MONICA


 

 

Novel approach to monitoring the impact of climate change on Antarctic ecosystems.
Acronim: MONICA - ID: 197810

 

Podsumowanie
Głównym celem projektu była ocean wpływu zmian klimatycznych na bioróżnorodność i ekosystemy Antarktyki. Zachodnia część Półwyspu Antarktycznego jest jednym z najszybciej ocieplających się obszarów na Ziemi. Przemiany w antarktycznych ekosystemach morskich i lądowych wpływają m.in. na zmiany w liczebności populacji ptaków i ssaków morskich, tzw. gatunków wskaźnikowych, a także na zmiany w zbiorowiskach roślin, które są ważnym ekologicznym bioindykatorem. W projekcie zbierano dane geoprzestrzenne z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych (BSP). W celu monitorowania efektów zmian klimatycznych na Wyspie Króla Jerzego (Szetlandy Południowe, rejon Półwyspu Antarktycznego) oszacowano liczebność i zlokalizowano populacje ssaków płetwonogich i pingwinów, zmapowano roślinne zbiorowiska lądowe, określono zmiany w zasięgu lodowców. Wykonano mapy i porównano je z danymi historycznymi. W projekcie wykorzystano BSP zarówno komercyjne, jak i zaprojektowane specjalnie na do pracy w rejonach polarnych przez specjalistów z Politechniki Warszawskiej. Integralną częścią projektu było opracowanie metody przetwarzania danych wielospektralnych uzyskanych z wykorzystaniem różnych sensorów zamontowanych na różnych typach BSP. Opracowanie danych odbywało się z wykorzystaniem algorytmów używanych w teledetekcji fotogrametrycznej, jak i autorskich metod. Opracowano unikalny system monitoringu obszarów polarnych, który może być zaadoptowany również do prowadzenia długoterminowych obserwacji w innych ekstremalnych środowiskach.


Instytucja Wiodąca
Instytut Biochemii i Biofizyki, Polskiej Akademii Nauk

 

Partnerzy
- Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej
- Northern Research Institute Tromsø, NORUT

Lider projektu:
dr inż. hab. Katarzyna J. Chwedorzewska (kchwedorzewska@ibb.waw.pl)

Obszary działalności naukowej i administracyjnej w projekcie podzielone na następujące pakiety robocze::

WP 1: Zarządzanie projektem
dr inż. Anna Zmarz (azmarz@uw.edu.pl)

WP 2: Wykorzystanie samolotów bezzałogowych do pozyskiwania danych
Profesor dr inż hab. Mirosław Rodzewicz (miro@meil.pw.edu.pl)

WP 3: Wpływ zmian klimatycznych na faunę
dr inż. Małgorzata Korczak-Abshire (mka@ibb.waw.pl)

WP 4: Wpływ zmian klimatycznych na florę
dr Stein Rune Karlsen (Stein-Rune.Karlsen@norut.no)

Osiągnięcie głównych celów odbyło się wieloetapowo:

  • Adaptacja samolotów bezzałogowych do pracy w warunkach polarnych i wyposażenie ich w odpowiednie sensory,
  • Zebranie danych fotogrametrycznych przy pomocy BSP z trudno dostępnych obszarów Wyspy Króla Jerzego,
  • Opracowanie danych fotogrametrycznych i określenie na ich podstawie rozmieszczenia i liczebności populacji i gatunków wskaźnikowych,
  • Opracowanie danych fotogrametrycznych i sporządzenie na ich podstawie map rozmieszczenia zbiorowisk roślinnych,
  • Porównanie danych archiwalnych z materiałem fotogrametrycznym i określenie na tej podstawie wpływu zmian klimatycznych na kluczowe elementy lądowych ekosystemów Wyspy Króla Jerzego.


METODY
Do zadań zdefiniowanych w projekcie wykorzystano cztery modele samolotów bezzałogowych: CryoWingMk1 i PW-ZOOM (model zaprojektowany przez Politechnikę Warszawską na potrzeby realizacji projektu) z napędem spalinowym oraz X-8
i Cryowing Scout z napędem elektrycznym, wyposażone w autopilota oraz aparaty cyfrowe:

  • Nikon D5100 digital SLR, obiektyw Nikon 35mm f/1.8,
  • Canon 700D digital SLR , obiektyw Canon 35mm f/2.0
  • Kamerę na podczerwień ICI 7640 LWIR.

Samoloty bezzałogowe Cryowing Scout i PW-ZOOM, wykorzystane do pozyskania materiału do badań flory wyposażono w:

  • Canon PowerShot SX260 z czujnikiem NIR
  • Canon T5i 700D Blue-Green-NIR
  • Kamerę hiperspektralną (Rikola), zakres widma 500-900 nm.

W ciągu trzech sezonów badawczych (2014/15, 2015/16 i 2016/17) zrealizowano misje fotogrametryczne w dwóch Antarktycznych Obszarach Szczególnie Chronionych (ASPA): nr 128 - Zachodnie Wybrzeże Zatoki Admiralicji (ASPA 128) i nr 151 - Lions Rump (ASPA 151), zlokalizowanych na Wyspie Króla Jerzego oraz na Wyspie Pingwiniej (Szetlandy Południowe, Antarktyka Zachodnia). Loty w zasięgu wzroku (VLOS – Visual Line of Sight) oraz poza zasięgiem wzroku (BVLOS – Beyond Visual Line of Sight) realizowano od listopada do stycznia.

