科学者らがドローンを使って南極のペンギンの「国勢調査」を実施

最近、南極で初めて金色のペンギンが発見されました。このペンギンは「黄色いダイヤモンドを帯びている」と冗談めかして呼ばれ、「ネットセレブ」となり、多くのネットユーザーの注目を集めています。愛らしいペンギンは昔から人々に愛されてきましたが、この小さなペンギンの繁殖の成功は、動物保護団体や科学研究者の科学的研究の探求と粘り強さと切り離すことはできません。

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かわいい南極のペンギン

「面白い」実験が南極のペンギン保護に新たな扉を開く

カリフォルニア州スタンフォード大学の航空宇宙工学准教授マック・シュワガー氏とその同僚たちは、この重要な研究に取り組んでいる。

2019年、シュワガー氏と学生たちはペンギンのぬいぐるみとドローンを積んだカートを引いて、サンタクララにあるドローン愛好家の空き地に到着した。ここでは、ペンギンのぬいぐるみを広場に散らばせ、ドローンを飛ばして、特別にカスタマイズされたソフトウェアを使用してぬいぐるみの飛行ルートを計画しました。

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この一見「ばかげた」実験は、実はペンギンのコロニーを記録し研究するために南極に向かう前の科学研究チームの「訓練演習」だった。ドローンはまもなく、完全に岩と氷に覆われた不毛の地、クロジエ岬の上空を飛行する予定だ。この岬には、30万組以上のアデリーペンギンが生息する世界最大級のアデリーペンギンの生息地がある。ここには電気も水もなく、人間の最も基本的な日常のニーズさえ満たすことができませんが、ペンギンの研究と数え上げという重要な科学的研究が行われています。

南極でペンギンの「国勢調査」を実施するというのは、ちょっと「クレイジー」に思える。クロゼット岬は、毎年繁殖するアデリーペンギンの生息地です。研究者たちは、南極の夏である10月から2月にかけてこの地域に生息するペンギンの正確な数と、ペンギンの個体数の変動と永久凍土の季節的な海面低下との間に関係があるかどうかを理解したかったのです。

私たちがペンギンの数を数え、研究するためにこれほど努力するのは、地球温暖化がペンギンに与える影響が私たちが想像するよりもはるかに深刻だからです。地球温暖化による海氷の崩壊は、多くのペンギンが子育ての貴重な場所を失っただけではない。乱獲により、ペンギンの餌はますます不足し、その個体数は大幅に減少しています。ペンギンの数を観察することは、ペンギンの保護活動をより強化するのに役立ちます。

南極の空にドローンを飛ばす集会

かつては、ペンギンの数を数える方法は依然として手作業によるマーキングを基本としており、ペンギンの数、ペンギンの巣の密度、コロニー全体の総面積などのマーキングデータからペンギンの総数を推定していました。この方法は完璧でしょうか？もちろん違います。しかし、調査にヘリコプターを使用すると、コストがかかるだけでなく、高度要件による騒音が生息地のペンギンの邪魔になる可能性もあるため、現時点では手作業によるマーキングが最善の選択肢であると思われます。

2016年6月、ペンギンの研究に携わる生物学者のアニー・シュミットさんは、パーティーでマック・シュワガーさんと偶然出会った。会話の中で、シュワガー氏はドローンを使用することの潜在的な利点について触れました。ドローンは、非侵襲的な方法と比較的低コストで高品質のデータを取得できるのです。ドローンを正しく使用すれば、タグを付けたペンギンを手作業で探して数えるという退屈な作業から科学者を解放できるだけでなく、非常に短時間で非常に貴重なデータを簡単に取得できるようになります。

この会話は間違いなくアニー・シュミットにペンギン研究への希望を与えた。 2017年、研究チームは5機のドローンを選択し、博士課程の学生であるクナル・シャー氏と協力し、ペンギンの生息地データを効率的に取得するための調査飛行ルートアルゴリズムを最適化する方法の調査を開始しました。

効率的なルート計画、比類のない効率

南極上空で「国勢調査」を円滑に実施するのは容易なことではない。南極大陸では、雪、凍雨、時速100マイルにも達する冷たい風など厳しい気象要因により、ドローンの飛行可能時間が大幅に短縮されている。同時に、極寒の気温によりドローンの飛行時間が制限され、ペンギンが動き回るため、研究者はペンギンの重複カウントを減らすために素早く収集して写真を撮る必要がある。従来のグリッドモード飛行は、このような特殊な環境には適さなくなりました。

