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Monitoraggio della fauna con droni e tecnologie innovative

Questo articolo illustra il progetto di monitoraggio della fauna nel Parco Naturale Regionale Sirente-Velino con tecnologie innovative.

Autori

  • Igino Chiucchiarelli: Direttore Parco Regionale Sirente Velino
  • Francesco Riga: ISPRA,
  • L. Brizzi, L. Palieri, D. Quattrociocchi, F. Mari: ADPM Drones S.r.l.

Il monitoraggio della fauna selvatica con tecnologie innovative

Il monitoraggio della fauna ed in particolare del cervo (Cervus elaphus) all’interno del Parco Naturale Regionale Sirente-Velino è un’attività di primaria importanza per una verifica puntuale dell’estensione e distribuzione delle aree di diffusione e per la stima, su base pluriennale, della consistenza della popolazione nelle aree di riproduzione.

Le criticità, quali il sovrannumero di alcuni ungulati, la presenza di specie invasive, il cambiamento climatico e l’antropizzazione, minacciano la biodiversità del parco e richiedono soluzioni innovative, multidisciplinari e al passo con i tempi.

L’Ente Parco, in collaborazione con ISPRA e ADPM Drones S.r.l, ha deciso di investigare sull’utilizzo di nuove tecnologie, finanziando iniziative con l’obiettivo di rafforzare le attuali procedure di monitoraggio della biodiversità nel Parco.

Partendo da una analisi critica delle pratiche di monitoraggio tradizionalmente adottate nei progetti e nelle iniziative condotte dal Parco, ne sono emersi i limiti soprattutto quando utilizzate come uniche tecniche: limitata copertura geografica, che spesso richiede di essere compensata attraverso complesse analisi statistiche, l’alto dispendio di risorse umane necessarie per i rilievi sul campo e la soggettività intrinseca a questi ultimi, oltre alla georeferenziazione dei dati, che tende ad essere mancante o piuttosto approssimativa.

Questa consapevolezza ha stimolato la ricerca di soluzioni più efficaci e complete per il monitoraggio ambientale. Nel 2022 il Parco ha testato l’utilizzo dei Sistemi Aerei a Pilotaggio Remoto (Unmanned Aircraft System – UAS) con l’implementazione, per la prima volta, dello Standard Nato 4609 alle riprese video (ossia georeferenziazione di ogni pixel dell’area ripresa in un video) per il conteggio degli ungulati.

Nel 2023, grazie a quest’ultima tecnologia, è stato possibile effettuare il censimento di cervi e cinghiali nell’intera Valle Subequana (circa 22.000 ettari), innovando la metodologia di ripresa e campionamento, con risultati correttamente georiferiti ed esportati e rappresentati in ambienti GIS.

Tutte le attività sono state eseguite da piloti certificati con riprese video a diverse quote di volo, con APR con MTOM < 900gr (DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED), in grado di operare contemporaneamente con telecamera termica ad alta definizione e con camera ottica.

Altro aspetto innovativo è stata l’implementazione di un’architettura di comunicazione, che abilita la gestione centralizzata e remota, ossia direttamente dalla sede del Parco, delle operazioni di campo e che diventa la chiave fondamentale per il miglior utilizzo degli UAS in grado di eseguire operazioni, sia Beyond Visual Line Of Sight (BVLOS) ma anche Beyond Radio Line Of Sight (BRLOS), e di rendere la tecnologia accessibile anche a personale non esperto fino all’esecuzione di missione completamente automatiche (ossia senza la presenza di un pilota in situ), con trasmissione delle immagini real-time.

I risultati del progetto hanno dimostrato la validità della soluzione tecnologica fornita e della metodologia adottata non solo per l’identificazione delle diverse tipologie di fauna (cervi, cinghiali e lepri) ma anche per una corretta georeferenziazione in ambiente GIS sia della posizione degli individui che dei loro spostamenti.

Introduzione

Il Parco Naturale Regionale Velino Sirente, situato nel cuore dell’Appennino Centrale e interamente nella provincia dell’Aquila, si estende su circa 54.360 ettari e include 22 comuni. Consta di 4 Siti di Interesse Comunitario (ora ZSC) e 1 Zona di Protezione Speciale per la Rete Natura 2000, da un’Important Bird Area, la n. 114 “Sirente-Velino-Montagne della Duchessa”.

Con il 46% delle specie di mammiferi italiani, il 32% degli uccelli nidificanti, il 17% dei rettili e il 30% degli anfibi nazionali, il parco ospita una biodiversità significativa con 216 specie di vertebrati, di cui 43 sono considerate emergenze faunistiche.

Il parco gioca un ruolo fondamentale nell’ecosistema regionale, costituendo un’area ecologicamente collegata con i vicini parchi nazionali d’Abruzzo, della Majella e del Gran Sasso, e ospitando il 46% circa delle specie dei mammiferi della fauna italiana (tra cui orso bruno marsicano Ursus arctos marsicanus, lupo Canis lupus, cervo Cervus elaphus e camoscio appenninico Rupicapra pyrenaica ornata).

La gestione del Parco rappresenta una sfida complessa che abbraccia diverse tematiche: dalla sostenibilità del turismo alla cooperazione tra enti gestori e comunità locali, passando per la gestione del territorio e il settore primario.

In questo contesto, il monitoraggio degli ungulati è un processo cruciale che coinvolge la raccolta e l’organizzazione dei dati quantitativi relativi alla demografia e a diversi intervalli temporali al fine di valutare lo stato del sistema e trarre conclusioni sulle variazioni osservate. La pianificazione di un programma di monitoraggio deve rispondere a tre domande chiave riguardanti il motivo, l’oggetto e il metodo del monitoraggio.

