tinroИзвестия ТИНРОIzvestiya TINRO1606-99192658-5510ТИНРО10.26428/1606-9919-2022-202-429-449tinro-735Research ArticleМЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙMETHODS OF INVESTIGATIONSБеспилотный фотограмметрический учет тихоокеанских лососей посредством БПЛА потребительского классаPhotogrammetric counts of pacific salmon by means of unmanned aerial vehicles of consumer gradehttps://orcid.org/0000-0002-6060-1532СвиридовВ. В.SviridovV. V.

 кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

 680038, г. Хабаровск, Амурский бульвар, 13а 

 Ph.D., leading researcher 

 13a, Amursky Boulevard, Khabarovsk, 680038, Russia 

vladimir.sviridov.1974@yandex.ruКоцюкД. В.KotsyukD. V.

 кандидат биологических наук, руководитель филиала

 680038, г. Хабаровск, Амурский бульвар, 13а 

 Ph.D., director 

 13a, Amursky Boulevard, Khabarovsk, 680038, Russia 

dk-fish@mail.ruПодорожнюкЕ. В.PodorozhnyukE. V.

 заведующая лабораторией

 680038, г. Хабаровск, Амурский бульвар, 13а 

 head of laboratory 

 13a, Amursky Boulevard, Khabarovsk, 680038, Russia 

Podoroznhyuk-tinro@yandex.ruХабаровский филиал ВНИРО (ХабаровскНИРО)РоссияKhabarovsk branch of VNIRO (KhabarovskNIRO)Russian Federation2022300620222022429449Copyright © Свиридов В.В., Коцюк Д.В., Подорожнюк Е.В., 20222022Свиридов В.В., Коцюк Д.В., Подорожнюк Е.В.Sviridov V.V., Kotsyuk D.V., Podorozhnyuk E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya.tinro-center.ru/jour/article/view/735

Разработана методика беспилотного фотограмметрического учета тихоокеанских лососей посредством беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) потребительского класса. Она основана на оценке численности производителей и нерестовых бугров посредством фотограмметрической обработки аэрофотоснимков, отснятых БПЛА на контрольных участках, и анализе в геоинформационных системах (ГИС) фотограмметрических продуктов — ортофотопланов и цифровых моделей рельефа (ЦМР). Оценки относительной численности на контрольных участках предлагается экстраполировать на пригодную для нереста площадь водотоков соответствующего бассейна для расчета общей численности. Впервые установлено, что ЦМР дна водотоков дают возможность визуализировать и подсчитывать бугры. Приведено подробное описание элементов методики: планирования работ, выполнения съемки, обработки материалов, оценки численности, анализа, визуализации и веб-публикации. Приведены рекомендации по выбору БПЛА и вспомогательного оборудования, а также полетного, фотограмметрического и геоинформационного программного обеспечения (ПО). Предлагаемый подход будет способствовать объективизации учета лососей, постепенному переходу с субъективных аэровизуальных методов оценки численности на доказательную и проверяемую цифровую основу.

Methodology for photogrammetric counting of pacific salmon by means of unmanned aerial vehicles (UAVs) of consumer grade is developed. The spawners and spawning redds are counted using photogrammetric processing of aerial images taken by UAVs at monitoring sites. The photogrammetric products (orthomosaics and digital elevation models — DEMs) are analyzed in geographic information systems (GIS). The estimations of relative abundance for the monitoring sites are extrapolated to entire area of potential spawning grounds. There is shown for the first time that DEMs of water channels allow to visualize and count the redds. Detailed description of methodology is presented, including the survey planning and implementation, data processing, fish abundance estimation, data analysis and visualization, and web-publication. Recommendations for choosing UAV, its accessories and software for flight, photogrammetry and GIS are provided. This approach will facilitate objectivity of salmon counts and provide gradual transition from subjective aerovisual methods towards proven and verified digital basis of fish abundance assessment.