 

Fig. 1 UAV-platform PW-ZOOM.

 

Fig. 2 UAV-platform CryoWing.

 

 

WYNIKI
Na podstawie uzyskanych danych wyznaczono lokalizacje i oszacowano liczbę gniazd trzech gatunków pingwinów Pygoscelis: białookich (Pygoscelis adeliae), białobrewych (P. papua) i maskowych (P. antarcticus), w sumie ok. 30 000 gniazd w dwunastu koloniach lęgowych. Wyniki zestawiono z danymi historycznymi oraz przeprowadzono analizę zmian w wielkości populacji tych ptaków na obszarach badawczych. Zaobserwowano różne trendy dla każdego z badanych gatunków. W ciągu ostatnich czterech dekad populacje lęgowe pingwinów białookich oraz maskowych wykazały silne tendencje spadkowe, natomiast populacja pingwinów białobrewych w tym samym okresie zwiększyła swoją liczebność. Zaobserwowane zmiany w wielkości populacji znalazły odzwierciedlenie w przestrzennej i geograficznej dystrybucji gniazd. Nasze obserwacje stanowią potwierdzenie tendencji dla populacji badanych gatunków w całym zachodnim regionie Półwyspu Antarktycznego. Zmiany w długości okresu występowania i zasięgu zimowej morskiej pokrywy lodowej powodują ograniczony dostęp do kryla, głównego źródła pokarmu dla pingwinów białookich i maskowych, a także, choć w mniejszym stopniu, dla pingwinów białobrewych. Ograniczenie głównego źródła pożywienia w znacznej mierze wpływa na niską przeżywalność osobników młodocianych, których przetrwanie pierwszego sezonu zimowego uzależnione jest od szybkiego dostępu do zasobów pokarmowych.
Na podstawie uzyskanych obrazów opracowano metody mapowania roślinności zarówno na obszarach gęsto porośniętych, jak i na obszarach słabo pokrytych roślinnością. Badania wykazały, że na terenach skąpo pokrytych roślinnością, takich jak przedpola cofających się lodowców, zastosowanie sensorów NDVI o ultra-wysokiej rozdzielczości jest metodą pozwalającą osiągnąć zadowalające wyniki. Natomiast w przypadku obszarów gęsto pokrytych roślinnością wymagane jest zastosowanie sensorów o wysokiej rozdzielczości widmowej. Dwa najczęściej występujące na tych terenach gatunki, trawa Deschampsia antarctica i mech Sanionia unicinata, mają podobne właściwości spektralne i można je odróżnić tylko z zastosowaniem sensorów hiperspektralnych w wąskim paśmie zieleni. Nowo opracowane mapy zostaną zestawione z danymi historycznymi. Będą stanowić podstawę do badań zmian pokrywy roślinnej na przestrzeni lat. Ponadto będą służyć, jako podstawa do dalszych badań takich jak szacowanie biomasy roślinności.
Podczas realizacji zadań badawczych polsko-norweski zespół wykonał w sumie 32 loty, w czasie 40 godzin i 56 minut, o łącznym dystansie 3963,42 km. Loty realizowane na wysokości od 350 do 550 m nad poziomem gruntu pozwoliły na uzyskanie zdjęć RGB o rozdzielczości terenowej od 4 do 6 cm i zdjęć w bliskiej podczerwieni o rozdzielczości 40 cm. Powierzchnia, nad którą wykonano loty fotogrametryczne z wykorzystaniem bezzałogowych samolotów wyniosła 34,51 km2.
Zastosowanie bezzałogowych samolotów do realizacji celów monitorowania populacji ssaków płetwonogich i pingwinów oraz identyfikacji i klasyfikacji zbiorowisk flory antarktycznej usprawniło proces i skróciło czas wykonania obserwacji. Ponadto przyczyniło się do poprawy warunków bezpieczeństwa, pozwoliło na objęcie badaniami obszarów do tej pory niedostępnych oraz poprawiło precyzję obserwacji i poszerzyło zakres zbieranych danych. Zastosowanie odpowiednich metod opartych na wykorzystaniu bezzałogowych samolotów może znacznie zmniejszyć stres środowiskowy, np. niepokojenie zwierząt czy wydeptywanie roślinności.

 

Działania popularyzacyjne:

 