I programmi di monitoraggio gestionale sono finalizzati a identificare lo stato del sistema e a fornire informazioni sulle risposte del sistema alle azioni di gestione, mentre la ricerca scientifica utilizza i dati di monitoraggio per confrontare ipotesi alternative.

La quantificazione delle dimensioni delle popolazioni di ungulati si divide in abbondanza relativa ed assoluta, ciascuna con implicazioni significative sulla gestione e la conservazione delle specie. L’abbondanza assoluta, riferita al numero totale di individui in un’area, è spesso difficile da ottenere in modo completo e affidabile. Gli indici di abbondanza relativa, basati sulla rilevazione degli individui o dei segni di presenza delle specie e sul confronto dei medesimi in periodi di tempo o aree definite, offrono una valida alternativa per il monitoraggio su vasta scala, sebbene non consentano una stima diretta della densità assoluta. Tuttavia, sono utili per tracciare tendenze di popolazione nel tempo e per identificare la presenza di specie difficilmente censibili.

È fondamentale valutare la qualità dei dati raccolti e l’affidabilità delle stime ottenute attraverso l’accurata applicazione dei metodi di campionamento e l’analisi dell’errore associato (Caughley, 1977; Skalsky et al., 2005, 2007).

Il Parco ha sempre impiegato diverse metodologie “tradizionali a terra” per il monitoraggio della fauna, variabili in funzione delle specie e degli ambienti circostanti, come:

  • Metodi di cattura-marcatura-ricattura (CMR). Questo metodo si basa sulla cattura e marcatura di animali, seguita dal loro rilascio nella popolazione. Si presuppone che la probabilità di rilevamento degli animali marcati e non marcati sia la stessa e che la proporzione di animali marcati nel campione rappresenti la proporzione nell’intera popolazione (Thompson et al., 1998; Nichols et al., 2000; Anderson, 2001; Yoccoz et al., 2001).
  • Metodi basati sulla misurazione delle distanze (Distance sampling). Questi metodi utilizzano dati derivanti da conteggi incompleti e misurazioni della distanza tra osservatori e individui o gruppi per stimare la densità di popolazione. Le distanze vengono utilizzate per stimare la probabilità di rilevamento, che viene poi applicata per correggere i conteggi incompleti (Buckland et al., 1993, 2001).
  • Conte dirette. Questi metodi si basano sull’osservazione diretta, conteggio e, eventualmente, classificazione degli individui in habitat e ore di maggiore attività. Questa categoria include diversi approcci, come il conteggio dei cervi maschi al bramito (Douhard et al., 2013), le conte da punti di vantaggio, i block-counts, le conte in battuta, i conteggi lungo transetti lineari e i conteggi notturni con faro, ciascuno adatto a diverse condizioni ambientali e specie bersaglio (Maruyama e Nakama, 1983; Acevedo et al., 2008).

I metodi tradizionali hanno diversi vantaggi e svantaggi che sono stati analizzati per identificare azioni di miglioramento nell’attuale strategia di monitoraggio della fauna.
I principali vantaggi dei metodi tradizionali possono essere così sintetizzati:

  • Conteggio a vista:
    • Immediatezza: permette osservazioni dirette degli animali, fornendo dati immediati sulla loro presenza e comportamento.
    • Valutazione diretta: utile per valutazioni rapide e dirette delle condizioni degli animali e delle loro popolazioni.
  • Censimento al bramito:
    • Specificità: particolarmente efficace durante il periodo del bramito dei cervi, permette di stimare la presenza e densità dei maschi adulti, cruciali per le valutazioni riproduttive.
  • Fototrappole:
    • Minimo disturbo: riduce il disturbo diretto agli animali poiché non richiede la presenza umana continua.
    • Dati di lungo termine: permette di raccogliere dati nel tempo, offrendo una visione più completa del comportamento animale e della frequenza di utilizzo dell’habitat.

I principali svantaggi dei metodi tradizionali possono essere così sintetizzati:

  • Limitata copertura geografica:
    • Raggiungimento difficile: aree vaste o morfologicamente complesse richiedono molti punti di osservazione fissi per coprire adeguatamente il territorio.
    • Sacche non monitorate: la difficoltà di accesso e il numero limitato di osservatori possono lasciare aree significative senza monitoraggio.
  • Alto numero di operatori necessari:
    • Disturbo agli animali: il transito di personale e mezzi può disturbare significativamente gli animali, in particolare i cervi durante il periodo del bramito.
    • Rischio di errori: la gestione di un grande numero di operatori, specialmente se poco esperti, aumenta il rischio di errori nei rilievi di campo.
  • Errore umano e bias dell’osservatore:
    • Soggettività: le percezioni personali dell’osservatore possono influenzare i risultati, introducendo bias nel processo di raccolta dati.
    • Errore di conteggio: l’errore umano nel conteggio o nella registrazione dei dati può portare a stime inaccurate della popolazione.
  • Costi elevati:
    • Logistica e formazione: l’organizzazione e la formazione di un grande numero di operatori richiedono investimenti significativi.
    • Manutenzione delle attrezzature: le fototrappole e altre attrezzature necessitano di manutenzione regolare, che può essere costosa.
  • Dati non sempre georeferenziati:
    • Limitazioni tecniche: i dati raccolti tradizionalmente spesso non sono georeferenziati automaticamente, il che può rendere difficile correlare le osservazioni con specifiche coordinate geografiche, limitando l’analisi spaziale dei dati.

Gli elicotteri sono stati a lungo lo strumento preferito per il monitoraggio aereo della fauna selvatica; sono stati usati per esaminare animali che vanno da alci e capre di montagna a tartarughe marine e balene.