ドローンが離陸し、多数のペンギンが集まる起伏の多い生息地の地図を作成する必要がある場合、航空写真の高度、地上解像度、ルートの重複率が決定されていると仮定すると、そのエリアをカバーするグリッドを形成するための「特別な」ルート計画アルゴリズムを開発する必要があります。クナル氏は、ドローンのルート計画で最短時間で効率的にデータを取得するには、通過可能性と非反復性という 2 つの重要な条件を満たす必要があると考えています。つまり、各ドローンの最も効率的な飛行経路を計算し、各経路ポイントで写真が重複することなく撮影されるようにする必要があります。

最終的に、「ポップコーン」（POPCORN）という愛称の飛行経路アルゴリズムが誕生しました。

「Popcorn」の飛行ルート計画は、単一の「Z」字ルートではなく、エリア内で複数のドローンを同時に重ね合わせたジグザグルートです。撮影する写真の枚数、カバーするエリア、飛行時間、ドローンの数を確認した後、アルゴリズムは対象エリアをグリッドポイントに分割し、GPS座標を割り当ててルートを計画します。これらの GPS 座標により、ドローンは正確に位置を特定し、ケープ クロージャーの起伏のある地上環境に適応できるだけでなく、ペンギンの生息地の空域要件に違反する高度でドローンが飛行するのを防ぎ、ドローンが「イブニング ドレス」を着た住民の邪魔をしないようにすることができます。

最終的に、「ポップコーン」は一連の巧妙な「Z」字型の飛行ルートを形成し、経路を繰り返すことなくすべての画像を撮影できるようにしました。さらに、ルートの出発点と到着点が同じ場所に設定されているので、安全な着陸地点を探す手間が軽減されます。

ドローン空撮ルートマップの概略図

Popcorn のルート計画は、飛行調査の時間を短縮するだけでなく、測定範囲が十分に広く、調査中にいつでもドローンを安全に呼び戻すことができることも保証します。以前と比べると、ドローンを飛ばしてこの作業を完了するには、パイロットが 2 日以上かかります。このルートを使用し、複数のドローンを連携させることで、完了までに約 3 時間しかかからず、効率性において比類のない成果が得られます。

地上解像度が約 1.5 cm/ピクセル、オーバーラップが 60% の場合、ドローンで撮影されたすべての画像の合計サイズは 10 GB にもなります。すべての画像をステッチング ソフトウェアにアップロードして、巨大な航空モザイクを作成します。 「その後、その画像は機械学習パイプラインに送られ、ペンギンを選別して分類し、その巨大な画像内のペンギンの数を自動的にカウントします」とクナル氏は語った。

最終的な高解像度の高密度画像

クナル氏は、プロジェクト遂行におけるドローンの効率性に驚きました。ドローンの革新的な科学研究への応用と、ペンギンと一緒に暮らすという貴重な体験が、クナル氏が南極のペンギン研究に参加し続ける大きな理由となっている。

ドローンの応用、工学研究における大きな変化

この研究では最先端の研究成果が得られ、論文としてまとめられ、科学誌「サイエンス・ロボティクス」に掲載されました。論文の要約では、航空写真撮影に複数のドローンと「ポップコーン」アルゴリズムを使用することで得られる大きな効率上の利点についてまとめています。

「ドローンは約3時間で2平方キロメートルのエリアを調査しました。これは、人間が操縦するドローンを使用して同じ生息地を調査するのにこれまで2日以上必要だったことと比較できます。私たちのアプローチは、繰り返しの飛行ルートを排除することで調査時間を短縮し、調査中にいつでもドローンを安全に呼び戻すことを可能にします。このアプローチは、危険な気象条件下での山火事調査や災害救助など、他の分野にも応用できます。」

研究チームは現在、この技術を使って、カリフォルニア州の鳥や牧場の家畜の動きの変化を追跡している。気候変動と生態系保護は、私たちが世界を見る方法を再考することを要求しており、テクノロジーは私たちにとって世界を改善するための重要なツールです。人工知能と自動化機能を備えたドローンは、私たちの手を解放し、効率性を高めることを可能にし、最先端のイノベーション分野でますます広く使用されるようになると考えられます。 「これは始まりに過ぎず、工学研究のあらゆる分野における大きな変化を意味するものであることは間違いない」とシュワガー氏は語った。 (DJI 業界アプリケーション)