Автор: Олег Бондаренко
Вчасне виявлення місць незаконних рубок лісів є задачею актуальною практично у всьому світі. Зрозуміло, що хоча йдеться про дистанційні методи, не всі з них забезпечують вчасність виявлення. Так, безумовно супутникові знімки майже ідеально можуть виявляти локалізацію ділянок знищеного лісу, але насправді вони мають певні обмеження через їхній відносно тривалий цикл оновлення (особливо в районах із хмарністю). Тому, коли йдеться про оперативне виявлення і оповіщення про рубки лісу в режимі майже реального часу, то тут потрібні інші технології. Серед них можна зазначити акустичні датчики, що можуть уловлювати специфічні звуки бензопил та техніки для валки лісу. Такі системи працюють у режимі майже реального часу і можуть автоматично повідомляти про активність, що може вказувати на незаконні рубки.
Робота та матеріали були здійснені та підготовлені в рамках проєкту More4Nature, що реалізується Національним екологічним центром України.
Проєкт More4Nature — розширення можливостей громадян у спільному забезпеченні дотримання екологічних норм через моніторинг, звітування та дії, має на меті запустити трансформаційні зміни в природоохоронних зусиллях щодо нульового забруднення, захисту біорізноманіття та запобігання вирубці лісів шляхом залучення громадян і громад як ключових учасників спільної екологічної відповідальності.
Зміст
Мета
Загальний план робіт
Інструментальні засоби
Польові дослідження
∘ Маршрути досліджень
∘ Розміщення вимірювального обладнання
Профілі маршрутів
Аналіз результатів вимірювань
∘ Аналіз звуків лісоповалу і заготівлі дров
∘ Типовий спектр мотопили на різних записуючих пристроях
∘ Характеристики спектру мотопили
∘ Залежність інтенсивності спектру від відстані
∘ Артефакти і порівняння зі спектром мотопили
Підсумки
Висновки
∘ Побудова стаціонарної моніторингової мережі
∘ Бачення розвитку засобів моніторингу
∘ Питання автоматизованої ідентифікації
Додаток 1. Технічні характеристики акустичного вимірювального обладнання
Посилання
Подяки
Англомовний текст
Мета
Основною метою цієї роботи було вивчення технічних спроможностей моніторингу, виявлення та ідентифікації місць незаконних рубок акустичними методами.
Загальний план робіт
Роботи включали такі стадії:
- Підготовка інструментальних й обчислювальних засобів та методів для проведення польових досліджень.
- Організація і проведення польових досліджень.
- Обробка зібраних даних польових досліджень.
- Представлення результатів, висновків, звіту.
Інструментальні засоби
Для проведення робіт були залучені такі засоби:
- Акустичні записуючі пристрої (див. Додаток 1):
- Song Meter Micro Wildlife Recorder | Wildlife Acoustics
- Song Meter Mini 2 Li-ion | Wildlife Acoustics
- Song Meter Mini Bat 2 Li-ion | Wildlife Acoustics
- SV200A Noise monitoring station
- Джерело звуку: Бензопила ручна Husqvarna 340 XP, рівень шуму 101 дБ, двигун бензиновий, кількість обертів 9000 об/хв (150 Гц), об’єм двигуна 40.8 куб. см, потужність двигуна 2.7 к.с., кількість циліндрів 1, маса 4.7 кг.
- Програмний інструмент для побудови і аналізу спектрів і спектрограм аудіофайлів: Audicity — вільне багатоплатформове програмне забезпечення редагування і аналізу аудіоданих, орієнтоване на роботу з декількома доріжками. Дозволяє виконувати такі функції, як побудова спектру заданого фрагменту та спектрограми.
Польові дослідження
Маршрути досліджень
Вимірювання проводились у Косівському районі Івано-Франківської області України, в околиці села Космач по п’яти маршрутах (Табл. 1).
Табл. 1. Основні дані п’яти виконаних маршрутів досліджень.
Розміщення вимірювального обладнання
На кожній точці вимірювання три прилади типу Song Meter кріпились на стволі дерева на висоті біля 1 м від поверхні землі. Акустична станція SV200A кріпилась на штативі поруч з трьома першими. Типове розміщення акустичного обладнання показано на фотографіях нижче.
