Сохранение кудрявого и розового пеликанов

О проекте

Цель: организация мониторинга популяции колоний кудрявого и розового пеликанов ИЛИ оптимизация оценки численности.

«Сохранение кудрявого и розового пеликанов» — программа по изучению и защите редких птиц в дикой природе. Чтобы сохранить российскую популяцию пеликанов, особенно ту ее часть, которая обитает вне заповедников, ученым нужно вести мониторинг, оценивать численность птиц и следить за их перемещениями, благополучием гнездовых колоний.

Пеликаны, обитающие в России, кудрявый и розовый находятся в зоне риска, наблюдаемое снижения уровня благополучия их популяций обусловлено климатическими и антропогенными факторами. При этом пеликаны рассматриваются как индикаторные виды. 

Для сохранения пеликанов ученым важно вести постоянный мониторинг.

Одна из задач программы — мониторинг гнездовых колоний, кормовых и сезонных скоплений кудрявых и розовых пеликанов, особенно за пределами заповедников. В Предкавказье птицы в основном обитают на искусственных водоемах — рукотворных озерах, прудах.

Проблема: существующие (ручные) методы оценки численности трудозатратны и не дают точного результата.

До недавнего времени пеликанов считали вручную — на это уходила неделя, а оценка получалась приблизительной. 

Количество птиц определяли «булавочным методом». Для этого брали аэрофотоснимок, например с квадрокоптера, и в буквальном смысле булавкой отмечали на нем каждую попавшую в кадр птицу.

Булавочный метод — сложный и трудозатратный, к тому же он дает только приблизительные данные. В последний раз птиц пересчитывали семь раз, и каждый раз получали новый результат. О временных затратах и говорить страшно: на пересчет 2100–2200 особей уходила неделя.

План

План реализации проекта:

  1. Собрать первичные данные для анализа
  2. Систематизировать данные и разместить их
  3. Разметить данные
  4. Обучить модель в облаке

Методология

Оценка численности популяции пеликанов орнитологами — самая трудоемкая и монотонная  задача, поэтому мы сфокусировались на автоматизации этой части работы орнитологов и использовали компьютерное зрение. Компьютерное зрение (англ. computer vision, CV) — это область искусственного интеллекта, которое использует нейронные сети для решения задач, в том числе задач детекции и классификации. Другими словами обученная модель способна локализовать объект и присвоить ему класс (метку)  - взрослая особь или птенец, в нашем случае.

Внедрение технологий компьютерного зрения позволяет оперативно получать необходимые для оценки ситуации данные посредством обработки исходных материалов по их численности и распределению. 

Сбор данных

В 2020 году был начат регулярный сбор данных по этим колониям и за это время нам удалось собрать и сформировать архив по каждому году наблюдений. 

Рис.1. Пример первичных данных, полученных с квадрокоптера (2021)
Рис 1 Пример первичных данных, полученных с квадрокоптера (2021)
Рис.2. Пример первичных данных, полученных с квадрокоптера (2023)
Рис.2. Пример первичных данных, полученных с квадрокоптера (2023)

Процесс технической реализации мониторинга численности розовых и кудрявых пеликанов состоит из трех [четырех] этапов – [построение пайплайна], обработка изображений и формирование набора данных, на которым будет обучаться модель, обучение модели и разработка сервиса, обертки для модели. Сервис позволяет обращаться к модели и получать предсказания, в нашем случае количество особей и их локализация на снимке (отрисовка баундинг боксов).

Рис.3. Пример размеченного изображения, где розовыми прямоугольниками отмечены взрослые особи, голубыми прямоугольниками – птенцы
Рис.3. Пример размеченного изображения, где розовыми прямоугольниками отмечены взрослые особи, голубыми прямоугольниками – птенцы
Рис.4. Более детальный пример размеченного изображения
Рис.4. Более детальный пример размеченного изображения


Разметка данных

Разметка данных – долгий, трудоемкий процесс, когда специалист вручную размечает на фото взрослых особей пеликанов, а также птенцов, задавая им определенные метки. Разметка производится на сервисе CVAT. Примеры размеченного изображения представлены на рисунках 3 и 4.