  1. Zmarz A. , Korczak- Abshire M., Chwedorzewska K. 2015 UAV Antarctic Survey. Academia PAN 1 (45) 2015.
  2. Zmarz A., Korczak-Abshire M., Chwedorzewska K. 2015 Morze widziane z nieba (Sea seen from the sky). 2015. ACADEMIA magazyn PAN 1(41): 48-49.
  3. K. Chwedorzewska, M. Korczak- Abshire, R. Rodzewicz, A. Zmarz . Policzyć pingwiny!  (count penguins) http://www.instytucja.pan.pl/index.php/wydziay/wydzia-ii/aktualnoci-wydz...
  4.  Mapy z pingwinem w tle, czyli powrót z tarczą (Maps with penguin in the background, that is back with a shield) prof. Mirosława Rodzewicza. Koptoń-Ryniec I., Biuletyn Politechniki Warszawskiej. Biuletyn Politechniki Warszawskiej. https://www.biuletyn.pw.edu.pl/Nauka-i-Dydaktyka/Nauka/Mapy-z-pingwinem-...
  5. Walkiewicz W. "Drony nad pingwiniskiem". (Drons over the penguine colony)POLITYKA Nr 32, 2015
  6. M. Korczak-Abshire "Antarktyka kraina pingwinów" (Antarctic-penguin land) Wystąpienie multimedialne dla dzieci z klas II Szkoły Podstawowej (primery school lesson) Zespołu Szkolno-Przedszkolnego im. Mikołaja Kopernika, 27.02.2015, Nowa Wieś, ul. Główna 96, 05-806 Komorów.
  7. Korczak-Abshire M. "Monitoring gatunków wskaźnikowych w Antarktyce - metody pozyskiwania danych przestrzennych"(Inditactir species monitoring In Antarctic-methods of geospatial data obataining). Wykłady dla studentów 2-go roku, pierwszego stopnia, Licencjat - geoinformatyka (8 godz.) w ramach przedmiotu "Źródła i metody pozyskiwania danych przestrzennych", 20.05.2015, 27.05.2015, 04.05.2016, 11.05.2016, Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Zakład Geoinformatyki, Kartografii i Teledetekcji, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa. (Lecture for students)
  8. Rodzewicz M., Zmarz A. Projekt MONICA-pierwsza polsko-norweska misja fotogrametryczna na Antarktyce (Project MONICA-first Polish – Norwegian photogrmetric mission in Antarctica). Wystawa krajowa (National exhibition) „Na skrzydłach czasu-ludzie i konstrukcje lotnicze Politechniki Warszawskiej, 13-14 May 2015, Warsaw, Poland.
  9. Goraj Z., Rodzewicz M. „Przeciwdziałanie zagrożeniom powstałym w wyniku bezprawnego i celowego użycia bezzałogowych platform mobilnych”( Counteracting the threats posed by the unlawful and deliberate use of unmanned mobile platforms) Ministerstwo Spraw Wewnętrznych (Ministry of Interior and Administration). Muzeum Wojska Polskiego, 12.06.2015, Warsaw, Poland.
  10. Zmarz A., Janas C., Korczak-Abshire M. Radio RDC. Audycja radiowa "Świątek piątek: liczenie pingwinów przy pomocy drona", (Friday-Holiday: Counting penguins with drones) ul. Myśliwiecka 3,5,9, Warszawa,25.09.2015.
  11. Korczak-Abshire M. "Monitoring gatunków wskaźnikowych w Antarktyce - metody i techniki naziemnych badań teledetekcyjnych". Wykłady dla studentów 2-go roku, drugiego stopnia, Specjalizacja: geoinformatyka, kartografia, teledetekcja (4 godz.), w ramach przedmiotu "Metody i techniki naziemnych badań teledetekcyjnych", 19.10.2015, Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Zakład Geoinformatyki, Kartografii i Teledetekcji, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa.
  12. Chwedorzewska K.J. Po co liczymy pingwiny?. (Why penguins count?) Polskie Radio (Poilsh Radio) 24, Audycja radiowa "Czas na naukę"(Time for Science), 19.11.2015.
  13. Chwedorzewska K.J., Korczak-Abshire M., Zmarz A. 2016. „Klimat a ekosystemy lądowe morskiej Antarktyki - niespokojnie nad lodami” (Climate versus terrestrial ecosystems of maritime Antartcic). Academia 47(3): 54-56.
  14. Projekt Scientix – (Primery school online lesson) Lekcje prowadzone on-line z Polskiej Stacji Antarktycznej im. H. Arctowskiego w ramach współpracy z dr Agatą Goździk z Instytutu Geofizyki PAN:
    •    9.03.2016 "Co to jest: czarno-białe i lubi zimną wodę?"(what is bleck and like cold water) D. Bożek-Andryszczak, Klasy I-III szkoła podstawowa (Primery school online lesson)) 260: https://youtu.be/8mgeozeNy1g
    •    16.03.2016 "Polscy naukowcy w Antarktyce" (Polish scientists In Antarctica) J. Sziło, Gimnazjum i liceum 44: https://www.youtube.com/watch?v=_EhqENquLbw
    •    30.03.2016 "Polska Stacja Antarktyczna im. Henryka Arctowskiego - kawałek Polski w Antarktyce" (Polish Antarctic Station-Henryk Arctowski – a pice of Poland In Antarctic) D. Bożek-Andryszczak,    Klasy IV-VI szkoła podstawowa 168: https://www.youtube.com/watch?v=YWRZ5IW1YCA
  15. M. Korczak-Abshire Prezentacja multimedialna (1,5h) pt. "Polska Stacja Antarktyczna im. H. Arctowskiego"(Polish Antarctic Station H. Arctowski-primery school classes) dla uczniów klasy VII, w dniu 23.03.2016., Zespołu Szkół nr 46 Gimnazjum nr 86 ul. Thommeego 1, Bemowo, Warszawa.
  16. Korczak-Abshire M. Gość ekspert. "ANTARKTIKA" - Multimedia exhibition -Antarctic) Wojciecha Walkiewicza. Noc Muzeów, Galeria Sztuki "Po Prawej Stronie Wisły" Konopacka 15/1A, Warszawa, 14.05.2016 r.
  17. Korczak-Abshire M. "Nowoczesne metody badań ekosystemów Antarktyki"(Modern methods in Antarctic ecosystems survey). Polskiego Radia Program Czwarty. Redaktor Justyna Majchrzak, 16.05.2016 r.
  18. Korczak-Abshire M. "Polska Stacja Antarktyczna - badania, wyniki, rozwiązania"(Polish Antarctic Station-research, results, solutions). Światowy Dzień Oceanów 2016, ul. Zaruskiego (Port Czerniakowski), Warszawa, 05.06.2016 r.
  19. Chwedorzewska K.J. „MONICA - zakończenie sezonu monitoringu pingwinów”(First season of penguine monitoring). Program Pierwszy Polskiego Radia, Audycja radiowa "Eureca" 09.06.2016.
  20. Chwedorzewska K.J. „Spadek liczebności populacji pingwinów białookich w zachodniej Antarktyce”( Decline in the number of penguin populations in West Antarctica). Audycja radiowa "Eureca" Program Pierwszy Polskiego Radia 05.07.2016.
  21. Zmarz A., Korczak-Abshire M. "Projekt MONICA - wywiad" (Project MONICA- interview) Polskie Radio 24, Audycja radiowa "Czas na Naukę", 22.09.2016 r.
  22. Galera H., Chwedorzewska K.J., Zmarz A. Antarktyka - tam, gdzie pingwiny mówią dobranoc. (Antarctica - where penguins said goodnight.) Uniwersytet Warszawski. Noc biologów (biologists night). 17 stycznia 2017.
  23. Projekt EDUSCIENCE - Lekcje prowadzone on-line z Polskiej Stacji Antarktycznej im. H. Arctowskiego w ramach współpracy (Online les sons from Polish Antarctic Station): 
    •    23.03.2017 Kiwi Antarktyki – czyli o pingwinach słów kilka (Antarctic Quivi – penguin in few words) D. Bloch-Lewandowska, E. Przepiórka: http://www.eduscience.pl/artyku%C5%82y/zapraszamy-na-kolejne-lekcje-z-an... •    24.03.2017,  Życie i praca na Polskiej Stacji Antarktycznej – kim jesteśmy, co robimy, gdzie mieszkamy? ( Life and work at the Polish Antarctic Station - who we are, what we do, where we live) D. Bloch-Lewandowska,D.Czajka:http://www.eduscience.pl/artyku%C5%82y/zapraszamy-na-kolejne-lekcje-z-antarktyki
  24. Galera H. "Antarktyka - przygoda życia dla biologów... i nie tylko!" (Antarctica- adventure, not Orly for biologists). Uniwersytet Warszawski. Dzień Otwarty Kampusu Ochota, 08.04.2017 r.
  25. Chwedorzewska K.J. Wywiad (Interview about MONICA project) dla OtokoClub.pl 07.04.2017.