Negli ultimi anni l’introduzione dell’uso dei Sistemi Aerei a Pilotaggio Remoto (Unmanned Aircraft System – UAS) ha rappresentato un significativo progresso tecnologico sia rispetto ai sistemi di ripresa aerea che ai rilevi a terra, in quanto funzionano a una frazione del costo e sono relativamente facili da usare, con più precisione e molto meno rischi.

In tutto il mondo i sistemi UAS vengono ora utilizzati per monitorare aree protette, raccogliere dati in aree remote e persino controllare i bracconieri.

I sistemi UAS offrono numerosi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali: la capacità di raccogliere dati in aree remote o difficilmente accessibili, la riduzione del disturbo agli animali (usando velivoli appropriati), una maggiore omogeneità e oggettività dei dati rilevati, e la facilità di ripetizione del rilevamento.

Tuttavia, anche l’utilizzo degli UAS presenta delle limitazioni, specialmente in Italia, dove le operazioni Beyond Visual Line Of Sight (BVLOS) e Beyond Radio Line Of Sight (BRLOS) sono complesse e soggette a restrizioni normative. Inoltre, la corretta georeferenziazione degli elementi identificati e l’analisi dei dati raccolti richiedono competenze specifiche e risorse dedicate. Infine, in territori vasti e a morfologia complessa aumentano i tempi del rilevamento incrementando il rischio di conteggi multipli.

Le alterazioni provocate dai cambiamenti climatici sulla biodiversità, con un impatto maggiormente significativo sulle specie con una minore adattabilità ecologica (stenoecie), però impongono un cambio di passo per gli Enti Parco e i ricercatori nel raccogliere informazioni utili per stimarne e contrastarne gli effetti.

In linea generale, il monitoraggio della fauna e della flora, la valorizzazione e la preservazione della biodiversità nelle aree protette ha sempre richiesto un approccio multidisciplinare che integri aspetti botanici, zoologici, eco-epidemiologici e climatologici e l’impiego di diverse metodologie e strumenti, come le osservazioni dirette, il tracciamento GPS della fauna, centraline di monitoraggio ambientale (IoT), genetico molecolari….

Gli studi e la gestione della biodiversità, oggi, impongono che un dato raccolto sul territorio, a prescindere dalla sua tipologia, deve soddisfare una serie di criteri essenziali, fra cui:

  • Deve essere nei limiti del possibile oggettivo, per garantire la sua verificabilità da terzi.
  • Deve essere correttamente georeferenziato, affinché sia collocabile nello spazio.
  • Deve essere digitale e/o digitalizzato, per consentirne l’esportazione e l’analisi in ambiente GIS.
  • In quanto digitale, deve seguire le regole e le linee guida sull’interoperabilità, per essere utilizzabile dalla comunità scientifica.
  • Considerando l’importanza dell’elemento temporale nella biodiversità, il dato o l’informazione derivata deve essere ripetibile e sovrapponibile, per permettere analisi di change detection.

La sfida è quella di integrare le metodologie tradizionali con le nuove tecnologie, come gli UAS, per migliorare l’efficacia del monitoraggio e la gestione del parco in un contesto di cambiamento ambientale e socioeconomico.

Obiettivi del progetto di monitoraggio della fauna

Il progetto, totalmente finanziato dall’Ente Parco, nasce dalla collaborazione tra Ente Parco, l’Istituto Superiore per la Ricerca e la Protezione Ambientale (ISPRA) e, per la componente UAS, di ADPM Drones S.r.l., con l’intento di incrementare, ampliare e diversificare l’utilizzo delle attuali tecniche di censimento della popolazione di ungulati.

L’obiettivo generale è di implementare una metodologia per il monitoraggio e la gestione della biodiversità che basa l’innovazione sulla semplificazione delle procedure esistenti e che permetta di acquisire dati ad alta valenza scientifica sia in termini di qualità (Dati Digitali, Verificabili, Georiferiti, Ripetibili, Multidisciplinari, Multitemporali e Multi-tecnologiche) che di interoperabilità (in linea con gli standard OGC) tra sistemi e piattaforme di terze parti (Comunità locali, Ricercatori, Cittadini…)

In particolare, è stata implementata una soluzione che ha consentito di semplificare l’integrazione di varie tecnologie: dall’acquisizione di dati tramite sensori installati localmente (dalle stazioni meteo a eventuali radiocollari), all’uso di UAS per il monitoraggio sia della fauna che della vegetazione, all’elaborazione dei dati e alla loro integrazione nel sistema di informazione geografica (GIS), per l’analisi spaziale e temporale, fino alla loro diffusione e gestione attraverso il sito Web del Parco.

Il primo obiettivo specifico ha riguardato la definizione dei requisiti di un sistema in grado di superare il gap attuale nell’utilizzo dei sistemi UAS per renderli più adattabili e rispondenti alla finalità di monitoraggio/censimento della fauna presente nel Parco. In particolare, sono state condotte campagne di test in periodi differenti per l’identificazione e la messa punto della corretta metodologia di esecuzione delle missioni con UAS: quote di volo, angoli di ripresa, tipologia di UAS e payloads, orari e periodi di ripresa.

Secondo obiettivo specifico è consistito nel dimostrare la fattibilità e l’applicabilità della metodologia per il censimento completo della fauna, in particolare ungulati, in un’area ad alta complessità sia per estensione geografica (circa 22.000 ettari) che per caratteristiche morfologiche e di copertura vegetazionale: la Valle Subequana.

Per una verifica dei risultati conseguiti le missioni sono state eseguite nello stesso periodo in cui è stato effettuato il censimento delle stesse specie con le metodologie tradizionali.

