобных регионов и их картографирование – это первые крайне необходимые шаги, ведь нельзя анализировать или охранять то, чего ты не видишь. Все чаще и чаще ученые используют дроны и другую воздушную технику для получения новых данных.

В своей лекции «Экология с воздуха» Грег Азнер рассказывает об удивительных наблюдениях за поведением животных и меняющейся окружающей средой, которые он получает с воздуха. Ученый в Научно-исследовательском институте им. Карнеги (Вашингтон, США), Азнер разработал Бортовую Таксономическую Систему Картографирования (AToMS) – набор датчиков, которые крепятся к нижней части фюзеляжа двухмоторного самолета Dornier 228. AToMS может сканировать 150 тысяч гектаров поверхности земли в день.

AToMS состоит из инфракрасного лидара — лазера, который измеряет расстояние, посылая на поверхность земли луч света и улавливая его отражение до 500 тысяч раз в секунду; спектрометра, формирующего изображение, который может оценить химический состав листьев, и увеличительной линзы для определения формы и расположения отдельных листьев. Компьютеры создают из полученных данных яркие, разноцветные 3D-карты.

Азнер и его коллеги сегодня занимаются картографированием биоразнообразия и биомассы западной части бассейна Амазонки. Они также наблюдают за «харизматичными» видами животных, такими как львы, слоны и носороги в национальном парке Крюгера в Южной Африке, помогая контролировать численность животных. В то же время, они предоставляют развивающимся странам данные, которые помогают сократить вырубку леса или препятствуют торговле квотами на выброс углерода в рамках Киотского протокола. Азнер говорит, что цель заключается не только в том, чтобы увидеть, что происходит в этих регионах сегодня, но и создать базу, некую исходную точку. Скажем, карта бассейна Амазонки – это пример того, как изменение климата меняет тропические леса с течением времени. Подобные данные также позволяют обнаруживать деятельность, угрожающую экосистеме, — так, в ходе изучения Амазонки, программа, удаляющая деревья с 3D-карты для демонстрации почвы, раскрыла нелегальные золотые прииски.

mapping-amazon-gold-mining-and-deforestation

«Все, что мы делаем, создано для того, чтобы улучшить охрану природы, менеджмент и управление ресурсами, — говорит Азнер,  – техника – это не цель, а средство решения проблем».

Он не держит свои разработки в тайне. Азнер мечтает о том, чтобы распространить придуманную им технологию и программное обеспечение среди ученых всего мира. К настоящему времени 300 групп, включая отдельных ученых, неправительственные организации и правительства работают с его системой, в той или иной форме. К концу года его команда также планирует выпустить обучающий курс с использованием CLASlite – программы для мониторинга лесов, которая извлекает информацию из спутниковых снимков.

В еще одном видео, «Охрана природы глазами дрона«, Лян Пин Ко, один из создателей www.ConservationDrones.org, рассказал о похожем, но не столь высокоточном подходе к наблюдению за дикой природой и мониторингу лесов. В своей деятельности по охране природы, он использует беспилотные воздушные судна. Эти дроны – преимущественно, самоуправляемые модели самолетов – несут на себе полезный груз, включая камеры, видеоаппаратуру и термосенсоры.

В 2012-м году Ко и его напарник Серж Уич запустили первую пилотную программу на Суматре, Индонезия. Там они изучали находящихся на грани исчезновения орангутангов. В прошлом ученые должны были отправляться в трудный путь в джунгли, чтобы сосчитать обезьян, — это было дорого, опасно и занимало много времени. Такие учеты сложно провести как положено, поскольку орангутанги устраивают жилища высоко в лесном пологе, и их непросто обнаружить.

Команда Ко запустила недорогие и легковесные дроны, чтобы сделать снимки обезьяньих жилищ с воздуха, и сегодня Ко вместе с программистами пытаются автоматически сосчитать орангутангов, попавших в кадр на тысячах снимков. Он надеется, что это обеспечит более точный подсчет, который поможет группам экологов лучше понимать, с чем они имеют дело.

«Последний учет орангутангов, проводившийся на острове Суматра с использованием традиционных методов, занял четыре года и обошелся примерно в 250 тысяч долларов, — сообщил Ко в своем письме во время возвращения на Суматру для продолжения проекта, – мы считаем, что природоохранные дроны могут стать более низкозатратным способом для изучения орангутангов».