 

Publikacje:


  1. Hajduk J., Rodzewicz M., Głowacki D.
    Projektowanie tras fotogrametrycznych samolotu bezzałogowego w aspekcie jego właściwości dynamicznych. (Planning of photogrametry flight-tracks of the UAV with consideration of its dynamic properties)
    Mechanika w Lotnictwie T I / Sibilski Krzysztof (red.), 2014, Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, ISBN 978-83-932107-3-2: 175-188.
  2. Goraj Z., Rodzewicz M.   
    Krytyczne technologie i najważniejsze programy badawcze w lotnictwie bezzałogowym. (Critical technologies and major research programs in unmanned aviation)
    Przeciwdziałanie zagrożeniom powstałym w wyniku bezprawnego i celowego użycia bezzałogowych platform mobilnych" (red.) J. Cymerski i K. Wiciak, Wydz. Wydawnictw i Poligrafii Wyższej Szkoły Policji w Szczytnie 2015, ISBN 978-83-7462-472-5, str. 289 - 311.
  3. Zmarz A., Korczak-Abshire, M., Storvold R., Rodzewicz M, Kędzierska I.   
    Indicator species population monitoring in Antarctica with UAV.   
    ISPRS-International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences
  4. Gryz P., Korczak-Abshire M., Gerlée A.
    First record of the Austral Negrito (Aves: Passeriformes) from the South Shetlands, Antarctica.   
    Polish Polar Research 36 (3): 297-304. doi: 10.1515/popore−2015−0018
  5. Goetzendorf-Grabowski T., Rodzewicz M. Design of UAV for photogrammetric mission in Antarctic area
    Conference paper: 5th CEAS Air & Space Conference, At Delft, no.21: 1-11.
  6. Głowacki Dl, Hajduk C., Rodzewicz M.
    Methods of flight-path planning for UAV photogrammetry missions with consideration of aircraft dynamic properties
    Conference paper: 5th CEAS Air & Space Conference, At Delft no.23: 1-14.
  7. Korczak-Abshire, M., A. Kidawa, A. Zmarz, R. Storvold, S.R. Karlsen, M. Rodzewicz, K. Chwedorzewska, A. Znój.
    Preliminary study on nesting Adélie penguins disturbance by unmanned aerial vehicles
    CCAMLR Science 2016, 23: 1-16.
  8. Goetzendorf-Grabowski T., Rodzewicz M.
    Design of UAV for photogrammetric mission in Antarctic area. Challenges in European Aerospace.
    Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering 1-16. Doi:10.1177/0954410016656881
  9. Dąbski M., Zmarz A., Pabjanek P., Korczak-Abshire M., Karsznia I., Chwedorzewska K.J.
    UAV-based detection and spatial analyses of periglacial landforms on Demay Point (King George Island, South Shetland Islands, Antarctica).
    Geomorphology 290: 29-38. DOI: 10.1016/j.geomorph.2017.03.033
  10. Sierakowski K, Korczak-Abshire M, Jadwiszczak P.
    Changes in bird communities of Admiralty Bay, King George Island (West Antarctica): insights from monitoring data (1977-1996).   
    Polish Polar Research, 38(2): 231–269., doi: 10.1515/popore-2017-0010.
  11. Rodzewicz M., Głowacki D., Hajduk J.
    Some dynamic aspects of photogrammetry missions performed by “PW-ZOOM” – the UAV of Warsaw University of Technology.
    Archive of Mechanical Engineering LXIV (1) doi: 10.1515/meceng-2017-0003
  12. Korczak-Abshire M., Zmarz A., Rodzewicz M., Kycko M., Karsznia I., Chwedorzewska K. J. 2018. Study of fauna population changes on Penguin Island and Turret Point Oasis (King George Island, Antarctica) using Unmanned Aerial Vehicle. Polar Biology. DOI: 10.1007/s00300-018-2379-1
  13. Rodzewicz M., Goraj Z., Tomaszewski A. 2018 Design and testing of three tailless unmanned aerial vehicle configurations built for surveillance in Antarctic environment. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering. DOI: 10.1177/0954410018797855
  14. Zmarz A., Rodzewicz M., Dąbski M., Karsznia I., Korczak-Abshire M., Chwedorzewska K. J. 2018. Application of UAV BVLOS remote sensing data for multi-faceted analysis of Antarctic ecosystem. Remote Sensing of Environment 217:375-388. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.08.031