тихоокеанские лососинерестилищанерестовые бугрыБПЛАфотограмметрияортофотопланГИСpacific salmonspawning groundssalmon reddUAVphotogrammetryorthomosaicGISReferencesДуленин А.А., Дуленина П.А., Коцюк Д.В., Свиридов В.В. Опыт и перспективы использования малых беспилотных летательных аппаратов в морских прибрежных биологических исследованиях // Тр. ВНИРО. — 2021. — Т. 185. — С. 134–151. DOI: 10.36038/2307-3497-2021-185-134-151.Dulenin, A.A., Dulenina, P.A., Kotsyuk, D.V., and Sviridov, V.V., Experience and perspectives of small unmanned aerial vehicles application for marine coastal biological studies, Tr. Vses. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2021, vol. 185, pp. 134–151. doi 10.36038/2307-3497-2021-185-134-151Евзеров А.В. Нерестовый фонд охотоморской и анадырской кеты // Биологические основы развития лососевого хозяйства в водоемах СССР. — М. : Наука, 1983. — С. 103–113.Evzerov, A.V., Spawning fund of the Okhotsk and Anadyr chum salmon, in Biologicheskiye osnovy razvitiya lososevogo khozyaystva v vodoyemakh SSSR (Biological foundations of the development of salmon farming in the reservoirs of the USSR), Moscow: Nauka, 1983, pp. 103–113.Запорожец О.М., Запорожец Г.В. Использование фото- и видеофиксации для оценки количества производителей тихоокеанских лососей на нерестилищах и путях их миграций: некоторые методические подходы // Исслед. водн. биол. ресурсов Камчатки и сев.-зап. Части Тихого океана. — 2017. — Вып. 47. — С. 77–90. DOI: 10.15853/2072-8212.2017.47.77-90.Zaporozhets, O.M. and Zaporozhets, G.V., Using the photo- and video records for assessment of pacific salmon escapement on migration routes and spawning grounds: some of methodical approaches, Issled. Vodn. Biol. Resur. Kamchatki Sev.-Zapadn. Chasti Tikhogo Okeana, 2017, vol. 47, pp. 77–90. doi 10.15853/2072-8212.2017.47.77-90Запорожец О.М., Запорожец Г.В., Фельдман М.Г. Оценка численности производителей нерки и их распределение по нерестовым стациям в бассейне Начикинского озера (Камчатка) в 2019 г. // Изв. ТИНРО. — 2020. — Т. 200, вып. 3. — С. 618–634. DOI: 10.26428/1606-9919-2020-200-618-634.Zaporozhets, O.M., Zaporozhets, G.V., and Feldman, M.G., Estimation of the number of sockeye salmon adults and their distribution by spawning stations in the basin of Lake Nachikinskoye (Kamchatka) in 2019, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2020, vol. 200, no. 3, pp. 618–634. doi 10.26428/1606-9919-2020-200-618-634Золотухин С.Ф. Обоснование выбора рек для мониторинга запасов кеты и горбуши р. Амур // Изв. ТИНРО. — 2019. — Т. 199. — С. 19–34. DOI: 10.26428/1606-9919-2019-199-19-34.Zolotukhin, S.F., Basis for selection of rivers for monitoring on the stocks of chum and pink salmon in the Amur River, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2019, vol. 199, pp. 19–34. doi 10.26428/1606-9919-2019-199-19-34Крогиус Ф.В. Опыт применения самолета для обследования состояния и оценки заполнения нерестилищ камчатских лососей // Рыб. хоз-во. — 1955. — № 11. — С. 32–34.Krogius, F.V., Application experience for investigating the state and assessing the filling of spawning grounds of Kamchatka salmon, Rybn. Khoz., 1955, no. 11, pp. 32–34.Методические рекомендации по проведению учета приплода байкальской нерпы (Pusa sibirica) с беспилотных летательных аппаратов в Байкальском рыбохозяйственном бассейне / сост. В.А. Бизиков, В.А. Петерфельд, В.И. Черноок и др. — М. : ВНИРО, 2021. — 56 с.Bizikov, V.A., Peterfeld, V.A., Chernook, V.I., Kuznetsov, N.V., Petrov, E.A., Bobkov, A.I., Tkachev, V.V., Sidorov, L.K., and Boltnev, E.A., Metodicheskiye rekomendatsii po provedeniyu ucheta priploda baykal’skoy nerpy (Pusa sibirica) s bespilotnykh letatel’nykh apparatov v Baykal’skom rybokhozyaystvennom basseyne (Methodological recommendations for the accounting of the offspring of the Baikal seal (Pusa sibirica) from unmanned aerial vehicles in the Baikal fishery basin), Moscow: VNIRO, 2021.