Obiettivo specifico finale è stata la messa punto di un servizio basato sull’integrazione di velivoli unmanned, infrastrutture di comunicazione e piattaforme di elaborazione, per supportare il Parco nel monitoraggio ed il censimento della fauna selvatica, integrandosi con le attuali tecniche di rilevamento a terra. In particolare:

  • Semplificazione fino alla completa automatizzazione della raccolta delle informazioni in situ tramite qualunque sistema unmanned, nel caso specifico i droni, per facilitare le operazioni in situ e per rendere questa tecnologia fruibile anche da personale non esperto (è sufficiente l’attestato di pilota per operazioni con UAS rilasciato online da ENAC) di eseguire missioni di qualunque grado di complessità con pochi semplici comandi.
  • Mettere in condizioni il Parco di gestire, in tempo reale, non solo i dati ma tutti i sistemi che li raccolgono sul territorio (droni e qualsiasi altro mezzo unmanned, centraline di monitoraggio, radiocollari…) direttamente da remoto automatizzandoli e rendendoli interoperabili. Droni e IoT potranno interagire, automaticamente, tra loro; i droni possono così svolgere funzioni multiple intervenendo automaticamente in risposta alle informazioni inviate, ad esempio, da radiocollari consentendo un’interazione “intelligente” tra videosorveglianza e spostamenti della fauna. Questo approccio contribuisce a ridurre la necessità di interventi umani sul campo, riducendo ed efficientando i tempi di risposta soprattutto in situazioni di emergenza.

Descrizione delle tecnologia e degli elementi di innovatività

La componente fondamentale e assolutamente innovativa della soluzione è che per la prima volta sono state effettuate, per il censimento della fauna selvatica, riprese video georeferenziate ad alta risoluzione sia con la camera termica che con quella RGB. Ciò si ottiene grazie all’uso del formato STANAG 4609, per la videosorveglianza aerea, che supporta la georeferenziazione di ogni singolo pixel nel video.

Il formato STANAG 4609 è uno standard della NATO che definisce i parametri tecnici per la distribuzione di video, audio, e dati associati in tempo reale per applicazioni di sorveglianza e ricognizione. Infatti, consente l’integrazione di video provenienti da sensori aerei, terrestri o marittimi, con metadati essenziali come la geolocalizzazione, orario, e altri sensori dati.

Nel caso specifico è stata implementata e validata una procedura innovativa per l’applicazione di questo formato non solo ai video ripresi dalla camera del sistema UAS ma anche alle riprese video effettuate da qualunque Smartphone.

Ulteriore elemento chiave ed innovativo della soluzione adottata risiede nell’architettura di comunicazione, elemento centrale tra i sistemi di raccolta dati e le piattaforme di elaborazione e gestione, in grado di abilitare l’integrazione di ogni dispositivo indipendentemente dalla sua tipologia (UAS, radiocollari, centraline di monitoraggio…) e delle sue possibili modalità di connessione (4G/5G, satellite, wi-fi, LoRaWAN…).

Ciò garantisce un servizio altamente resiliente e sicuro, dislocabile ovunque, ideale per la raccolta e distribuzione di dati. Inoltre, rende il sistema estremamente flessibile, scalabile ed economicamente sostenibile (riduzione costi piloti e iter autorizzativi, aumento della produttività, riuso di droni di proprietà…).

Una visione d’insieme del sistema sopra indicato è rappresentata in Figura 1.

Monitoraggio della fauna
Figura 1 – L’architettura di sistema

L’utilizzo di una siffatta infrastruttura introduce un altro elemento innovativo nell’uso dei sistemi UAS: la gestione delle missioni può essere automatizzata e svolta direttamente da uno o più centri di controllo remoto, ossia senza la presenza di un pilota in situ.

Questo vuol dire che tutta la gestione delle missioni, ossia pianificazione delle missioni, controllo sia del UAS che del payload, elaborazione e visualizzazione dei dati, può essere effettuata direttamente dalla sede centrale del Parco, semplificando e addirittura automatizzando la raccolta dati in situ mediante due innovativi sistemi: un sistema fisso “AVIORM” (DIAB – Drone-in-a Boxe) (Figura 2) e un sistema mobile “PCS” (Stazione Portatile per il Controllo degli UAS) (Figura 3).

“AVIORM” consiste in un piccolo hangar, in grado di ospitare i droni commerciali più in uso e, grazie al sistema di ricarica veloce e alla intelligenza integrata, permette la gestione autonoma e a distanza dell’intero processo di volo: monitoraggio delle condizioni meteo, pianificazione delle missioni, completo controllo sia del sistema UAS che della sensoristica montata a bordo, atterraggio e decollo automatici.

Distribuita sul territorio è adatta al controllo di grandi superfici o di più punti critici distribuiti sul territorio.

La struttura è studiata per essere resistente e waterproof, garantendo l’operatività̀ anche in ambienti ostili e può ospitare droni quadricotteri anche commerciali (DJI) con peso massimo al decollo MTOW (max take-off weight) <1200 gr. Nello specifico si utilizzerà almeno un DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED.

ADPM hangar per droni
Figure 2 – ADPM Drones AVIORYM

La “PCS” (Stazione Portatile per il Controllo degli UAS) ha le stesse peculiarità della Docking Station, ma è stata concepita per essere facilmente trasportabile, dislocabile ovunque e in grado di inviare i dati anche in real time ad un centro di controllo remoto, con copertura 4/5 G.

Figura 3 – ADPM Drones Portable Control Station

Obiettivo è facilitare il transfer tecnologico mettendo in condizioni anche personale non esperto (è sufficiente l’attestato di pilota per operazioni con UAS rilasciato online da ENAC) di eseguire missioni di qualunque grado di complessità con pochi semplici comandi.