 

 




A novel approach to monitoring the impact of climate change on Antarctic ecosystems.

Acronim: MONICA - ID: 197810

 

Summary:

The main goal of the project is to study impact of climate change on Antarctic ecosystem and biodiversity. The Western Antarctic Peninsula (WAP) is exhibiting rapid regional warming. The study area on King George Island is located in the WAP region. Therefore the climate change poses a new challenge to the survival of Antarctic wildlife. Changes in land and marine ecosystems of the Antarctica result in changes of the range and abundance of the birds and marine mammals, as well as distribution of vascular plants which are an important ecological bioindicators. This project utilizes Unmanned Aerial Vehicles (UAV) to collect baseline geospatial environmental data, which will be used to monitor climate change effects. In particular, we will study selected impacts of climate change on ecosystems and biodiversity, by quantifications of seal, penguin populations, flora distribution and glacier retreats. With the UAV-data we also develop high resolution vegetation maps and study changes in vegetation cover from previous mappings, and we will map new vegetation where glaciers have retreated. Maps demonstrating distribution and condition of biotic and abiotic environmental components will be created. Data collection will take place using UAVs recording data in multiple spectral ranges. An integral part of the study will include developing methods for processing digital multispectral images from various types of sensors carried by the UAVs. Data processing will be based on remote sensing algorithms used on the aerial photogrammetric material as well as on author’s own ground based methods developed by scientists participating in the project. Using these methods will allow future collection of photogrammetric material without the need to conduct additional ground measurements. All ecosystem changes studied will be related to changes in climate, and the work will lead to a unique UAV-based polar monitoring system, which can be adapted to other polar areas as well.


Project Promotor:
Institute of Biochemistry and Biophysics Polish Academy of Sciences

Project Partners:
- Warsaw University of Technology, Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
- Northern Research Institute Tromsø, NORUT

Principal Investigator:
Ph.D. D.Sc. K. J. Chwedorzewska (kchwedorzewska@ibb.waw.pl)

Work Packages:
WP number 1: Project management
WP leader: Ph. D. Anna Zmarz (azmarz@uw.edu.pl)
Start date 2013; End date 2016

WP number 2: Use of UAV to collect data
WP leader: Ph.D. D.Sc. Mirosław Rodzewicz (miro@meil.pw.edu.pl)
Start date 2013; End date 2016

WP number 3: Climate change impact on fauna
WP leader: Ph.D. Małgorzata Korczak-Abshire (mka@ibb.waw.pl)
Start date 2013; End date 2016

WP number 4: Climate change impact on flora
WP leader: Ph.D. Stein Rune Karlsen (Stein-Rune.Karlsen@norut.no)
Start date 2013; End date 2016

To fulfill the project main goals the sub-objectives are following:

  • adapt UAVs, equipped with advanced sensors, to the maritime Antarctic climate,
  • use UAVs to collect environmental data, also in the barely accessible areas on the King Georg Island,
  • use of the UAV data and other environmental data to study how climate change influences dynamics (population size, nesting sites distribution) of Pygoscelis penguin and pinniped populations dynamics (population size and distribution),
  • use of the UAV data and other environmental data to study how climate change influences dynamics of vegetation in the forefields of retreating glaciers and onmoraines of different ages.

