Новое исследование: потепление морей негативно влияет на скопления белух

До недавнего времени технологические ограничения затрудняли изучение поведения белух при образовании скоплений. В условиях быстрого роста температуры поверхности моря из-за изменения климата такие исследования становятся приоритетными и требуют методов, обеспечивающих полный и точный сбор данных.

Исследователи из Университетов Кадиса, Аликанте и Леона (Испания) применили сверточные нейронные сети (CNN) для анализа открытых спутниковых снимков арктических районов Канады, России и Аляски (США). Цели: достоверно идентифицировать присутствие белух, сравнить температуру поверхности моря (SST) с характером их скоплений и, на основе данных Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), смоделировать три сценария репрезентативных траекторий концентрации (RCP) до конца XXI века.

Исследование опубликовано в Frontiers in Marine Science.

По оценке МСОП 2017 года белухи (Delphinapterus leucas) имеют статус сохранности "Вызывающие наименьшее опасение". Однако эти киты обитают в изолированных арктических водах и зависят от морского льда: он защищает их от косаток, а растущие на льду водоросли привлекают рыбу — основу их рациона. Исследование 2020 года показало, что летний арктический лед может полностью исчезнуть до конца века.

Ранее для изучения китообразных использовались дорогостоящие и трудоемкие аэрофотосъемки с ограниченным охватом. Точность моделей распределения видов (SDMs), созданных таким способом, быстро устаревает в условиях стремительного потепления. Использование только спутниковых снимков, начатое в конце XX века, также оказалось недостаточно точным для исследований морских млекопитающих.

Спутниковые снимки и глубокая нейросеть

Исследователи использовали высокодетальные спутниковые снимки (разрешение <1 м/пиксель) арктического побережья, сделанные с 2007 по 2020 год. Они обучили модель глубокой CNN распознавать белух на наборе из 1400 свободных изображений с Google Earth и Mapbox (половина — белухи, половина — айсберги).

Объем обучающих данных увеличили за счет случайного отражения, поворота (на 0–360°), кадрирования, а также изменения масштаба и яркости изображений. После тестирования модель дообучили на 700 аэрофотоснимках, где каждая белуха была размечена ограничивающей рамкой (всего 846 рамок).

Два исследователя визуально оценивали и аннотировали каждое изображение, указывая класс (айсберг или кит) и количество китов, сверяясь с данными сайтов наблюдения за китами. Сравнение снимков одной локации в разные даты помогло отличить белух от морского дна. Это было важно для последующей оценки точности модели.

Модель применили к снимкам с высокой вероятностью присутствия китов для их обнаружения, подсчета в заданных ячейках сетки и анализа паттернов скоплений. Однако айсберги создали проблему.

"К сожалению, в районах с айсбергами, схожими по размеру с белухами, точность моделей была невысокой (<50%), и изображения пришлось фотодешифрировать для ручного обнаружения белух", — отмечают исследователи.

Всего команда обнаружила 1980 белух в составе 11 скоплений в конкретных арктических районах Канады, России и США; шесть из этих скоплений были выявлены с помощью спутниковых снимков и модели глубокого обучения.

Была подтверждена "значимая связь" между скоплениями белух и температурой поверхности моря, указывающая на большее число скоплений в более холодных водах.

Отмечая рост средних значений SST в этих районах за последние десятилетия, авторы пишут: "Наши результаты показали, что SST, согласно трем сценариям, вырастет как минимум на один градус до 2050 года, а с 2050 по 2100 год — на 1,5°–3° C в зависимости от сценария RCP, причем северные районы окажутся наиболее затронутыми во всех трех сценариях".

Выводы и перспективы

Для улучшения процесса обнаружения китов команда отмечает, что из-за низкого пространственного разрешения доступных снимков (белухи имеют длину около 5 метров) автоматизация потребует новых стратегий, например, фокусировки на идентификации групп, а не отдельных особей. Отдельную особь легко спутать с айсбергом из-за цвета, формы и размера.

Исследователи также обсуждают изменения ледового режима: во многих районах лед теперь отступает раньше и наступает позже, чем десятилетия назад. На основе данных отчета IPCC 2021 года в новом исследовании прогнозируется, что в районах 11 обнаруженных скоплений белуг температура воды к концу века может повыситься до 3° C.

"Это, в свою очередь, может сместить их распределение в сторону более прохладных южных районов, что приведет к перекрытию со смещающимся на север ареалом других видов морских млекопитающих, усилению конкуренции за среду обитания и ресурсы или даже к резкому сокращению популяции в зависимости от способности видов адаптироваться к новым климатическим сценариям", — пишет команда.

"В этих условиях мы рекомендуем незамедлительное и глобальное сокращение выбросов газов и защиту территорий обитания белух от морского трафика, если мы хотим сохранить этот уязвимый вид", — заключают они.