Остроумов А.Г. Результаты аэровизуального учета и аэрофотосъемки красной и ее нерестилищ в бассейне озера Курильского // Изв. ТИНРО. — 1970. — Т. 78. — С. 17–32.Ostroumov, A.G., The results of aerial visual accounting and aerial photography of red and its spawning grounds in the basin of Lake Kurilskoye, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 1970, vol. 78, pp. 17–32.Свиридов В.В., Золотухин С.Ф. Методы ГИС для инвентаризации нерестилищ тихоокеанских лососей р. Амур // Изв. ТИНРО. — 2020. — Т. 200, вып. 3. — С. 730–746. DOI: 10.26428/1606-9919-2020-200-730-746.Sviridov, V.V. and Zolotukhin, S.F., Gis methods for inventory of pacific salmons spawning grounds in the Amur River, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2020, vol. 200, no. 3, pp. 730–746. doi 10.26428/1606-9919-2020-200-730-746Фадеев Е.С., Шевляков Е.А., Фельдман М.Г. Комплексный мониторинг пропуска производителей тихоокеанских лососей р. Камчатка в режиме реального времени // Изв. ТИНРО. — 2019. — Т. 197. — С. 3–20. DOI: 10.26428/1606-9919-2019-197-3-20.Fadeev, E.S., Shevlyakov, E.A., and Feldman, M.G., Complex monitoring of salmon spawners escapement to the Kamchatka River in real time regime, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2019, vol. 197, no. 2, pp. 3–20. doi 10.26428/1606-9919-2019-197-3-20Шевляков Е.А., Фельдман М.Г., Островский В.И. и др. Ориентиры и оперативная оценка пропуска производителей на нерестилища как инструменты перспективного и краткосрочного управления запасами тихоокеанских лососей в реках Дальневосточного рыбохозяйственного бассейна // Изв. ТИНРО. — 2019. — Т. 196. — С. 23–62. DOI: 10.26428/1606-9919-2019-196-23-62.Shevlyakov, E.A., Feldman, M.G., Ostrovsky, V.I., Volobuev, V.V., Kaev, A.M., Golub, E.V., Barabanshchikov, E.I., and Golovanov, I.S., Limits and operational evaluation of the spawners escapement to the spawning grounds as tools for prospective and short-term management of the pacific salmon stocks in the rivers of the Far-Eastern fisheries Basin, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2019, vol. 196, pp. 23–62. doi 10.26428/1606-9919-2019-196-23-62Шевляков Е.А., Шубкин С.В. Современный опыт обследования нерестилищ тихоокеанских лососей в водоемах Чукотки // Изв. ТИНРО. — 2020. — Т. 200, вып. 2. — С. 270–291. DOI: 10.26428/1606-9919-2020-200-270-291.Shevlyakov, E.A. and Shubkin, S.V., Recent experience of surveying the spawning grounds of pacific salmons in the water bodies of Chukotka, Izv. Tikhookean. Nauchno-Issled. Inst. Rybn. Khoz. Okeanogr., 2020, vol. 200, no. 2, pp. 270–291. doi 10.26428/1606-9919-2020-200-270-291Barnas A.F., Chabot D., Hodgson A.J. et al. A standardized protocol for reporting methods when using drones for wildlife research // J. Unmanned Veh. Syst. — 2020. — Vol. 8, № 2. — P. 89–98. DOI: 10.1139/juvs-2019-0011.Barnas, A.F., Chabot, D., Hodgson, A.J., Johnston, D.W., Bird, D.M., and Ellis-Felege, S.N., A standardized protocol for reporting methods when using drones for wildlife research, J. Unmanned Veh. Syst., 2020, vol. 8, no. 2, pp. 89–98. doi 10.1139/juvs-2019-0011Dickens J., Hollyman P.R., Hart T. et al. Developing UAV Monitoring of South Georgia and the South Sandwich Islands’ Iconic Land-Based Marine Predators // Front. Mar. Sci. — 2021. — Vol. 8. — P. 1–16. DOI: 10.3389/fmars.2021.654215.Dickens, J., Hollyman, P.R., Hart, T., Clucas, G.V., Murphy, E.J., Poncet, S., Trathan, P.N., and Collins, M.A., Developing UAV Monitoring of South Georgia and the South Sandwich Islands’ Iconic Land-Based Marine Predators, Front. Mar. Sci., 2021, vol. 8, pp. 1–16. doi 10.3389/fmars.2021.654215Duffy J.P., Anderson K., Shapiro A.C. et al. Drone technologies for conservation. — Gland : WWF conservation technology