Tracking the Wanders of Nature

Target tracking is a mature topic with over half a century of mainly military and aviation research. The field has lately expanded into a range of civilian applications due to the development of cheap sensors and improved computational power. With the rise of new applications, new challenges emerge, and with better hardware there is an opportunity to employ more elaborated algorithms. There are five main contributions to the field of target tracking in this thesis. Contributions I-IV concern the development of non-conventional models for target tracking and the resulting estimation methods. Contribution V concerns a reformulation for improved performance. To show the functionality and applicability of the contributions, all proposed methods are applied to and verified on experimental data related to tracking of animals or other objects in nature. In Contribution I, sparse Gaussian processes are proposed to model behaviours of targets that are caused by influences from the environment, such as wind or obstacles. The influences are learned online as a part of the state estimation using an extended Kalman filter. The method is also adapted to handle time-varying influences and to identify dynamic systems. It is shown to improve accuracy over the nearly constant velocity and acceleration models in simulation. The method is also evaluated in a sea ice tracking application using data from a radar on Svalbard. In Contribution II, a state-space model is derived that incorporates observations with uncertain timestamps. An example of such observations could be traces left by a target. Estimation accuracy is shown to be better than the alternative of disregarding the observation. The position of an orienteering sprinter is improved using the control points as additional observations. In Contribution III, targets that are confined to a certain space, such as animals in captivity, are modelled to avoid collision with the boundaries by turning. The proposed model forces the predictions to remain inside the confined space compared to conventional models that may suffer from infeasible predictions. In particular the model improves robustness against occlusions. The model is successfully used to track dolphins in a dolphinarium as they swim in a basin with occluded sections. In Contribution IV, an extension to the jump Markov model is proposed that incorporates observations of the mode that are state-independent. Normally, the mode is estimated by comparing actual and predicted observations of the state. However, sensor signals may provide additional information directly dependent on the mode. Such information from a video recorded by biologists is used to estimate take-off times and directions of birds captured in circular cages. The method is shown to compare well with a more time-consuming manual method. In Contribution V, a reformulation of the labelled multi-Bernoulli filter is used to exploit a structure of the algorithm to attain a more efficient implementation.Modern target tracking algorithms are often very demanding, so sound approximations and clever implementations are needed to obtain reasonable computational performance. The filter is integrated in a full framework for tracking sea ice, from pre-processing to presentation of results.Målföljning (eng. target tracking) är ett välutforskat ämne med en historia som sträcker sig tillbaka till åtminstone 30-talet. Då tävlade en handfull nationer om att snabbast kunna upptäcka fienden innan det var för sent. Traditionellt sett har målföljning fortsatt att vara starkt förknippat med militära tillämpningar och flygfart. Det är först på senare år som billiga och kommersiellt tillgängliga sensorer har öppnat upp för en mängd betydligt fredligare användningsområden. Målföljning skulle kunna beskrivas som lokalisering av främmande objekt genom att samla in data från sensorer. Den här avhandlingen behandlar framförallt målföljning av olika sorters djur där data samlas in med videokameror. Det finns två bakomliggande syften. Det ena handlar om att underlätta forskning för biologer och det andra handlar om att skapa tekniska lösningar för att underlätta skyddet av sällsynta djur. Även målföljning av drivis där data samlas in med radar behandlas. Trots den vitt skilda tillämpningen är många metoder desamma. Syftet är att hantera drivis i norra ishavet där detektion och målföljning är viktiga komponenter för att undvika kollisioner. Biologer lägger ofta en ansenlig mängd tid på att samla in, annotera och