Как и Азнер, Ко придерживается свободного доступа к своим разработкам — он уже сотрудничал с более чем дюжиной природоохранных организаций, включая WWF в Непале. В своей лекции Ко рассказывает о том, как обучает непальских специалистов по охране природы заниматься мониторингом дикой природы в различных частях Гималайских предгорий — месте обитания однорогих носорогов, азиатских слонов и бенгальских тигров. Эти животные высоко ценятся на черном рынке. Дроны Ко помогают рейнджерам «прочесать» тысячи гектаров национального парка и обнаружить и «выманить» браконьеров, а также следить за процессом воспроизводства лесов и вырубкой леса, которая происходит из-за расширения плантаций пальмового масла или нелегальных лесозаготовок.

Конечно, Азнер и Ко – не единственные ученые, изучающие самые удаленные уголки планеты с воздуха. Сэм Пёркис, морской биолог из Юго-Восточного океанографического института Новы, Флорида, составляет карты коралловых рифов, чтобы следить за их состоянием, используя спутниковые данные, а также летательный аппарат, оборудованный лазером видимого диапазона и специальными камерами. Эти приспособления способны «просвечивать» воду для составления карт морского дна и определения его биотопов. Пёркинс выявляет нездоровые коралловые рифы, чтобы помочь правительству в их сохранении.

Трей Менард, руководитель отдела по охране лесов гавайского Управления охраны природы, и его коллеги из Отдела картографирования ресурсов составляют карту инвазивных видов растений, которые могут «заглушить» обитателей бассейна реки в горах на отдаленном острове Кауаи. Команда использует дроны и вертолеты, оснащенные гиростабилизированными камерами. Запатентованное программное обеспечение, изначально предназначенное для обнаружения самодельных взрывных устройств, сегодня помогает «сшить» изображения, чтобы обнаружить расположение и форму растений-колонистов, вроде австралийской циатеи древовидной. Затем команда пролетает над территорией на вертолете, чтобы найти и уничтожить такие виды растений с помощью «прицельных» пестицидов.

Похожую технику использует Дэна Слэймейкер из Отдела картографирования ресурсов в Массачусетсе. Он провел 20 лет, работая со специалистами по охране природы, наблюдая за флорой и фауной по всему миру. Его последняя работа связана с составлением карт популяций диких ослов, верблюдов и антилоп в пустыне Гоби в Монголии. Этих животных команда Дэна может определить по характерным теням, которые они отбрасывают на песке. Цель проекта – составить карты мест обитания животных, чтобы строительство планируемых медных рудников и подъездных дорог имело минимальное влияние на окружающую среду.

Кристофер Заппа и его коллеги из Земной Обсерватории Ламон-Доэрти при Колумбийском Университете разработали IcePod, который измеряет толщину ледяного покрова и позволяет увидеть его изменения во времени. IcePod состоит из инфракрасной системы формирования изображений для измерения температуры поверхности, фотографических аэронавигационных карт, лидара для наблюдения за топографией льда и радара для измерения толщины льда. Эти приспособления крепятся к внешней части оснащенного лыжами военно-транспортного самолета Lockheed LC-130, который летает на научные базы в таких местах, как Гренландия. Заппа уменьшил IcePod до таких размеров, чтобы его можно было прикрепить к небольшому дрону, который может взлетать с земли или с палубы корабля и составлять карты ледовых образований, до которых иначе было бы невозможно добраться.

Как видно из работ Лян Пин Ко, дорогостоящее, высокотехнологичное оборудование – не единственный способ получить хорошие изображения с воздуха. Нед Хорнинг из Центра биоразнообразия и охраны природы при Американском музее естественной истории экспериментировал с наполненными гелием аэрозондами и любительскими воздушными змеями, оснащенными обычными цифровыми камерами, чтобы составить карту водно-болотных угодий недалеко от канадской границы, а также для наблюдения за морскими черепахами у атолла Пальмира в южной части Тихого океана.

И это только начало. Дроны, например, только начинают серьезно использоваться как научный метод – до сих пор они считались исключительно военным оборудованием или высокотехнологичными игрушками. «Люди лишь сейчас начинают использовать их для настоящей науки, — говорит Заппа, вплоть до настоящего момента они были скорее предметами из серии «Вау, какая штука!».

Автор перевода: Екатерина Луконина
Источник: http://ideas.ted.com