Профілі маршрутів
Вимірювання проводились наступним чином. Акустичне вимірювальне обладнання розміщалось у заздалегідь запланованій точці. Група дослідників розподілялась на дві частини — перша залишалась біля акустичного обладнання, друга рухалась заздалегідь покладеним маршрутом від точки вимірювання і в запланованих місцях вмикала джерело шуму — мотопилу. Для увімкнення і вимкнення запису акустичного вимірювального обладнання синхронно із роботою мотопили використовувався радіозв’язок.
Нижче наведені маршрути нанесені на мапу разом із їхніми висотними профілями відповідно до Табл. 1:
Аналіз результатів вимірювань
Аналіз звуків лісоповалу і заготівлі дров
Одним з найтиповіших звуків, що супроводжують лісоповал і заготівлю дров є звук ручної мотопили.
Мотопила під час роботи видає типовий лінійчастий спектр звуку. Для наочного представлення цього спектру використовують спектрограми. Спектрограма — це візуальне зображення спектра частот сигналу в часі. Найбільш поширеним поданням спектрограми є двовимірна діаграма: на горизонтальній осі представлено час, вертикальної осі — частота; третій вимір із зазначенням амплітуди на певній частоті в конкретний момент часу представлено інтенсивністю або кольором кожної точки зображення [1].
Спектрограма звуку мотопили під час роботи на холостих обертах представлена на Рис. 1 нижче. Як видно із спектрограми, основна частота складає біля 80 Гц. Декілька сплесків цієї смуги в область вищих частот викликані короткочасними “перегазовками”.
Типовий спектр мотопили на різних записуючих пристроях
У зв’язку з тим, що в експерименті було використано декілька типів приладів (акустичних станцій), то важливо порівняти їхній відгук в однакових умовах акустичного оточення. У конкретному прикладі наведене порівняння трьох приладів:
- Song Meter Micro
- Song Meter Mini 2
- SV200A
Було порівняно частотний відгук приладів в умовах їхнього одночасного перебування в одній точці, коли вони:
- вимірювали звук мотопили, що розташована на відстані 75 м і
- в умовах “тиші” (тобто природні звуки лісу і вітру).
Як видно з Рис. 2 за спектром фону SV200A виявився найближчим до класичного червоного шуму [2] у широкому діапазоні частот від 20 Гц до 20 кГц. На противагу цьому, Song Meter Micro показав у фоновому спектрі два широких піки в області 1 і 6 кГц, обмеження верхнього діапазону частот на рівні десь 10 кГц, а також завал спектру в області низьких частот — нижче приблизно 150 Гц. Аналогічно до Song Meter Micro, хоча дещо краще (без двох явно виражених піків), виглядає спектр Song Meter Mini.
Характеристики спектру мотопили
Виходячи з якісних показників акустичних станцій, для аналізу типових спектрів взята SV200A. Візуально на спектрах з різних відстаней спостерігається принаймні 7 виразливих піків. У Табл. 2 представлені основні моди спектру мотопили, в режимі поміркованого навантаження, на відстані 150 м, на маршруті “Смерека”. Крім частоти і абсолютної інтенсивності цих піків в таблиці надані: (1) кратність частоти піка відносно частоти 188 Гц, а також (2) відносна інтенсивність піка, тобто його висота відносно його ж підніжжя.
Табл. 2. Основні моди спектру мотопили, в режимі поміркованого навантаження, на відстані 150 м.
Залежність інтенсивності спектру від відстані
Впродовж трьох днів було проведено п’ять серій вимірювань за різними маршрутами на трьох локаціях: “Дуб”, “Бук”, “Смерека” (див. розділ Польові дослідження).
В якості типового результату на Рис. 3 наведені спектри звуку мотопили на різних відстанях по маршруту “Смерека”.
Як видно з Рис. 3 високі частоти доволі швидко згасають з відстанню і вже на відстані 300 м спектр вище 1100 Гц практично вирівнюється з фоновим (Bkgd). Відносна інтенсивність піків з частотою нижче 1100 Гц природно зменшується з відстанню, зберігаючи при тому співвідношення інтенсивності між собою. Остання відстань це 500 м, на якій на спектрі можна впевнено вирізнити два найбільших піки – 376 і 559 Гц і менш впевнено 752 і 947 Гц. Вже на відстані 750 м ані спектр ані спектрограма не виявляють ознак окремих піків.
Примітним є те, що на відстані 500 м звук мотопили людським слухом почути не вдалося.
Артефакти і порівняння зі спектром мотопили
Смугастість спектру гарна ознака стороннього в лісі шуму, але із цим критерієм треба бути обережним.
