Проекты

Краткое описание

Мелкие млекопитающие, составляющие значительную часть мирового биоразнообразия, играют существенную роль в функционировании наземных экосистем, что делает их важным объектом экологического мониторинга. Применение традиционных методов мониторинга сопряжено с ограничением подвижности животных или их гибелью, что наносит прямой ущерб популяциям мышевидных грызунов и землероек. Для решения многих практических задач отлов избыточен, а в случае редких и охраняемых видов – крайне нежелателен. Использование гуманных методов исследований и мониторинга является общемировым трендом, особенно актуальным на территориях ООПТ. Некоторые из них, например, городские лесопарки, свободно посещаются большим количеством людей. Это делает невозможным применение большинства существующих методов мониторинга из-за краж и вандализма по отношению к оборудованию (живоловки, ловчие конуса, фотоловушки). Та же проблема актуальна и за пределами охраняемых территорий. Учет животных по следам - неинвазивный и экономичный метод исследования. Для регистрации следов мелких млекопитающих обычно используются следовые тоннели из пластика (в качестве которых можно использовать обычные пластиковые бутылки с горлышком диаметром 38 мм), содержащие приманку и бумажный следовой картридж с чернилами, приготовленными из смеси угольного порошка и минерального масла. Видовая идентификация – главная проблема метода следовых тоннелей. Различить следы разных видов животных одного размерного класса «на глаз», как правило, невозможно. Попытки использовать подходы на основе морфометрии с ручными измерениями дали обнадеживающие результаты, но из-за высокой трудоемкости не получили распространения.
Научно-педагогическое сообщество сталкивается с растущим разрывом между возможностями современных технологий (включая ИИ) и их практическим применением в полевой зоологии и в подготовке нового поколения специалистов. Отсутствие адаптированных инструментов и стандартизированных протоколов препятствует интеграции нейросетевых решений в рутинную исследовательскую практику и образовательные процессы. Мы создаем инструмент на основе нейросетевой технологии для автоматического определения видов мелких млекопитающих по отпечаткам их лап, получаемых с помощью следовых тоннелей. Наши предварительные эксперименты доказали, что это возможно.
Решение включает в себя:
Открытый программный комплекс для нейросетевой идентификации видов мелких млекопитающих по изображениям следов;
Научно-методическое руководство по применению технологии для мониторинга широкоарельных видов мелких млекопитающих.
Сервис позволит исследователям проводить видовую диагностику по отпечаткам лап без морфометрических измерений. Предлагаемое решение сократит объемы изъятия (гибели) мелких млекопитающих в ходе их мониторинга. Популяризация технологии обеспечит возможность проведения более масштабных исследований биоразнообразия как на ООПТ, так и на любых других территориях.

Цель

1. Разработка и популяризация нейросетевой идентификации видов мелких млекопитающих из родов: серые полевки (Microtus), лесные полевки (Clethrionomys), лесные и полевые мыши (Apodemus), мышовки (Sicista), мыши-малютки (Micromys), бурозубки (Sorex), куторы (Neomys) по отпечаткам лап, получаемых с помощью следовых тоннелей.

Задачи

1. Сформировать набор изображений следовых отпечатков для обучения нейросетевой модели, включающий пять родов грызунов – Microtus, Clethrionomys, Apodemus, Sicista, Micromys и два рода насекомоядных – Sorex, Neomys, обитающих на территории Свердловской и Тюменской областей.
2. Разработка программного комплекса (обучение моделей обнаружения и классификации отпечатков лап)
3. Разработка кроссплатформенного программного интерфейса (API) и подготовка комплекса для гибкого развертывания на различных вычислительных платформах
4. Полевая апробация и популяризация в научной среде метода следовых тоннелей с нейросетевой идентификацией видов мелких млекопитающих по отпечаткам лап
5. Организация образовательных мероприятий по применению предлагаемой нейросетевой технологии в экологическом мониторинге