Si tratta di una speciale valigia capace di ospitare gli stessi droni della Docking Station. Essa, oltre alle ovvie funzioni di trasporto e protezione, contiene tutto il necessario per l’operatività̀ dei sistemi (controllo del volo, streaming video, ricarica batterie, …).

Funzionalità:

  • Tablet 9”
  • Collegamento 4G/LTE (5G)
  • Sistema Broadcast (HD/FHD Video / Telemetria
  • Mission Planner integrato
  • Sistema di ricarica Batterie
  • Protezione IP67
  • 8/12h autonomia

Descrizione delle attività ed analisi dei risultati

Dopo un iniziale fase di lenta colonizzazione il cervo, a partire dal Massiccio del Velino, è oggi stabilmente presente nel Massiccio del Sirente, nell’area della Media Valle dell’Aterno e della Valle Subequana. Proprio quest’ultima Valle è stata scelta per effettuare le campagne di test prima e il censimento successivamente.

Tutte le missioni, che hanno visto anche il coinvolgimento ed il supporto logistico da parte del personale del Parco, sono state eseguite direttamente in situ dai piloti certificati di ADPM Drones e per ogni missione è stata verificata sul portale D-Flight di ENAV le eventuali restrizioni e le regole di volo e si è proceduto alla richiesta delle relative autorizzazioni da parte dell’Ente Parco.

Le campagne di test hanno riguardato la verifica e la messa a punto di alcuni parametri tecnici che si ipotizzava potessero influire sull’efficacia dei dispositivi:

  1. Identificazione del miglior velivolo (ala fissa o multi rotore).
  2. Capacità di rilevamento a terra dei vari strumenti di ripresa in relazione alla quota di volo (altezza AGL – Above Ground Level) e al target prefissato.
  3. Possibile disturbo sonoro (emissioni sonore dei velivoli)
  4. Identificazione del periodo migliore per effettuare le riprese, inteso sia come intervallo orario nell’arco della stessa giornata che come stagionalità durante l’anno.

In merito al primo punto, i vantaggi dell’ala fissa sono essenzialmente legati alla maggiore autonomia di volo e quindi alla possibilità di coprire maggiori distanze e/o copertura areale. Gli svantaggi, oltre alla necessità di avere sempre un luogo idoneo per gli atterraggi (spazio aperto e pianeggiante), sono connessi alla morfologia dell’area da rilevare e alla finalità dell’attività (transetti per censimento o verifica spostamenti singoli target).

Nelle aree a morfologia complessa, con forti pendenze, e con riprese dove il mezzo deve operare alla stessa distanza dal suolo, l’utilizzo dell’ala fissa può risultare impossibile o comunque sicuramente peggiore rispetto alla manovrabilità di un multi rotore.
In aree di pianura o per rilievi in aree lacustri o marine l’ala fissa rappresenta sicuramente la scelta migliore.

Per operare, quindi, nella Valle Subequana si è optato per un quadricottero: il DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED (Figura 4) con le seguenti caratteristiche:

  • Peso massimo al decollo (MTOW- max take-off weight): 1100 gr;
  • Velocità massima: 50 km/h (modalità P, senza vento)
  • Autonomia di volo: fra 30 e 20 minuti in funzione degli accessori, del vento e della velocità.
  • Resistenza alla velocità del vento: 10 m/s (scala 5)
  • Sensori di rilevamento ostacoli omnidirezionali posizionati in ogni direzione (sui lati, sopra e sotto, davanti e sul retro).
  • Modulo RTK
  • Altoparlante M2EA
  • Lampeggiante M2EA
  • Riflettore M2EA
  • Termocamera M2EA con Sensore Microbolometro VOx non raffreddato con intervallo scena -40–150°C (alto guadagno). Zoom digitale 32x
  • Fotocamera visiva M2EA con sensore m1/2” CMOS; pixel effettivi 48 MP e obiettivo formato 35 mm equivalente 24 mm. Zoom digitale 32x.
  • Luci aeronautiche di segnalazione
DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED
Figura 4 DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED

Le prime missioni di test sono state condotte in inverno (gennaio 2022), in condizioni di scarsa o ridotta luminosità solare, al fine di sfruttare la massima escursione termica tra target ed elementi al contorno e la ridotta copertura vegetativa.

Obiettivo delle missioni era individuare target differenti, essenzialmente cervi e cinghiali, per poi posizionarsi sopra, seguirli e, modificando le quote di volo, avere un riscontro oggettivo per valutare le differenze per una corretta identificazione della specie al variare dell’altezza.

Sono state, pertanto, eseguite missioni lineari, ossia senza seguire transetti specifici con strisciate parallele.

Le due riprese più significative sono riportate in figura 5 e 6, dove in giallo è indicata la traccia di volo, il punto di decollo e, delimitata in blu, l’area totale osservata.

 

Figura 5 - Tione degli Abruzzi 13 gennaio 2022 ora inizio volo 17:13 ora fine volo 17:34 Area coperta 111 Ettari
Figura 5 – Tione degli Abruzzi 13 gennaio 2022 ora inizio volo 17:13 ora fine volo 17:34 Area coperta 111 Ettari
Figura 6 – Goriano Valli 13 gennaio 2022 ora inizio volo 17:57 ora fine volo 18:18 Area coperta 80 Ettari
Figura 6 – Goriano Valli 13 gennaio 2022 ora inizio volo 17:57 ora fine volo 18:18 Area coperta 80 Ettari

Nella missione nell’area di Tione è stato identificato un cinghiale (Figura 7), con la telecamera a infrarossi ad alta definizione. L’altezza AGL è stata costante a 60 m.

Figura 7 – monitoraggio della fauna, nel riquadro rosso il target identificato
Figura 7 – Nel riquadro rosso il target identificato

Nel frame video è anche riconoscibile la traccia termica sul suolo lasciata dal cinghiale durante il suo spostamento.