series, 2020. — 123 p.Duffy, J.P., Anderson, K., Shapiro, A.C., Avino, F.S., DeBell, L., and Glover-Kapfer, P., Drone technologies for conservation, Gland: WWF conservation technology series, 2020.Duffy J.P., Cunliffe A.M., DeBell L. et al. Location, location, location: considerations when using lightweight drones in challenging environments // Remote Sensing in Ecology and Conservation. — 2018. — Vol. 4, № 1. — P. 7–19. DOI: 10.1002/rse2.58.Duffy, J.P., Cunliffe, A.M., DeBell, L., Sandbrook, C., Wich, S.A., Shutler, J.D., MyersSmith, I.H., Varela, M.R., and Anderson, K., Location, location, location: considerations when using lightweight drones in challenging environments, Remote Sensing in Ecology and Conservation, 2018, vol. 4, no. 1, pp. 7–19. doi 10.1002/rse2.58Dunham J., Rieman B., Davis K. Sources and Magnitude of Sampling Error in Redd Counts for Bull Trout // N. Am. J. Fish. Manag. — 2001. — Vol. 21, Iss. 2. — P. 343–352. DOI: 10.1577/1548-8675(2001)021<0343:SAMOSE>2.0.CO;2.Dunham, J., Rieman, B., and Davis, K., Sources and Magnitude of Sampling Error in Redd Counts for Bull Trout, N. Am. J. Fish. Manag., 2001, vol. 21, no. 2, pp. 343–352. Doi 10.1577/1548-8675(2001)021<0343:SAMOSE>2.0.CO;2Groves P.A., Alcorn B., Wiest M.M. et al. Testing unmanned aircraft systems for salmon spawning surveys // Facets. — 2016. — Vol. 1. — P. 187–204. DOI: 10.1139/facets-2016-0019.Groves, P.A., Alcorn, B., Wiest, M.M., Maselkobc, J.M., and Connor, W.P., Testing unmanned aircraft systems for salmon spawning surveys, Facets, 2016, vol. 1, pp. 187–204. doi 10.1139/facets-2016-0019Harris J.M., Nelson J.A., Rieucau G., Broussard W.P. Use of unmanned aircraft systems in fishery science // Trans. Am. Fish. Soc. — 2019. — Vol. 148, Iss. 4. — P. 687–697. DOI: 10.1002/tafs.10168.Harris, J.M., Nelson, J.A., Rieucau, G., and Broussard, W.P., Use of unmanned aircraft systems in fishery science, Trans. Am. Fish. Soc., 2019, vol. 148, no. 4, pp. 687–697. doi 10.1002/tafs.10168Harrison L.R., Legleiter C.J., Overstreet B.T. et al. Assessing the potential for spectrally based remote sensing of salmon spawning locations // River Res. Applic. — 2020. — Vol. 36, Iss. 8. — P. 1618–1632. DOI: 10.1002/rra.3690.Harrison, L.R., Legleiter, C.J., Overstreet, B.T., Bell, T.W., and Hannon, J., Assessing the potential for spectrally based remote sensing of salmon spawning locations, River Res. Applic., 2020, vol. 36, no. 8, pp. 1618–1632. doi 10.1002/rra.3690Hill R.A. Optimizing aerial count frequency for the area-under-the-curve method of estimating escapement // N. Am. J. Fish. Manage. — 1997. — Vol. 17. — P. 461–466.Hill, R.A., Optimizing aerial count frequency for the area-under-the-curve method of estimating escapement, N. Am. J. Fish. Manage., 1997, vol. 17, pp. 461–466.Isaak D.J., Thurow R.F. Network-scale spatial and temporal variation in chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) redd distributions: patterns inferred from spatially continuous replicate surveys // Can. J. Fish. Aquat. Sci. — 2006. — Vol. 63, № 2. — P. 285–296. DOI: 10.1139/f05-214.Isaak, D.J. and Thurow, R.F., Network-scale spatial and temporal variation in chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) redd distributions: patterns inferred from spatially continuous replicate surveys, Can. J. Fish. Aquat. Sci., 2006, vol. 63, no. 2, pp. 285–296. doi 10.1139/f05-214Johnson D.H., Shrier B.M., O’Neal J.S. et al. Salmonid Field Protocols Handbook. Techniques for Assessing Status and Trends in Salmon and Trout Populations. — Bethesda : American Fisheries Society, 2007. — 478 p.Johnson, D.H., Shrier, B.M., O’Neal, J.S., Knutzen, J.A., Augerot, X., O’Neal, T.A., and Pearsons, T.N., Salmonid Field Protocols Handbook. Techniques for Assessing Status and Trends in Salmon and Trout Populations, Bethesda: American