Обоснование социальной значимости

Разработка и внедрение системы автоматической видовой идентификации мелких млекопитающих по отпечаткам лап представляет собой значимый шаг в развитии экологического мониторинга и природоохранной деятельности, отвечая на ряд актуальных социальных и научных вызовов.
1. Приверженность принципам биоэтики и гуманным исследованиям.
В современном мире наблюдается устойчивый глобальный тренд на минимизацию вмешательства в жизнь диких животных при проведении научных изысканий. Существующие методы отлова часто сопряжены со стрессом, травматизмом или гибелью животных, что неприемлемо с этической точки зрения, в частности на особо охраняемых природных территориях (Sikes et al., 2016; экспертные заключения д.б.н., в.н.с. Г.В. Оленева, д.б.н., в.н.с. Л.Е. Лукьяновой, к.б.н., в.н.с. А.В. Бобрецова, к.б.н., с.н.с. М.Н. Ранюк). Предлагаемый неинвазивный метод, основанный на анализе следов, полностью исключает прямой контакт с человеком и негативное воздействие на животных, соответствуя высшим стандартам биоэтики.
2. Сохранение биоразнообразия и целостности экосистем.
Мелкие млекопитающие, в частности, грызуны и землеройки, являются важным компонентом многих наземных экосистем. Мониторинг их популяций без изъятия особей позволяет получать объективные данные о естественной динамике численности и видовом составе, что критически важно для оценки состояния экосистем, разработки и корректировки мер охраны. Это напрямую способствует сохранению не только самих целевых видов, но и трофически связанных с ними хищников.
3. Раннее обнаружение биологических инвазий.
В условиях глобализации и изменения климата возрастает риск проникновения чужеродных видов, которые могут нанести ущерб местным экосистемам. Предлагаемый метод, благодаря возможности масштабируемого и экономичного мониторинга, позволит своевременно выявлять на ООПТ и других территориях факты вселения инвазивных видов.
4. Повышение эффективности и доступности мониторинга.
Метод решает практические проблемы, ограничивающие применение традиционных подходов: высокую трудоемкость, высокую стоимость, а также уязвимость оборудования к кражам и вандализму (Clarin, 2014; Шефтель, 2018; Porter, Dueser, 2024). Автоматизация идентификации видов снижает нагрузку на специалистов, устраняет субъективный фактор и позволяет обрабатывать большие массивы данных. Это открывает возможность для проведения долгосрочных и широкомасштабных исследований силами научных учреждений, сотрудников ООПТ, а также для привлечения волонтеров (экспертные заключения к.б.н., в.н.с. А.В. Бобрецова; д.б.н., профессора В.П. Старикова, д.б.н., в.н.с. Г.В. Оленева, к.б.н., с.н.с. Ю.А. Давыдовой).
5. Поддержка науки, образования и эпидемиологического контроля.
Проект направлен на:
- Научное сообщество (предоставление современного и эффективного инструмента для фундаментальных и прикладных зоологических и экологических исследований – экспертные заключения к.б.н. Н.В. Синевой, д.б.н. Л.Е. Лукьяновой, к.б.н. Е.Б. Григоркиной и др.).
- Специалистов Роспотребнадзора (упрощение и удешевление мониторинга численности грызунов – переносчиков опасных заболеваний (см. письмо С.В. Колтунова)).
- Преподавателей биологического направления (внедрение современных и безопасных цифровых технологий исследования биоразнообразия в учебный процесс вузов, вовлечение студентов в актуальные научные проекты – интервью к.б.н. Н.О. Садыковой, экспертные заключения доцента, к.б.н. Е.Е. Боряковой и др.).
6. Демократизация исследований и вовлечение общественности.
Упрощенная процедура сбора данных (установка следовых тоннелей) в сочетании с нейросетью позволяет привлекать к мониторингу не только профессионалов, но и волонтеров, школьников, краеведов. Это способствует экологическому просвещению, формированию ответственного отношения к природе и способствует развитию «гражданской науки» (citizen science).
Таким образом, проект обладает значительной социальной значимостью, способствуя развитию гуманных методов исследований, укреплению экологической безопасности, сохранению природного наследия и внедрению инновационных технологий в практику природопользования и образования.

География проекта

Свердловская область: г. Екатеринбург; Горнозаводской округ, «Висимский государственный природный биосферный заповедник»; Нижнесергинский р-н, п. Бажуково, Природный парк «Оленьи ручьи»; Сысертский муниципальный округ, биологическая станция ИЕНиМ УрФУ; Березовский муниципальный округ, п. Становая. Тюменская область: Ишимский муниципальный округ, д. Прокуткино.

Объекты природы и (или) люди,
для которых будет реализован проект

1. Объекты природы: широкоарельные виды мелких млекопитающих: серые полевки (Microtus spp.), лесные полевки (Clethrionomys spp.), лесные и полевые мыши (Apodemus spp.), лесная мышовка (Sicista betulina), мышь-малютка (Micromys minutus), бурозубки (Sorex spp.), кутора обыкновенная (Neomys fodiens).
2. Научное сообщество (зоологи и экологи институтов РАН, ООПТ).
3. Специалисты центров гигиены и эпидемиологии, выполняющие работы по мониторингу численности мелких млекопитающих.
4. Педагогическое сообщество биологического направления в профессиональном образовании.