Figura 8 – Monitoraggio della fauna. Definizione della migliore modalità di impostazione della camera termica: scala di grigi, palette a colori
Figura 8 – Definizione della migliore modalità di impostazione della camera termica: scala di grigi, palette a colori

Come si può notare nelle figure 8 e 9 non esiste una scelta univoca tra le diverse modalità di visualizzazione, ma sostanzialmente dipende dalla temperatura degli oggetti circostanti. Nel caso di figura 9 il target è molto meglio visibile nella scala di grigi.

Figura 9 – Monitoraggio della fauna. Definizione della migliore modalità di impostazione della camera termica: scala di grigi, palette a colori
Figura 9 – Definizione della migliore modalità di impostazione della camera termica: scala di grigi, palette a colori

Nella missione a Goriano Valli sono stati identificati 7 cervi. Nel corso della missione si è proceduto a valutare sia le differenze di ripresa al variare della quota di volo (Figura 10) sia il disturbo sonoro e visivo prodotto dal sistema UAS in volo.

 

Figura 10 – Nella figura in alto altezza AGL 60m, mentre nella figura in basso altezza AGL 35m
Figura 10 – Nella figura in alto altezza AGL 60m, mentre nella figura in basso altezza AGL 35m

A entrambe le quote di volo gli individui non hanno risentito del disturbo sonoro del sistema UAS in volo. Lo stesso dicasi per il comportamento del cinghiale nella missione precedente.

Ai fini del riconoscimento in fase di censimento sicuramente l’altezza AGL di 60m, tenendo conto della maggior area copribile a parità di tempi di ripresa, appare la più efficace.
Peraltro, come visibile in figura 11, con un’altezza AGL di 50m è stato comunque possibile identificare anche un target di dimensione molto ridotte (si presume una lepre).

Figura 11 – Monitoraggio della fauna. Nel riquadro il target identificato
Figura 11 – Nel riquadro il target identificato

Durante la stessa missione è stata anche testato con successo l’utilizzo del Riflettore M2EA presente a bordo del sistema UAS per avere, anche in piena notte, un riconoscimento nel visibile dei target identificati, come riportato in Figura 12. Anche in questo caso gli esemplari non hanno risentito del disturbo visivo.

Figura 12 – Monitoraggio della fauna. Ripresa in modalità RGB e azionando il riflettore presente a bordo del sistema UAS.
Figura 12 – Ripresa in modalità RGB e azionando il riflettore presente a bordo del sistema UAS.

Per identificare il periodo migliore dell’anno per effettuare i rilevamenti è stata utilizzata la stessa tecnologia, sempre nella stessa area, ma durante il periodo primaverile (aprile 2022), quindi con temperature al suolo maggiori e con forte ripresa vegetativa.

In questa campagna di test i voli sono stati eseguiti anche con la finalità di verificare l’applicabilità di questa metodologia per il censimento della fauna su aree vaste così da mettere a punto, le procedure per garantire una copertura uniforme dell’intera zona di indagine nel minor tempo possibile (Figura 13). Obiettivo: avere un conteggio il più possibile esatto degli individui presenti, riducendo il rischio di conteggi multipli dovuti ai loro spostamenti.

Sulla base dei test precedenti, tutti i voli sono stati eseguiti con altezza AGL costante di 60m, camera inclinata di 55° rispetto allo zero (camera orizzontale) così da avere per la camera termica un footprint a terra di 200x70x130m. Sulla base di questi parametri il piano di volo, di durata compresa tra i 15 e i 20 minuti, è stato pianificato per avere una copertura uniforme dell’intero transetto

Tutte le missioni sono state eseguite in VLOS, dividendo quelle più estese in più tranches.

Figura 13 – Fontecchio_Tione degli Abruzzi 26 aprile 2022 Durata riprese 5 ore - Area coperta 780 Ettari
Figura 13 – Fontecchio_Tione degli Abruzzi 26 aprile 2022 Durata riprese 5 ore – Area coperta 780 Ettari

I risultati sono riportati nelle Figure seguenti.

Immagine14

Immagine15

Figura 14 e 15 – La ripresa vegetativa della copertura arborea ha reso più complessa l’identificazione dei cervi (riquadri rossi) nel canale termico. Nel canale RGB gli stessi target non sono identificabili.

Figura 16 – In condizioni favorevoli, ossia in assenza di vegetazione, sono perfettamente identificabili i maschi adulti.
Figura 16 – In condizioni favorevoli, ossia in assenza di vegetazione, sono perfettamente identificabili i maschi adulti.

Tutti i video raccolti sono stati elaborati (in postproduzione) nel formato STANAG 4609, così da georeferenziare ogni singolo pixel del video.

Con la trasformazione nel formato STANAG 4609 è stato possibile procedere direttamente sul video, mediante un apposito software, alla fotointerpretazione per l’identificazione, marcatura e georeferenziazione della fauna eventualmente presente. Il passo finale è la trasposizione di tutti i dati elaborati in ambiente GIS, per la rappresentazione, anche mediante l’eventuale integrazione con altre banche dati, degli elaborati finali.

Figura 17 – Step 1 - A sinistra frame video in formato STANAG 4609. A destra viene visualizzata su mappa sia la posizione istantanea del sistema UAS che il poligono dell’area inquadrata.
Figura 17 – Step 1 – A sinistra frame video in formato STANAG 4609. A destra viene visualizzata su mappa sia la posizione istantanea del sistema UAS che il poligono dell’area inquadrata.
Figura 18 – Step 2- Per ciascuna annotazione, sia poligonale che puntuale, viene generato un file in formato jason (jsn) esportabile in ambiente GIS.
Figura 18 – Step 2- Per ciascuna annotazione, sia poligonale che puntuale, viene generato un file in formato jason (jsn) esportabile in ambiente GIS.