Fisheries Society, 2007.Joyce K.E., Duce S., Leahy S.M. et al. Principles and practice of acquiring drone-based image data in marine environments // Mar. Freshw. Res. — 2018. — Vol. 70, № 7. — P. 952–963. DOI: 10.1071/MF17380.Joyce, K.E., Duce, S., Leahy, S.M., Leon, J., and Maier, S.W., Principles and practice of acquiring drone-based image data in marine environments, Mar. Freshw. Res., 2018., vol. 70, no. 7, pp. 952–963. doi 10.1071/MF17380Kudo H., Koshino Y., Eto A. et al. Cost-effective accurate estimates of adult chum salmon, Oncorhynchus keta, abundance in a Japanese river using a radio-controlled helicopter // Fish. Res. — 2012. — Vol. 119–120. — P. 94–98. DOI: 10.1016/j.fishres.2011.12.010.Kudo, H., Koshino, Y., Eto, A., Ichimura, M., and Kaeriyama, M., Cost-effective accurate estimates of adult chum salmon, Oncorhynchus keta, abundance in a Japanese river using a radiocontrolled helicopter, Fish. Res., 2012, vol. 119–120, pp. 94–98. doi 10.1016/j.fishres.2011.12.010McKenna B., Parkyn D., Lecours V. et al. Drones: a new technique for monitoring salmon spawning escapements // Newsletter of the Alaska Chapter, American Fisheries Society. — 2019. — Vol. 39, № 4. — P. 1–6.McKenna, B., Parkyn, D., Lecours, V., Stark, C., and Lepping, B., Drones: a new technique for monitoring salmon spawning escapements, Newsletter of the Alaska Chapter, American Fisheries Society, 2019, vol. 39, no. 4, pp. 1–6.Ponsioen L., Kapralova K., Holm F. et al. Monitoring fish spawning sites in freshwater ecosystems using low-cost UAV data: A case study of salmonids in lakes in Iceland // bioRxiv. — 2021. — P. 1–22. DOI: 10.1101/2021.06.12.448199.Ponsioen, L., Kapralova, K., Holm, F., Martinez, S.G., and Henning, B.D., Monitoring fish spawning sites in freshwater ecosystems using low-cost UAV data: A case study of salmonids in lakes in Iceland, bioRxiv, 2021, pp. 1–22. doi 10.1101/2021.06.12.448199Raoult V., Colefax A.P., Allan B.M. et al. Operational Protocols for the Use of Drones in Marine Animal Research // Drones. — 2020. — Vol. 4, Iss. 4. — P. 1–35. DOI: 10.3390/drones4040064.Raoult, V., Colefax, A.P., Allan, B.M., Cagnazzi, D., Castelblanco-Martínez, N., Ierodiaconou, D., Johnston, D.W., Landeo-Yauri, S., Lyons, M., Pirotta, V., Schofield, G., and Butcher, P.A., Operational Protocols for the Use of Drones in Marine Animal Research, Drones, 2020, vol. 4, no. 4, pp. 1–35. doi 10.3390/drones4040064Roncoroni M., Lane S.N. A framework for using small Unmanned Aircraft Systems (sUASs)Roncoroni, M. and Lane, S.N., A framework for using small Unmanned Aircraft Systems (sUASs) and SfM photogrammetry to detect salmonid redds, Ecological Informatics, 2019, vol. 53, 100976. doi 10.1016/j.ecoinf.2019.100976and SfM photogrammetry to detect salmonid redds // Ecological Informatics. — 2019. — Vol. 53. 100976. DOI: 10.1016/j.ecoinf.2019.100976.Rukovodstvo pol’zovatelya Agisoft Metashape: Professional Edition, versiya 1.7 (Agisoft Metashape: Professional Edition User Manual, version 1.7), St. Petersburg: OOO Agisoft, 2021.Instruktsiya o poryadke provedeniya obyazatel’nykh trebovaniy k dal’nevostochnym lososevym na KNS i KNP basseynovykh upravleniy rybookhrany i statsionarakh TINRO (Instructions on the procedure for conducting mandatory observations of the Far Eastern salmonids at the CNS and CNP of the basin departments of fish protection and TINRO station), Vladivostok: TINRO, 1987.Instruktsiya o poryadke provedeniya obyazatel’nykh trebovaniy k dal’nevostochnym lososevym na KNS i KNP basseynovykh upravleniy rybookhrany i statsionarakh TINRO (Instructions on the procedure for conducting mandatory observations of the Far Eastern salmonids at the CNS and CNP of the basin departments of fish protection and TINRO station), Vladivostok: TINRO, 1987.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.