Облачные технологии: ML-пайплайн

Этап 1

  • Простейшая организация данных
  • Разметка в общем сервисе
  • Датасеты на платформе для соревнований
  • Обучение на платформе для соревнований
  • Предсказания модели сразу после обучения
  • Потребность в развертывании модели
Схема 1

Этап 2

  • Данные собраны по годам в объектном хранилище VK
  • Разметка в собственном сервисе так же в облаке VK
  • Датасеты формируются ML-пайплайном перед обучением из объектного хранилища и CVAT
  • Обучение на платформе VK
  • Развертывание модели в сервис на виртуальной машине (тоже VK)
  • Взаимодействие с сервисом через Телеграм-бота
Схема 2

Результаты

Было собрано больше данных (конец лета 2023)
Данные систематизированы и размещены в S3 хранилище
Репозиторий (больше обновлений после сбора новых данных)
Модернизирован сервис разметки данных CVAT – теперь разметка синхронизируется с репозиторием на GitHub 
Предыдущая модель YOLOv5 обернута в nuclio serverless модуль для полуавтоматической разметки в CVAT 
Телеграм-бот и инференс-модуль для него 
Пайплайн для обучения на облаке – три этапа: загрузка данных, формирование датасета, обучение модели
Эксперименты с YOLOv7 и доменной адаптацией, переход от скользящего окна к инференсу на полном кадре (разрешение 4К)
Формирование сообщества вокруг пеликаньей проблемы (+3 человека в команде)

Перспективы развития

Мы продолжаем работать над задачами автоматизации мониторинга пеликанов. В планах усовершенствовать модель, перейдя на новую версию YOLOv7 или YOLOv8, а также внедрить техники ускорения модели для обработки видео.  Кроме того, очень важно улучшить качество распознавания, обучив модель не только на текущих снимках, снятых строго сверху, но и на изображениях, где пеликаны сняты с других ракурсов, например под углом. Мы ожидаем, что:
модель будет работать на видео приемлемо быстро;
модель будет давать приемлемо точный и полный результат на новых снимках.

Также мы продолжаем развивать сообщество вокруг проблем состояния биологических видов в России и за ее пределами, в частности пеликанов.

Сервис, который мы создаем в облаке, важен не только для орнитологов, но и преследует глобальную цель. Пеликан при этом исполняет роль индикаторного вида, позволяющего судить об изменениях окружающей среды по их поведению. 
Отслеживая состояние колоний, мы сможем точнее оценивать экологическую ситуацию и прогнозировать изменения климата.