For Antarctic missions existing UAV-platform CryoWing (Norwegian) and specially designed and manufactured PW-ZOOM plane (Polish) were used in the first season of project implementation. Both were adapted for operation in Polar Regions. Progress of work included: an adaptation of systems to detect icing conditions, as well as avoid carburetor icing, keep battery performance, land and takeoff under severe weather conditions were done. Operational procedures and maintenance procedures were adjusted. A thorough analysis of aircraft and operational procedures were done, integration and using unmanned aircraft were equipped with automatic control systems.
Norwegian and PW partners have designed modifications of the platform, and, equip it with high-resolution digital cameras and multispectral sensors, which were tested in low temperature environment. Flight tests were conducted. Integration of autopilots with flying platforms and optimization of UAVs: CryoWing (Norut) and ZOOM (PW) were performed. Norut has designed and flown a multicarrier communication system adapted to collect data and keep the combination of a satellite and UHF data links up for command and control as well as quality assurance and real time data monitoring.

 

Fig. 1 UAV-platform PW-ZOOM.

 
 
Fig. 2 UAV-platform CryoWing.

During the first Antarctic expedition all prepared UAV-platforms were used to collect data. The Polish-Norwegian team did 8 flights with a total distance of about 1500 km, in the time frame from 11 Nov to 6 Dec 2014. The image data was captured from an altitude of 350 - 400 meters above sea level and covered the coast lines and hatching areas along the coasts of King George Island. The ground resolution for the visible camera was approximately 5 cm (Figure 3) and infrared camera 40 cm. Images of this GSD allowed to locate and estimate the number of nests of Adélie, gentoo and chinstrap penguins (indicator species) and the size of pinniped populations from the breeding, resting and molting areas on the King George Island in Antarctic Specially Protected Area (ASPA) No. 128 Western Shore of Admiralty Bay and ASPA No 151 Lions Rump.


Fig.3 The image of ASPA 151 penguin colony with visible two species breeding groups, an example of results.


Fig.4. An example of penguin and pinniped populations size and distribution identification. Data collected  by  UAV.

Penguin and pinniped populations size and distribution mapping was performed. Analysis included a comparison of digital data with the data acquired from ground-based measurements.

 


Fig. 5. Ground censuses of penguin nests according to CEMP standard methods.

 

PRESENTATION

 

Pupularisation of knoeledge:

 