Gli animali identificati, pertanto, vengono riportati in mappa sia come elementi puntuali che come poligoni (per indicare un’area in cui erano presenti più esemplari).

Qualora alcuni esemplari siano stati identificati su più voli e quindi in momenti temporalmente diversi (t0, t1, t2…), è stato anche possibile tracciarne e misurarne il percorso effettuato (Figura 19).

Pertanto, per ogni missione effettuata, indipendentemente dalla rilevazione della fauna, oltre alla data, ora inizio e fine, potranno essere fornite e rappresentate su base geografica le seguenti informazioni:

  • Traccia del volo.
  • Perimetrazione e misurazione dell’intera area di ripresa.
  • Elementi identificati
  • Spostamenti

Nelle due figure seguenti esempi di rappresentazione delle due campagne di test (Figura 19 20).

Figura 19 – Rappresentazione finale riprese a Goriano Valli
Figura 19 – Rappresentazione finale riprese a Goriano Valli

 

Figura 20 – Rappresentazione finale riprese a Fontecchio dell’aprile 2022. Area coperta 163 Ettari. Per ciascun punto è indicato il numero di individui presenti (totale 15 cervi).
Figura 20 – Rappresentazione finale riprese a Fontecchio dell’aprile 2022. Area coperta 163 Ettari. Per ciascun punto è indicato il numero di individui presenti (totale 15 cervi).

Sulla base dei risultati delle campagne di test è stata pianificata la campagna di censimento 2023 degli ungulati presenti all’interno della Valle Subequana per una estensione complessiva di circa 22.000 ettari.

Figura 21 – Monitoraggio della fauna. In rosso la Valle Subequana oggetto di censimento.
Figura 21 – In rosso la Valle Subequana oggetto di censimento.

I voli sono stati tutti eseguiti nel periodo invernale, gennaio e febbraio, in assenza di illuminazione solare, utilizzando le ADPM Drones PCS (Portable Control Station) equipaggiate con il quadricottero DJI MAVIC 2 ENTERPRISE ADVANCED altezza AGL, le cui caratteristiche sono state descritte in precedenza.

Ogni missione è stata accuratamente pianificata in precedenza da remoto, ottimizzando i punti di decollo, così da ridurre i tempi di esecuzione in situ. Grazie alla PCS l’operatore, avendo tutte le missioni precaricate, ha avuto solo il compito di posizionare il sistema UAS nel punto di decollo predefinito e sostituire le batterie a fine missione.

Tutte le missioni sono state effettuate ad una quota costante di 60m, utilizzando esclusivamente la camera video con inclinazione variabile (Gimball) a secondo della morfologia dell’area da riprendere: 55° rispetto allo zero nelle aree più pianeggianti e 45° in corrispondenza delle aree con forte pendio. Sulla base di questi parametri il piano di volo, di durata compresa tra i 15 e i 20 minuti, è stato pianificato per avere una copertura uniforme dell’intero transetto senza sidelap tra le diverse strisciate.

In questo modo è stato possibile coprire in maniera uniforme tutta l’area con solamente 112 missioni, in sei giorni per un totale di circa 40 ore di volo.

Figura 22 – Ogni poligono nero rappresenta l’area coperta da ogni missione (tra i 150 e i 220 ettari a seconda della morfologia).
Figura 22 – Ogni poligono nero rappresenta l’area coperta da ogni missione (tra i 150 e i 220 ettari a seconda della morfologia).
Figura 23 – Rappresentazione d’insieme di ogni singolo piano volo con i rispettivi punti di decollo.
Figura 23 – Rappresentazione d’insieme di ogni singolo piano volo con i rispettivi punti di decollo.

Al termine della missione ogni video veniva inviato al centro remoto di elaborazione per essere verificato, trasformato nel formato Stanag 4609, secondo la procedura precedentemente descritta. IL video, così trasformato veniva fotointerpretato e, per ogni elemento identificato, creato il relativo file in formato jason (jsn).

Per ciascuna missione e per ogni video è stato riportato in un file xls tutte le informazioni significative: nome della missione, data, ora di inizio e ora di fine, avvistamenti in minuti e secondi da inizio volo, il tipo di target identificato (distinguendo i casi di dubbia interpretazione, che sono comunque risultati essere inferiori al 10%), il Gimball della camera (Figura 24).

Con questa procedura ogni video e ogni elemento fotointerpretato e identificato è correttamente archiviato in un Geodatabase, così da poter essere a disposizione per successive verifiche ed esportazioni.

Figura 24 – Esempio di report di missioni.La rappresentazione finale in ambiente GIS è riportata nella figura seguente (Figura 25)
Figura 24 – Esempio di report di missioni.
La rappresentazione finale in ambiente GIS è riportata nella figura seguente (Figura 25)
Figura 25 – Monitoraggio della fauna. Rappresentazione finale in ambiente GIS
Figura 25 – Rappresentazione finale in ambiente GIS
Figura 26 – Particolare di rappresentazione su GIS della traccia di volo, poligoni con riportato all’interno il numero di animali identificati, elemento puntale (nel caso specifico tutti cervi).
Figura 26 – Particolare di rappresentazione su GIS della traccia di volo, poligoni con riportato all’interno il numero di animali identificati, elemento puntale (nel caso specifico tutti cervi).

Conclusioni

La normativa nazionale richiede il monitoraggio delle popolazioni di fauna selvatica per valutarne la tendenza nel tempo, con l’ISPRA incaricato di questo compito per fini scientifici e gli Enti Parco per motivi gestionali. Tuttavia, negli ultimi anni, le metodologie tradizionali, hanno risentito significativamente della diminuzione delle risorse e del personale disponibili per la raccolta dei dati, con un aumento della dipendenza dal volontariato.

