СТАЛЕ ТВАРИННИЦТВО ТА БЛАГОПОЛУЧЧЯ ТВАРИН SULAWE

SUSTAINABLE LIVESTOCK PRODUCTION AND ANIMAL WELFARE

МОДУЛЬ 3 ЦИФРОВЕ ТВАРИННИЦТВО/MODULE 3 DIGITAL LIVESTOCK FARMING

Електронний посібник/The electronic manual

3. ЗАСТОСУВАННЯ ЦИФРОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ У ТВАРИННИЦТВІ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ

ТА БЛАГОПОЛУЧЧЯ ТВАРИН

 

 

3.2. Елементи та приклади практичного застосування для прецизійного птахівництва

1. Тепловізор для оцінювання дистресу у курчат

2. Інфрачервона термографія для оцінювання тепловтрат у курей

3. Аналіз зображення для оцінювання поведінки молодого курчати

4. Цифровий аналіз зображень для оцінювання живої маси бройлерів

 

 

Благополуччя є вагомим чинником, який суттєво впливає на здоров’я та продуктивність птахів. Тому для своєчасного виявлення проблем важливо використовувати ефективні та надійні методи його оцінювання.

Сучасні підходи до оцінювання благополуччя ґрунтуються на урахуванні поведінкових реакцій, що вказують на біль або страждання, як-от вокалізація, пригнічення нормальної поведінки, перенаправлення або зміна моделей поведінки. Також використовуються фізіологічні підходи до оцінювання благополуччя, які базуються на визначенні в крові рівня гормонів стресу. Відомо, що під час стресових реакцій відбуваються значні фізіологічні зміни в організмі, що призводять до зміни схеми кровотоку, спрямування крові з периферії тварини до центральної частини тіла.

Стрес-індукована гіпертермія (SIH) є у багатьох видів тварин і птахів та характеризується підвищенням внутрішньої температури тіла від 0,5 до 1,5°C упродовж 10–15 хвилин після початку впливу стресорів, як-от очікування аверсивного стимулу, вилов та утримування тощо. При цьому відбувається підвищення внутрішньої температури тіла і зниження температури поверхні тіла. Це, ймовірно, є показником периферичної вазоконстрикції – механізму перерозподілу крові до більш важливих ділянок (м'язів, мозку) і запобігання крововтраті через потенційні травми на периферії.

Застосування інфрачервоної термографії (IRT) дає змогу здійснювати дистанційно оцінювання благополуччя тварин. Тепловізор фіксує температуру поверхні тіла тварини вимірюванням кількості тепла, яке вона випромінює. Отже, визначення температури поверхні тіла може бути неінвазивним методом оцінювання фізіологічних реакцій на стрес без необхідності забору крові.

Інфрачервона термографія є безконтактною сучасною технологією вимірювання температури та може бути застосована  для виявлення наявності захворювання, локалізації, стадії патологічного процесу та для визначення того, чи перебуває птиця в стресовому стані. У поєднанні із сучасними технологіями передавання інформації та обробки зображень, інфрачервона термографія дає змогу контролювати температуру окремої птиці в режимі реального часу та ефективно ідентифікувати хворих особин. Вона передбачає використання приладів – тепловізорів.

Тепловізор (інфрачервона камера, тепловізійна камера) – оптико-електронний прилад для візуалізації температурного поля та вимірювання температури. Переважно працює в інфрачервоній частині електромагнітного спектра – теплові зображення утворюються завдяки зміщенню максимумів спектрів власного випромінювання тіл під час їх нагрівання у короткохвильову ділянку. Тепловізор кількісно визначає фактично виявлене тепло та дає змогу отримати зображення всього об’єкта в режимі реального часу у формі поверхні,  чітко ідентифікуючи ділянку, яка нагрівається.

Було проведено дослідження щодо вимірювання температури поверхні тіла у курей за допомогою інфрачервоної термографії. При цьому порівнювали базову температуру, температуру відразу після впливу стресора (вилов і короткочасне тримання людиною) і через 20 хвилин. Встановлено, що у відповідь на вплив стресора значно знизилася температура гребінця – майже на 2°C. Температура очей спочатку знизилася, а потім піднялася до рівня, значно вищого ніж вихідний базовий показник. Також температура голови підвищувалася упродовж 20 хвилин після дії стресора, досягаючи рівня, значно вищого за вихідний. Отже, встановлено, що зміна температури гребінця курки, зареєстрована за допомогою інфрачервоної термографії, є достатньо інформативним методом оцінювання стрес-індукованої гіпертермії у курей.

Тепловізійна термометрія може бути використана для виявлення хворих особин серед свійській птиці Застосування тепловізійної камери для вимірювання температури поверхні тіла здорових курей і хворих особин порівнянням температури різних площ поверхні тіла дає змогу зареєструвати суттєву  різницю температур голови та кінцівок. 