  1. Zmarz A. , Korczak- Abshire M., Chwedorzewska K. 2015 UAV Antarctic Survey. Academia PAN 1 (45) 2015.
  2. Zmarz A., Korczak-Abshire M., Chwedorzewska K. 2015 Morze widziane z nieba (Sea seen from the sky). 2015. ACADEMIA magazyn PAN 1(41): 48-49.
  3. K. Chwedorzewska, M. Korczak- Abshire, R. Rodzewicz, A. Zmarz . Policzyć pingwiny!  (count penguins) http://www.instytucja.pan.pl/index.php/wydziay/wydzia-ii/aktualnoci-wydz...
  4.  Mapy z pingwinem w tle, czyli powrót z tarczą (Maps with penguin in the background, that is back with a shield) prof. Mirosława Rodzewicza. Koptoń-Ryniec I., Biuletyn Politechniki Warszawskiej. Biuletyn Politechniki Warszawskiej. https://www.biuletyn.pw.edu.pl/Nauka-i-Dydaktyka/Nauka/Mapy-z-pingwinem-...
  5. Walkiewicz W. "Drony nad pingwiniskiem". (Drons over the penguine colony)POLITYKA Nr 32, 2015
  6. M. Korczak-Abshire "Antarktyka kraina pingwinów" (Antarctic-penguin land) Wystąpienie multimedialne dla dzieci z klas II Szkoły Podstawowej (primery school lesson) Zespołu Szkolno-Przedszkolnego im. Mikołaja Kopernika, 27.02.2015, Nowa Wieś, ul. Główna 96, 05-806 Komorów.
  7. Korczak-Abshire M. "Monitoring gatunków wskaźnikowych w Antarktyce - metody pozyskiwania danych przestrzennych"(Inditactir species monitoring In Antarctic-methods of geospatial data obataining). Wykłady dla studentów 2-go roku, pierwszego stopnia, Licencjat - geoinformatyka (8 godz.) w ramach przedmiotu "Źródła i metody pozyskiwania danych przestrzennych", 20.05.2015, 27.05.2015, 04.05.2016, 11.05.2016, Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Zakład Geoinformatyki, Kartografii i Teledetekcji, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa. (Lecture for students)
  8. Rodzewicz M., Zmarz A. Projekt MONICA-pierwsza polsko-norweska misja fotogrametryczna na Antarktyce (Project MONICA-first Polish – Norwegian photogrmetric mission in Antarctica). Wystawa krajowa (National exhibition) „Na skrzydłach czasu-ludzie i konstrukcje lotnicze Politechniki Warszawskiej, 13-14 May 2015, Warsaw, Poland.
  9. Goraj Z., Rodzewicz M. „Przeciwdziałanie zagrożeniom powstałym w wyniku bezprawnego i celowego użycia bezzałogowych platform mobilnych”( Counteracting the threats posed by the unlawful and deliberate use of unmanned mobile platforms) Ministerstwo Spraw Wewnętrznych (Ministry of Interior and Administration). Muzeum Wojska Polskiego, 12.06.2015, Warsaw, Poland.
  10. Zmarz A., Janas C., Korczak-Abshire M. Radio RDC. Audycja radiowa "Świątek piątek: liczenie pingwinów przy pomocy drona", (Friday-Holiday: Counting penguins with drones) ul. Myśliwiecka 3,5,9, Warszawa,25.09.2015.
  11. Korczak-Abshire M. "Monitoring gatunków wskaźnikowych w Antarktyce - metody i techniki naziemnych badań teledetekcyjnych". Wykłady dla studentów 2-go roku, drugiego stopnia, Specjalizacja: geoinformatyka, kartografia, teledetekcja (4 godz.), w ramach przedmiotu "Metody i techniki naziemnych badań teledetekcyjnych", 19.10.2015, Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Zakład Geoinformatyki, Kartografii i Teledetekcji, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa.
  12. Chwedorzewska K.J. Po co liczymy pingwiny?. (Why penguins count?) Polskie Radio (Poilsh Radio) 24, Audycja radiowa "Czas na naukę"(Time for Science), 19.11.2015.
  13. Chwedorzewska K.J., Korczak-Abshire M., Zmarz A. 2016. „Klimat a ekosystemy lądowe morskiej Antarktyki - niespokojnie nad lodami” (Climate versus terrestrial ecosystems of maritime Antartcic). Academia 47(3): 54-56.
  14. Projekt Scientix – (Primery school online lesson) Lekcje prowadzone on-line z Polskiej Stacji Antarktycznej im. H. Arctowskiego w ramach współpracy z dr Agatą Goździk z Instytutu Geofizyki PAN:
    •    9.03.2016 "Co to jest: czarno-białe i lubi zimną wodę?"(what is bleck and like cold water) D. Bożek-Andryszczak, Klasy I-III szkoła podstawowa (Primery school online lesson)) 260: https://youtu.be/8mgeozeNy1g
    •    16.03.2016 "Polscy naukowcy w Antarktyce" (Polish scientists In Antarctica) J. Sziło, Gimnazjum i liceum 44: https://www.youtube.com/watch?v=_EhqENquLbw
    •    30.03.2016 "Polska Stacja Antarktyczna im. Henryka Arctowskiego - kawałek Polski w Antarktyce" (Polish Antarctic Station-Henryk Arctowski – a pice of Poland In Antarctic) D. Bożek-Andryszczak,    Klasy IV-VI szkoła podstawowa 168: https://www.youtube.com/watch?v=YWRZ5IW1YCA
  15. M. Korczak-Abshire Prezentacja multimedialna (1,5h) pt. "Polska Stacja Antarktyczna im. H. Arctowskiego"(Polish Antarctic Station H. Arctowski-primery school classes) dla uczniów klasy VII, w dniu 23.03.2016., Zespołu Szkół nr 46 Gimnazjum nr 86 ul. Thommeego 1, Bemowo, Warszawa.
  16. Korczak-Abshire M. Gość ekspert. "ANTARKTIKA" - Multimedia exhibition -Antarctic) Wojciecha Walkiewicza. Noc Muzeów, Galeria Sztuki "Po Prawej Stronie Wisły" Konopacka 15/1A, Warszawa, 14.05.2016 r.
  17. Korczak-Abshire M. "Nowoczesne metody badań ekosystemów Antarktyki"(Modern methods in Antarctic ecosystems survey). Polskiego Radia Program Czwarty. Redaktor Justyna Majchrzak, 16.05.2016 r.
  18. Korczak-Abshire M. "Polska Stacja Antarktyczna - badania, wyniki, rozwiązania"(Polish Antarctic Station-research, results, solutions). Światowy Dzień Oceanów 2016, ul. Zaruskiego (Port Czerniakowski), Warszawa, 05.06.2016 r.
  19. Chwedorzewska K.J. „MONICA - zakończenie sezonu monitoringu pingwinów”(First season of penguine monitoring). Program Pierwszy Polskiego Radia, Audycja radiowa "Eureca" 09.06.2016.
  20. Chwedorzewska K.J. „Spadek liczebności populacji pingwinów białookich w zachodniej Antarktyce”( Decline in the number of penguin populations in West Antarctica). Audycja radiowa "Eureca" Program Pierwszy Polskiego Radia 05.07.2016.
  21. Zmarz A., Korczak-Abshire M. "Projekt MONICA - wywiad" (Project MONICA- interview) Polskie Radio 24, Audycja radiowa "Czas na Naukę", 22.09.2016 r.
  22. Galera H., Chwedorzewska K.J., Zmarz A. Antarktyka - tam, gdzie pingwiny mówią dobranoc. (Antarctica - where penguins said goodnight.) Uniwersytet Warszawski. Noc biologów (biologists night). 17 stycznia 2017.
  23. Projekt EDUSCIENCE - Lekcje prowadzone on-line z Polskiej Stacji Antarktycznej im. H. Arctowskiego w ramach współpracy (Online les sons from Polish Antarctic Station): 
    •    23.03.2017 Kiwi Antarktyki – czyli o pingwinach słów kilka (Antarctic Quivi – penguin in few words) D. Bloch-Lewandowska, E. Przepiórka: http://www.eduscience.pl/artyku%C5%82y/zapraszamy-na-kolejne-lekcje-z-an... •    24.03.2017,  Życie i praca na Polskiej Stacji Antarktycznej – kim jesteśmy, co robimy, gdzie mieszkamy? ( Life and work at the Polish Antarctic Station - who we are, what we do, where we live) D. Bloch-Lewandowska,D.Czajka:http://www.eduscience.pl/artyku%C5%82y/zapraszamy-na-kolejne-lekcje-z-antarktyki
  24. Galera H. "Antarktyka - przygoda życia dla biologów... i nie tylko!" (Antarctica- adventure, not Orly for biologists). Uniwersytet Warszawski. Dzień Otwarty Kampusu Ochota, 08.04.2017 r.
  25. Chwedorzewska K.J. Wywiad (Interview about MONICA project) dla OtokoClub.pl 07.04.2017.