Anche il numero di cacciatori coinvolti nella raccolta dati è diminuito, portando a una carenza di informazioni, specialmente nelle aree protette. Questa situazione ha ampliato la necessità di coinvolgere una più ampia gamma di attori nella raccolta dati e di considerare metodi indiretti e nuove tecnologie e metodologie per stimare lo stato delle popolazioni.

In questo contesto le attività svolte hanno permesso di dimostrare l’affidabilità dell’utilizzo innovativo degli UAS per supportare il Parco e gli Enti preposti nella gestione e monitoraggio della fauna selvatica, nel caso specifico cervi e cinghiali, ma sicuramente estendibile anche ad altri ungulati e/o altre specie.

Un programma di monitoraggio corretto, infatti, deve essere in grado di rilevare e poter confrontare le variazioni nel tempo del parametro misurato e verificare l’efficacia delle azioni di gestione.

Per il censimento di questa tipologia di fauna su aree estese il quadricottero, operato ad una altezza AGL di 60m, si è rivelato la soluzione ottimale in ambiente montano. Per una migliore identificazione dei target, inoltre, il periodo del tardo Autunno e Invernale è preferibile, vista la maggiore escursione termica e la minore copertura vegetativa.

Di assoluta rilevanza, inoltre, si è dimostrata l’applicazione della tecnologia Stanag 4609 anche alle riprese video da UAS, che ha consentito di mettere a punto una nuova metodologia e nuove procedure perfettamente adattabili alle diverse tipologie e finalità di monitoraggio che gli Enti gestori intendono perseguire.

I vantaggi nell’utilizzo di questa tecnologia sono molteplici:

  • precisa georeferenziazione degli animali osservati, permettendo di cartografare la loro distribuzione all’interno del parco.
  • Non si necessita più di riprese fotogrammetriche per ottenere le stesse informazioni georeferenziate, quindi maggiore rapidità nel processo di rilevamento, elemento fondamentale, soprattutto nel caso di target in movimento, per:
    • la riduzione del rischio dei conteggi multipli, in quanto non solo si riescono a coprire velocemente, in modo uniforme e completo, vaste aree (circa 200 ettari in poco più di 10 minuti), ma anche perché i target identificati e contrassegnati, grazie alle funzionalità del sw di fotointerpretazione, rimangono visibili a video eliminando così il rischio di doppie marcature.
    • La diminuzione dei costi. A parità di tempi di volo per singola missione la produttività è più alta (a parità di quota di volo di almeno 1 a 15).
  • L’applicabilità di questa procedura alle riprese con smartphone facilita ed efficienta il coinvolgimento dei visitatori in progetti di “Citizen science”, in cui il pubblico contribuisce alla raccolta di dati scientifici.
  • Ampliamento dei casi d’uso. Oltre al censimento della fauna, l’efficientamento del processo, si applica al controllo dei danni in agricoltura, alla videosorveglianza, al controllo degli incendi…

L’utilizzo dell’architettura di comunicazione unificata ha permesso di gettare le basi per un uso più efficiente e diversificato di queste tecnologie.

Infatti, sulla base dell’analisi dei risultati di questa prima campagna di test è possibile identificare le aree di maggiore interesse, per presenza e/o concentrazione di fauna, da attenzionare e monitorare con maggiore continuità. In questo modo la soluzione più efficace risulta essere l’AVIORYM. Un solo DIAB, infatti, può tenere sotto controllo giornalmente e in maniera continuativa un’area circolare fino a 10.000 ettari, con l’eliminazione dei costi missione e semplificazione delle procedure autorizzative con gli Enti regolamentatori.

AVIORYM grazie alle sue funzionalità di:

  • apertura e chiusura automatica all’arrivo o alla partenza del sistema UAS;
  • ricarica automatica degli UAS (alimentati elettricamente);
  • storage sicuro del sistema UAS, al riparo da eventi atmosferici;
  • analisi delle condizioni atmosferiche per determinare autonomamente se adatte o meno al volo;

potrà, a regime, essere operato in tre modalità:

  • controllato da remoto in tempo reale: l’operatore, dalla centrale operativa, impartisce istruzioni all’AVIORYM tramite interfaccia web.
  • Con missioni pre-programmate: è possibile tramite interfaccia web schedulare missioni per hangar con cadenza personalizzabile
  • Autonomamente: quando collegato a dei sensori, AVIORYM può attivarsi autonomamente al verificarsi di alcune condizioni. Nello specifico potrebbe essere utilizzato per interagire con eventuali collari installati sugli animali per verificare, ad esempio, lo sconfinamento rispetto ad un’area prefissata.

L’implementazione dell’AVIORYM come soluzione per il monitoraggio continuo delle aree di maggiore interesse rappresenta un passo significativo verso una gestione più efficiente e autonoma del territorio Parco.

Il censimento effettuato nella Valle Subequana oltre a costituire il punto di partenza e confronto (t0) per i rilevamenti futuri, è assolutamente estendibile e replicabile ad altre aree del Parco e ad altre specie (ad es. il camoscio nell’area del Monte Sirente).

In conclusione, le evidenze raccolte confermano il valore e l’efficacia delle tecnologie implementate nel progetto, aprendo nuove prospettive per il monitoraggio e la gestione della biodiversità all’interno del Parco, superando la sfida principale di produrre una quantificazione accurata della popolazione con un minimo dispendio delle risorse disponibili ed un minor impatto antropico.

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Ringraziamenti

Si ringrazia per la collaborazione il Dott. Nicolò Fattorini dell’Università di Siena

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