sortera data. Det är tid som kan spenderas på mer givande forskningsaktiviteter. Med videokamera, bildbehandling och moderna algoritmer för målföljning är det möjligt att i viss mån automatisera datainsamlingen. Med automatisering kan mer information samlas in än med traditionella metoder och längre experiment kan ofta genomföras. Ytterligare en fördel är att man kan minska påverkan på djuren. Parkvakterna i många nationalparker kämpar dagligen med intrång från tjuvjägare. De har ytterst begränsade resurser och utsätter sina liv för stor fara. Bestånden minskar fortfarande för många djurarter som går en mörk framtid till mötes. För att vända trenden behövs stora insatser på många fronter samtidigt. Målföljning kan bidra med att på ett kostnadseffektivt sätt tillhandahålla övervakning av nationalparker. Kännedom om var djuren befinner sig underlättar koordinering av parkvakternas insatser för att skydda djuren. Målföljning kan ske med ett flertal olika sensorer, såsom radarer, fast uppsatta och luftburna videokameror, mikrofoner som lyssnar efter djurläten och även vittnesmål från parkvakterna. All insamlad information bidrar till att skapa en helhetsbild av situationen i nationalparken om den används rätt. Ishantering är ett viktigt område för oljeindustrin för att garantera säkerhet och undvika allvarliga olyckor. Målet är att upptäcka och spåra is som flyter i havet och om nödvändigt vidta åtgärder för att undvika kollision. Målet är att i förlängningen sätta upp ett stort nätverk av olika sensorer och databaser för att få en heltäckande bild av det aktuella läget. Flera källor diskuteras, såsom mark- och fartygsradarer av olika slag, satelliter, drönare med kameror och väderdatabaser. Att skapa fullständiga och användbara lösningar för biologer, parkvakter och oljeindustrin är väldigt ambitiösa mål. I avhandlingen presenteras bakomliggande teori för målföljning varvat med författarens egna forskningsbidrag och lösningar för en handfull specifika problem och tillämpningar. Det första projektet som presenteras är ett samarbete med Kolmårdens djurpark. Biologer i djurparken studerar delfiners beteende i fångenskap. I dagsläget markerar studenter för hand i video var delfinerna befinner sig i bassängen. Med målföljning samlas djurens positioner in automatiskt utan mänsklig inblandning. Det främsta bidraget i forskningen är utvecklingen av en modell för hur delfinerna rör sig i bassängen. Det andra projektet som presenteras är ett samarbete med biologer vid Lunds universitet som studerar beteendet hos flyttfåglar. I en metod från 60-talet mäts fåglars rörelser i en tratt. Från repor i tratten som orsakats vid fåglarnas lyftförsök analyserar man riktningarna för lyftförsöken. Med videokamera och målföljning samlas djurens positioner in och enskilda lyftförsök detekteras automatiskt. Det främsta bidraget i forskningen är en metod för att bättre utnyttja information från videon till att detektera lyftförsöken. Det tredje projektet som presenteras är ett samarbete med Smarta Savanner. En idé som utforskas är möjligheten att använda parkvakternas vittnesmål om spår från noshörningar för att förbättra målföljningen. Å ena sidan är data från videokameror och radarer väldigt noggranna i tid, men relativt osäkra i de uppmätta positionerna. Å andra sidan kan positionen för ett spår mätas noggrant samtidigt som det ofta är svårt att avgöra när noshörningen var på platsen. Genom att utnyttja informationen från båda källorna kan noshörningars förflyttningar i parken kartläggas bättre. Den bakomliggande teorin för observationer med osäker tid inom målföljning är relativt outforskad. Det främsta bidraget i forskningen är utvecklingen av en metod för att utnyttja sådana observationer. Enkla simulerade fall används för att analysera metoden. Metoden utvärderas även i en tillämpning för att förbättra den satellitbaserade positionsbestämningen av en orienterare genom att noggrant mäta positionen på kontrollerna. Det fjärde projektet som presenteras är ett samarbete med Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) och Norut i Norge som samlat in radardata på Svalbard. Det främsta bidraget är utvecklandet av en metod som lär sig hur lokala strömmar och vindar påverkar drivisen för att bättre kunna förutspå rörelser.Ett annat bidrag i forskningen är en förenkling av formuleringen och implementationen av en modern algoritm för målföljning. Projekten, som alla har flera likheter och skillnader med varandra, kan gemensamt sammanfattas med att de spårar rörelser, eller vandringar, i naturen