Ураження шкіри центрального м’якуша стопи (FPD) є достатньо поширеним захворюванням у птиці. До чинників, які призводять до розвитку захворювання, належать: висока щільність посадки птиці, тип поїлок та порядок їх використання, рівень температури і вологості у приміщені, тип підстилки, її якість та кількість тощо. Тепловізійна технологія може застосовуватися для виявлення ранніх ознак контактного дерматиту у курей. Дослідженнями встановлено, що інфрачервоні теплові зображення дають змогу чітко розрізняти ступінь пододерматиту птиці.

Тепловий комфорт є важливим показником благополуччя птиці, необхідними чинником для реалізації її генетичного потенціалу та високої продуктивності. Тепловий стрес є перешкодою для ефективного виробництва продукції птахівництва. Підвищена температура у приміщенні для птиці, незалежно від системи її утримання, призводить до зниження її продуктивності.

Інфрачервона термографія дає змогу здійснювати картографування температури поверхні тіла для оцінювання можливих втрат тепла (рис. 1, 2). Останніми роками чимало досліджень спрямовано на дослідження концепції теплових вікон тіла – ділянок без пір’я чи волосяного покриву, з високою васкуляризацією, через які відбувається втрата тепла та, як наслідок, регуляція температури тіла.

 

 

Рис. 1. Інфрачервоне теплове зображення курчати (а) та стада (б) з плямами, де була позначена та зареєстрована температура поверхні для розрахунку загальних втрат тепла

 

Адаптація до термічних стресових ситуацій може бути перевагою для підвищення продуктивного потенціалу, тому птахи з геном Na (гола шия) є альтернативою. Їх адаптація до умов високої температури пов’язана з відсутністю пір’я в ділянці шиї, що сприяє більш ефективному розсіюванню тепла. Інфрачервона термографія була використана для оцінювання відчутних втрат тепла (SHL) у курей-несучок з голою шиєю. Результати досліджень показали, що показники SHL на тулубі (ділянка, що вкрита пір'ям) вважалися початковими, а найвищі значення SHL реєструвалися на шиї. Отже, картування температури поверхні тіла за допомогою інфрачервоної термографії є ефективним під час оцінювання SHL та забезпечує отримання чіткого тепловізійного зображення.

 

 

Рис. 2. Інфрачервоне теплове зображення курей-несучок у клітках (a), а також плями, на яких оцінювалася температура поверхні (b)

 

Задля дотримання вимог щодо благополуччя птиці важливо задовольняти її базові потреби, як-от можливість бігати, клювати, розправляти крила, лежати тощо. Нездатність виявляти природну поведінку може викликати у птиці стрес, спричинений системою утримання, та призводити до агресивної та ненормальної поведінки. Тому поведінкові реакції доцільно використовувати для оцінювання благополуччя птахів. Однак дослідження, спрямовані на спостереження за поведінкою, можуть бути достатньо трудомісткими, зважаючи на типи поведінки, за якими потрібно спостерігати, а також розмір досліджуваного пулу та кількість часу, необхідного для спостереження. Тому натепер чимало досліджень зорієнтовані на розроблення систем для автоматичного спостереження із застосуванням відповідного програмного забезпечення як альтернативних методів дослідження поведінкових реакцій птиці. При цьому важливим аспектом є можливість здійснювати тривале спостереження за поведінкою, відстежувати активну, неактивну, харчову, доглядову поведінку тощо.

Завершений цикл виявлення об’єктів під час комп’ютерного аналізу охоплює спостереження, діагностику та прогнозування. Під час комп’ютерного аналізу камери встановлюють у визначених місцях для збирання зображень або відео птахів. Зібрані дані передають в діагностичні компоненти (наприклад, хмарне сховище) для подальшого аналізу за допомогою машинного навчання або моделей глибокого навчання, які попередньо спеціально запрограмовані для визначення характеристик об’єктів.

Моделі глибокого навчання обробляють зображення з можливістю самонавчання, що дає моделям змогу добре працювати в різних середовищах.

Згорткова нейронна мережа (CNN) є одним із найбільш ефективних методів глибокого навчання для виявлення тварин.

Згорткові нейронні мережі  в машинному навчанні – це клас глибоких штучних нейронних мереж прямого поширення, який застосовується для аналізу візуальних зображень.

Комбінація CNN і обробки зображень була розроблена для виявлення курей. Дослідженнями встановлено, що застосування двоступеневої CNN дає змогу ефективно відстежувати поведінку курей (пиття та споживання корму).