В якості прикладу варто розглянути фрагмент спектрограми приладу Song Meter Mini 2, отриманий на маршруті “Смерека” (Рис. 4), де чітко помітний смугастий спектр.
Аналіз спектру цього фрагменту наданий на Рис. 5.
На спектрі чітко ідентифікована низка гармонік частоти 200 Гц: від 200 до 1800 Гц.
Визначальним чинником ідентифікації джерела походження цього звуку виявилось прослуховування людиною:
Виявилось, що це муха, що сідала на захисний паралоновий кожух мікрофона! 😄
Підсумки
- Типи лісів. Дослідження проводились у трьох типах лісів: (1) дубовий з густим підліском, (2) буковий, (3) смерековий. Два останніх типи лісу без підліску.
- Чутливість слуху людини. На людський слух людина вже не чує звуку мотопили у дубовому лісі (1) на відстані 300 м. Тоді як для букового і смерекового типів лісів людський слух втрачає звук мотопили десь у проміжку між 300 і 500 м.
- Інструментальна чутливість. Виявилось, що апаратними засобами вдається виявляти звук мотопили на відстанях більших ніж людина — 500 м і більше завдяки аналізу спектрограми та спектру, що фіксувались акустичними станціями. Але вже на відстані 750 м виявити звук мотопили на тлі фону не виявилось можливим.
- Інструментарій. У дослідженнях були використані чотири акустичні станції: Song Meter Micro, Song Meter Mini 2, Song Meter Mini Bat 2, SV200A. Найкращою за частотним діапазоном виявилась акустична станція SV200A — від 20 Гц до 20 кГц. У решти акустичних станцій частотний діапазон виявився від 150 Гц до 10 кГц. Крім того, Song Meter Micro показав у фоновому спектрі два широких піки в області 1 і 6 кГц, які не притаманні природному шуму.
- Структура спектру. Спектр мотопили продемонстрував смугасту частотну струкутру з базовою частотою 188 Гц (в режимі поміркованого навантаження мотопили) і з гармоніками, що мали кратність 2, 3, 4, 5, 6, 15. Зі збільшенням відстані джерела звуку від акустичної станції швидше затухали високі частоти — на відстані 500 м помітними залишились піки в діапазоні 300–1000 Гц.
- Ідентифікація звуку. Автоматизована ідентифікація звуків техногенного походження, притаманних лісоповалу, лише за ознакою смугастості може бути оманливою. Так в одному із спостережень був зафіксований короткочасний смугастий спектр з базовою частотою 200 Гц і з кратними гармоніками до 1800 Гц. Після докладнішого аналізу і прослуховування цей звук був ідентифікований як політ мухи, скоріше за все на відстані порядку одиниць сантиметрів.
Висновки
Побудова стаціонарної моніторингової мережі
Побудова стаціонарної акустичної моніторингової мережі стикнеться із суттєвими обмеженнями. Коли датчики такої мережі розташовуються на деревах (тобто в гущині лісу), то відстань виявлення події обмежується відстанню порядку 500 м. це означає, що для побудови щільної моніторингової мережі відстань між сусідніми датчиками має не перевищувати 2*500 = 1000 м. Для надійності візьмемо 750 м. Структурним елементом мережі стане рівносторонній трикутник зі стороною 750 м, в кутах якого розміщенні акустичні монітори. Площа такого трикутника складе км. Тобто щоб закрити площу у 100 кв. км буде потрібно потрібно більше 200 акустичних станцій.
Далі необхідно врахувати, що кожна акустична станція має бути виконана у всепогодному варіанті, має мати автономне живлення і засоби зв’язку для передавання даних. Такі вимоги суттєво збільшать вартість кожної станції. Також підтримка працездатності і постійне обслуговування мережі додасть суттєвих операційних витрат.
Бачення розвитку засобів моніторингу
Одним з перспективних альтернативних варіантів розвитку засобів акустичного моніторингу великих площадних об’єктів на предмет неавторизованої техногенної діяльності може стати застосування акустичних локаторів на борту БПЛА (типу фіксоване крило, з електроприводом). Такі локатори, як правило, використовують масив мікрофонів типу MEMS і можуть з допомогою алгоритмів обробки сигналу визначати 3D DOA, тобто напрямок на джерело звуку в просторі. Попри те, що БПЛА є самостійним джерелом акустичного шуму, у світі проводяться багато розробок із застосуванням цього підходу з борту БПЛА. Наприклад, одна з ранніх робіт у цьому напрямку є тут [3]. Насправді, на сьогоднішній день цей напрям активно розвивається, з’явилися сотні робіт, все це потребує окремого вивчення.