 

Publications:

 

  1. Hajduk J., Rodzewicz M., Głowacki D.
    Projektowanie tras fotogrametrycznych samolotu bezzałogowego w aspekcie jego właściwości dynamicznych. (Planning of photogrametry flight-tracks of the UAV with consideration of its dynamic properties)
    Mechanika w Lotnictwie T I / Sibilski Krzysztof (red.), 2014, Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, ISBN 978-83-932107-3-2: 175-188.
  2. Goraj Z., Rodzewicz M.   
    Krytyczne technologie i najważniejsze programy badawcze w lotnictwie bezzałogowym. (Critical technologies and major research programs in unmanned aviation)
    Przeciwdziałanie zagrożeniom powstałym w wyniku bezprawnego i celowego użycia bezzałogowych platform mobilnych" (red.) J. Cymerski i K. Wiciak, Wydz. Wydawnictw i Poligrafii Wyższej Szkoły Policji w Szczytnie 2015, ISBN 978-83-7462-472-5, str. 289 - 311.
  3. Zmarz A., Korczak-Abshire, M., Storvold R., Rodzewicz M, Kędzierska I.   
    Indicator species population monitoring in Antarctica with UAV.   
    ISPRS-International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences
  4. Gryz P., Korczak-Abshire M., Gerlée A.
    First record of the Austral Negrito (Aves: Passeriformes) from the South Shetlands, Antarctica.   
    Polish Polar Research 36 (3): 297-304. doi: 10.1515/popore−2015−0018
  5. Goetzendorf-Grabowski T., Rodzewicz M. Design of UAV for photogrammetric mission in Antarctic area
    Conference paper: 5th CEAS Air & Space Conference, At Delft, no.21: 1-11.
  6. Głowacki Dl, Hajduk C., Rodzewicz M.
    Methods of flight-path planning for UAV photogrammetry missions with consideration of aircraft dynamic properties
    Conference paper: 5th CEAS Air & Space Conference, At Delft no.23: 1-14.
  7. Korczak-Abshire, M., A. Kidawa, A. Zmarz, R. Storvold, S.R. Karlsen, M. Rodzewicz, K. Chwedorzewska, A. Znój.
    Preliminary study on nesting Adélie penguins disturbance by unmanned aerial vehicles
    CCAMLR Science 2016, 23: 1-16.
  8. Goetzendorf-Grabowski T., Rodzewicz M.
    Design of UAV for photogrammetric mission in Antarctic area. Challenges in European Aerospace.
    Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering 1-16. Doi:10.1177/0954410016656881
  9. Dąbski M., Zmarz A., Pabjanek P., Korczak-Abshire M., Karsznia I., Chwedorzewska K.J.
    UAV-based detection and spatial analyses of periglacial landforms on Demay Point (King George Island, South Shetland Islands, Antarctica).
    Geomorphology 290: 29-38. DOI: 10.1016/j.geomorph.2017.03.033
  10. Sierakowski K, Korczak-Abshire M, Jadwiszczak P.
    Changes in bird communities of Admiralty Bay, King George Island (West Antarctica): insights from monitoring data (1977-1996).   
    Polish Polar Research, 38(2): 231–269., doi: 10.1515/popore-2017-0010.
  11. Rodzewicz M., Głowacki D., Hajduk J.
    Some dynamic aspects of photogrammetry missions performed by “PW-ZOOM” – the UAV of Warsaw University of Technology.
    Archive of Mechanical Engineering LXIV (1) doi: 10.1515/meceng-2017-0003
  12. Korczak-Abshire M., Zmarz A., Rodzewicz M., Kycko M., Karsznia I., Chwedorzewska K. J. 2018. Study of fauna population changes on Penguin Island and Turret Point Oasis (King George Island, Antarctica) using Unmanned Aerial Vehicle. Polar Biology. DOI: 10.1007/s00300-018-2379-1
  13. Rodzewicz M., Goraj Z., Tomaszewski A. 2018 Design and testing of three tailless unmanned aerial vehicle configurations built for surveillance in Antarctic environment. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering. DOI: 10.1177/0954410018797855
  14. Zmarz A., Rodzewicz M., Dąbski M., Karsznia I., Korczak-Abshire M., Chwedorzewska K. J. 2018. Application of UAV BVLOS remote sensing data for multi-faceted analysis of Antarctic ecosystem. Remote Sensing of Environment 217:375-388. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.08.031