Двоетапний метод CNN спочатку генерує цілі рамки, а потім мережа виявлення визначає цільові об’єкти. Незважаючи на те, що вона добре функціонує з позиції точності класифікації, кожного компонента двоетапної моделі CNN потрібно навчати окремо, і це вимагає більших обчислень, а отже, уповільнює швидкість аналізу. Щоб підвищити точність виявлення в реальному часі було розроблено модель YOLO як одноетапну CNN для виявлення об’єктів. Завдяки наскрізному навчанню та повним картам функцій для прогнозування кожного обмежувального прямокутника він дає змогу ефективно виявляти поведінку бройлерів у режимі реального часу

Технологія відеоспостереження за допомогою камер та обробка зображень є достатньо ефективною, оскільки може працювати автоматично в режимі реального часу. Серед різних характеристик, які можна контролювати за допомогою аналізу зображень, вагоме значення має вага птахів. Контроль ваги бройлерів необхідний для ефективного догляду за ними. Інформація про масу тіла надає можливості для автоматичного контролю за поголів'ям та допомагає у плануванні окремих виробничих процесів, зокрема стратегії годівлі, контролю швидкості росту, рухової активності тощо.

Стандартний метод оцінювання ваги тварини є трудомістким та вимагає прямого контакту з птахами, що є для них значним стресом. Метод вимірювання, що ґрунтується на комп’ютерних візуальних зображеннях і цифрових зображеннях, дає змогу уникнути прямого контакту з птахами. Комп’ютерний аналіз дає змогу оцінювати щоденні зміни маси тіла курчат-бройлерів і є надійним методом об’єктивного фіксування та оцінювання ваги в режимі реального часу.

Методи комп’ютерного аналізу, які використовують камери з метою отримання зображень бройлерів для оцінювання маси тіла, є непрямими методами. Для збирання даних застосовують 2D або 3D камери, які дають змогу отримати зображення бройлерів згори. Різні дослідники для оцінювання ваги бройлерів використовували 2D цифрові камери (SAMSUNG, SM-N9005, Корея) або камери для отримання 3D-зображень (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Схематичне зображення та виокремлення ознак

 

Загалом метод комп’ютерного аналізу складається з трьох етапів: етап сегментації зображення, етап виокремлення ознак і етап оцінювання ваги. На етапі сегментації зображення застосовується метод сегментації на основі маркерів, які дають змогу розділити зображення з чітким фоном на кілька частин.

На етапі виокремлення ознак різні дослідники використовують 6, 9 або 13 основних ознак, які містять одновимірні, двовимірні та тривимірні цільові зображення та зображення глибини (рис. 4). Ознаки, виокремлені переважно із цільового зображення, зазвичай, охоплюють площу, периметр, довжину великої осі, довжину малої осі тощо.

На етапі оцінювання маси тіла використовують лінійні та нелінійні рівняння регресії, що дають змогу співставити масу тіла з характеристиками зображення (De Wet L., 2003). Однак вищезазначені дослідження були зосереджені переважно на вимірюванні маси тіла молодняку бройлерів, вимірювання живої маси особин старше 42 днів не проводилося. Результати досліджень вказують на те, що під час оцінювання маси тіла курчат-бройлерів, що старшою стає птиця, то більше виникає помилок у оцінюванні ваги, оскільки поголів’я курей росте нерівномірно, а у пташнику спостерігається тенденція до збільшення скупченості.

 

 

Рис. 4 (а). Еліпси, для розпізнавання тіла курей;

сегментовані зображення

 

Отже, прецизійне птахівництво має значний потенціал для розвитку завдяки інтеграції новітніх технологій, зокрема в сфері моніторингу добробуту птиці та управління ресурсами. Одним з основних інструментів для цього є інфрачервона термографія, яка дає змогу в реальному часі оцінювати фізіологічні реакції птахів, зокрема температуру тіла та зміни, що можуть свідчити про стрес чи хвороби. Завдяки цьому фермери можуть своєчасно виявляти проблеми зі здоров'ям птахів і приймати необхідні заходи для коригування умов їх утримання, у такий спосіб знижуючи ризик масових захворювань і підвищуючи ефективність виробництва.

Інші технології, як-от автоматизовані системи моніторингу навколишнього середовища, роблять можливим точне регулювання умов утримання, зокрема температуру, вологість і рівень освітлення, що позитивно впливає на продуктивність та здоров'я птахів. Враховуючи, що добробут тварин є важливим елементом у сучасному агробізнесі, впровадження таких інновацій дасть змогу не лише поліпшити умови утримання птиці, а й забезпечити сталий розвиток птахівничої галузі.

Отже, перспективи практичного застосування прецизійних технологій у птахівництві є дуже обнадійливими, оскільки вони дають змогу досягти більш високих результатів у вирощуванні птиці з мінімальними втратами ресурсів і максимальним контролем за здоров'ям і продуктивністю тварин.

 

Попередня тема

На початок

Наступна тема