Якщо таким методом вдасться охопити моніторингом смугу, скажімо, шириною 300 м з висоти 100 м (по 150 м в кожний бік від БПЛА), то за помірної швидкості БПЛА у 60 км/год таким засобом можна провести один обліт території 100 кв. км за год. Функціонування такої системи моніторингу потребуватиме щонайменше двох бортів БПЛА і команди з 2–3 спеціалістів.
Зрозуміло, що це попередня оцінка і порівняння технічних і економічних аспектів стаціонарних і мобільних засобів моніторингу потребуватиме додаткових зусиль.
Питання автоматизованої ідентифікації
В обох випадках — стаціонарних і мобільних засобів моніторингу — залишиться присутнім питання автоматизованої ідентифікації виявлених джерел звуків. Тут напевно не обійтись без сучасних засобів розпізнавання звуків з допомогою навчених нейромереж.
Додаток 1. Технічні характеристики акустичного вимірювального обладнання
Цей розділ містить короткий опис та результати аналізу приладів для вимірювання шуму, які доступні нашій команді і, тому, можуть бути використані в рамках роботи над проектом м4н. Звіт підготовлений на основі технічних описів та інструкцій з використання приладів. Оцінка здійснювалася за ключовими показниками для даних типів приладів, у т.ч. тривалість роботи, тип живлення, частоти вимірювання та інші.
2.1 Song Meter Micro Wildlife Recorder
Рекордер Song Meter Micro призначений для довготривалого використання на відкритому повітрі. Виготовлений з міцного полікарбонатного пластику, він стійкий до ультрафіолетового випромінювання та погодних умов. Song Meter Micro розроблений з урахуванням будь-яких погодних умов і не пропускає воду за звичайних обставин.
Wildlife Acoustics Song Meter Mini 2 — це біоакустичний рекордер, призначений для запису птахів, земноводних, наземних ссавців та інших диких тварин, які видають звуки в межах звичайного діапазону людського слуху. Водонепроникний корпус зі ступенем захисту IP67 і надзвичайно довгий час роботи від акумулятора дозволяють залишати диктофон без нагляду в польових умовах на тривалий час для збору аудіозаписів диких тварин поблизу. Гнучка система планування дає змогу налаштувати роботу так, щоб записувати лише періоди пікової активності або подовжити час роботи від батареї протягом тривалого часу. Song Meter Mini 2 налаштовується переважно за допомогою мобільного додатку Song Meter Configurator через Bluetooth. Цей безкоштовний додаток доступний для пристроїв iOS та Android і надає простий інтерфейс для налаштування звукових параметрів диктофона. Додаток отримує періодичні оновлення стану від диктофонів Song Meter, що знаходяться в радіусі дії Bluetooth (зазвичай 10–20 метрів). Це дозволяє вам перевіряти стан ваших диктофонів, навіть якщо вони знаходяться поза зоною прямої досяжності. Додаток Song Meter Configurator також дозволяє створювати та керувати файлами конфігурації, які можна використовувати для програмування будь-якого Song Meter Mini 2 з налаштуваннями, які ви можете визначити перед розгортанням. Це дозволяє легко підтримувати узгодженість налаштувань між кількома диктофонами або декількома розгортаннями в будь-якому конкретному проекті. Song Meter Mini 2 записує аудіо у широко підтримуваному форматі .wav, що означає, що записи можна переглядати і обробляти практично в будь-якому аудіопрограмі, включаючи програмне забезпечення для аналізу звуку Kaleidoscope Pro від Wildlife Acoustics.