Публикации

  1. Аношин Р.М., Скуратов Н.И. Розовый и кудрявый пеликаны: материалы по разведению в неволе (Московский зоопарк) и биологии в природе (оз. Маныч) // Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 3. Сборник научных трудов – М.: ГАУ «Московский зоопарк»; ЕАРАЗА; СОЗАР: Изд. «ЗооВетКнига, 2019. С. 14-31.
  2. Аношин Р.М. Остапенко В.А. Пеликаны: о расширенной программе Московского зоопарка // Орнитологические исследования в странах Северной Евразии: тезисы XV Междунар. орнитолог. конф. Северной Евразии, - Минск: Беларуская навука, 2020. С. 42-43.
  3. Аношин Р.М., Рожков П.С. Пеликаны Предкавказья: полевые заметки, применительно к выполнению программы ЕАРАЗА: «Сохранение кудрявого и розового пеликанов» //Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 4//Сборник научных трудов – М.: ГАУ «Московский зоопарк»; ЕАРАЗА: Изд. «ЗооВетКнига», 2020 с. 13-31.
  4. Аношин Р.М. Пеликаны Маныча: о факторах, влияющих на их благополучие Актуальные вопросы зоологии, экологии и охраны природы. Выпуск 3 // Материалы третьей Международной научно-практической конференции посвященной Всемирному дню Земли и началу Десятилетия по восстановлению Экосистем. 22 апреля 2021 года. – М.: ООО НПО «Сельскохозяйственные технологии», 2021. С.19-23.
  5. Аношин Р.М., Гугуева Е.В., Белик В.П., Бадмаев В.Э., Осинская В.А., Рожков П.С. Пеликаны Волгоградской и Калмыцкой Сарпы: некоторые данные по распространению и численности в 2021 г. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 5 // Сборник научных трудов – М.: ГАУ «Московский зоопарк», ЕАРАЗА; СОЗАР: Изд. ООО «Типография офсетной печати», 2021. С. 110-119.
  6. Гугуева Е.В., Аношин Р.М., Белик В.П., Бадмаев В.Э., Осинская В.А. Гнездование кудрявого и розового пеликанов на водоемах Сарпинской низменности в Волгоградской области. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 5 // Сборник научных трудов – М.: ГАУ «Московский зоопарк», ЕАРАЗА; СОЗАР: Изд. ООО «Типография офсетной печати», 2021. С. 134-140.
  7. Аношин Р.М. Природоохранная программа ЕАРАЗА «Сохранение кудрявого и розового пеликанов», предпосылки создания, ход выполнения и некоторые итоги //Научные исследования и экологическое просвещение в зоопарках. Мат- лы научно-практ. конф, посвящ. 95-летию Ростовского-на-Дону зоопарка. Ростов-на-дону: Южный издательский дом, 2022. С. 5-9.
  8. Аношин Р.М., Валеев В.В., Рудакова О.Н. О целесообразности и современных методах оценки численности кудрявых и розовых пеликанов. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 6 // Сборник научных трудов – М.: ГАУ «Московский зоопарк», ЕАРАЗА; СОЗАР: Изд. ООО «Типография офсетной печати», 2022. С. 124-133.
  9. Аношин Р.М. О программе ЕАРАЗА «Сохранение кудрявого и розового пеликанов» Актуальные проблемы охраны птиц России. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию СОПР (Москва, 11- 12 февраля 2023 г.) / Отв. ред. В.Н. Мельников. Москва-Махачкала, 2023. С.21-26.
  10. Аношин Р.М. Информация о современном состоянии популяции розового пеликана (Pelecanus onocrotalus) в регионе Маныча. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 7. Сборник научных трудов / С.В. Акулова, В.А. Остапенко – ред. – М.: ГАУ «Московский зоопарк»; ЕАРАЗА; СОЗАР: 2024. С. 103-112.
  11. Аношин Р.М., Гугуева Е.В. Трансформация территорий юга европейской части России и ее влияние на численность и распределение кудрявого и розового пеликанов Иваново.

    Ссылки на некоторые публикации по выполнению программы (сайт ЕАРАЗА) из числа перечисленных выше:

    1. Программа ЕАРЕЗА «Сохранение кудрявого и розового пеликанов»

    2. Аношин Р.М., Скуратов Н.И. Розовый и кудрявый пеликаны: материалы по разведению в неволе (Московский зоопарк) и биологии в природе (оз. Маныч)//Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 3.

    3. Аношин Р.М., Рожков П.С. Пеликаны Предкавказья: полевые заметки, применительно к выполнению программы ЕАРАЗА: «Сохранение кудрявого и розового пеликанов» //Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 4//

    5. Аношин Р.М., Валеев В.В., Рудакова О.Н. О целесообразности и современных методах оценки численности кудрявых и розовых пеликанов. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 6

    6. Аношин Р.М. Пеликаны Маныча: о факторах, влияющих на их благополучие Актуальные вопросы зоологии, экологии и охраны природы. Выпуск 3

    7. Аношин Р.М. Информация о современном состоянии популяции розового пеликана (Pelecanus onocrotalus) в регионе Маныча. Проблемы зоокультуры и экологии. Вып. 7
Навигация по статье