2.3 Song Meter Mini Bat 2 Li-ion
The Wildlife Acoustics Song Meter Mini Bat 2 це біоакустичний рекордер, призначений для запису птахів, земноводних, наземних ссавців та інших диких тварин, які видають звуки в межах звичайного діапазону людського слуху. Водонепроникний корпус зі ступенем захисту IP67 і надзвичайно довгий час роботи від акумулятора дозволяють залишати диктофон без нагляду в польових умовах на тривалий час для збору аудіозаписів диких тварин поблизу. Гнучка система планування дає змогу налаштувати роботу так, щоб записувати лише періоди пікової активності або подовжити час роботи від батареї протягом тривалого часу. The Song Meter Mini Bat 2 is primarily configured through the Song Meter Configurator mobile app via Bluetooth. Цей безкоштовний додаток доступний для пристроїв iOS та Android і надає простий інтерфейс для налаштування звукових параметрів диктофона. Додаток отримує періодичні оновлення стану від диктофонів Song Meter, що знаходяться в радіусі дії Bluetooth (зазвичай 10–20 метрів). Це дозволяє вам перевіряти стан ваших диктофонів, навіть якщо вони знаходяться поза зоною прямої досяжності. Додаток Song Meter Configurator також дозволяє створювати та керувати файлами конфігурації, які можна використовувати для програмування будь-якого Song Meter Mini Bat 2 з налаштуваннями, які ви можете визначити перед розгортанням. Це дозволяє легко підтримувати узгодженість налаштувань між кількома диктофонами або декількома розгортаннями в будь-якому конкретному проекті. The Song Meter Mini Bat 2 записує аудіо у широко підтримуваних форматах .wav and .zc, що означає, що записи можна переглядати і обробляти практично в будь-якому аудіопрограмі, включаючи програмне забезпечення для аналізу звуку Kaleidoscope Pro від Wildlife Acoustics.
2.4 SV200A Noise monitoring station
Станція моніторингу шуму SV200A — це станція найвищого рівня з вбудованими мікрофонами для виявлення направленості шуму. Це революційне рішення дозволяє ідентифікувати домінуючі джерела шуму, надаючи інформацію про їх розташування як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках. На практиці вимірювання спрямованості дає можливість вказати домінуюче джерело шуму в зоні вимірювання або виключити небажані події.
Чотири додаткові мікрофони, розташовані з боків корпусу, використовують техніку інтенсивності звуку для визначення напряму домінуючого джерела шуму як по вертикальній, так і по горизонтальній осях. Розподіл Leq у кутових секторах зберігається як часова історія та може використовуватися для фільтрації даних і звітності.
Станція може виконувати частотний аналіз у реальному часі в діапазонах 1/1 і 1/3 октави і зберігати його як дані історії часу. Додатково може записувати аудіосигнал для розпізнавання джерел шуму та перерахунку даних.
Функція (розширена сигналізація) Advanced Alarms дозволяє надсилати електронною поштою та SMS сповіщення. викликані умовами порогового рівня в поєднанні з умовами часу. Також доступні сигнали про статус станції.
4G модем, WLAN і LAN забезпечують швидку передачу даних через Інтернет на ПК зі стандартним підключенням до Інтернету. SvanNET забезпечує підключення до Інтернету за принципом «plug & play» і легке керування вимірювальними проектами. Незалежно від типу SIM-карти, публічної чи приватної, SvanNET встановить з’єднання, надаючи повний доступ до даних вимірювань через веб-бравзер. Bluetooh® і бездротова локальна мережа забезпечують точку доступу для легкого налаштування за допомогою програми SvanNET.
Відповідно до вимог ISO 1996–2, SV 200A використовує електростатичний привод для виконання періодичної перевірки системи. Перевірка повного ланцюга вимірювання, включаючи мікрофон, є перевагою використання методу електростатичного приводу.
Точний модуль GPS надає інформацію про локалізацію, а також вимірювання синхронізації часу.
Посилання
[1] Spectrogram — Wikipedia
[2] Brownian noise — Wikipedia
[3] A. Finn and S. Franklin, “Acoustic sense & avoid for UAV’s,” 2011 Seventh International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing, Adelaide, SA, Australia, 2011, pp. 586–589, doi: 10.1109/ISSNIP.2011.6146555
Подяки
Висловлюємо подяку учасникам проєкту та авторам дослідження: Олегу Бондаренку, Олегу Погрібному, Євгену Бовсуновському, Віталію Гулевцю та Сергію Савченку за їхній значний внесок у збір, обробку та аналіз акустичних даних.
А також Національному природному парку «Гуцульщина» за організаційну підтримку та всебічне сприяння у реалізації дослідження.
Як проходив акустичний експеримент 🙂
© Європейський Союз, 2023
Цей проект отримав фінансування від програми досліджень та інновацій Європейського Союзу «Горизонт Європа» за грантовою угодою № 101133983. Відповідальність за інформацію та погляди, викладені в цьому прес-релізі, повністю покладається на авторів. Відтворення дозволено за умови підтвердження джерела.