Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Ученые выяснили, как внедрить машинное обучение для мониторинга морского мусора
Загрязнение морских акваторий признано проблемой мирового масштаба, и для ее решения необходимо вести его постоянный мониторинг. Непосредственное обнаружение мусора осложняется большим его разнообразием и степенью деградации, а также частичным погружением и визуальным слиянием с водной поверхностью. В последнее десятилетие в этой области наметился значительный прогресс за счет обработки данных с помощью машинного метода глубокого обучения. Научная группа ученых из МФТИ и Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН проанализировала достижения и перспективы применения искусственного интеллекта для улучшения методов обнаружения и классификации мусора.
Результаты работы опубликованы в журнале «Океанологические исследования». Несколько десятилетий пластиковые отходы, стекло, металл и другие виды мусора активно накапливаются на побережьях, в водной среде, а также собираются в большие океанские мусорные пятна. При этом пластик составляет от 68 до 96 процентов загрязнений. Фрагменты пластикового мусора могут становиться ловушками для рыб и других водных организмов, угрожают гидросфере и ее биоразнообразию, особенно в морях Арктики. Потенциальное нарушение экологической устойчивости делает решение этой проблемы все более актуальным.
Согласно международной классификации, к макромусору относят частицы размером более 2,5 сантиметра. Наиболее полные наблюдения за загрязнениями проводятся с научных судов в качестве попутных исследований. Есть и другие методы исследований, однако они еще более ограничены в применимости. Визуальное обнаружение трудо- и времязатратно и требует специальных навыков от наблюдателей, поэтому применяется нечасто и охватывает незначительные площади. Автоматизация этого процесса может способствовать массовому внедрению наблюдений на морских судах, для чего потребуется лишь установка камеры в носовой части судна и специализированное программное обеспечение.
Реализация этой схемы в морских условиях, несмотря на кажущуюся простоту, на практике довольно сложна технически. Для универсальности процесса ученые рассмотрели различные ключевые аспекты существующих методик с акцентом на обработку данных с применением методов машинного обучения.
«В Мировом океане сейчас действительно идет активное накопление как плавающего мусора, так и отходов, которые накапливаются на дне или дрейфуют в толще воды. Почему мы концентрируемся на плавающем? Мы ищем «потерянное в свете фонаря». За счет хороших камер на научных судах мы можем ежесекундно снимать поверхность моря, а затем нейросетевыми методами искать макро мусор размером от 2,5 сантиметров. На фотографиях большого разрешения он уже виден.
Этот мусор вызывает большие проблемы. Например, нарушает баланс экосистем за счет переселения видов, которые используют пластик в качестве субстратов — предметов, на которых живые организма или бактерии могут закрепиться и успешно размножаться. Также остро стоит проблема запутывания морских обитателей в плавающих обрывках сетей. В итоге проблем много, а задача адекватного наблюдения полноценно не решена», — рассказал о проекте Михаил Криницкий, старший научный сотрудник Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН и заведующий лабораторией машинного обучения в науках о Земле МФТИ.
Сбор данных сегодня идет с помощью визуальных наблюдений (с морских судов, самолетов), траления, а также дистанционного зондирования, особенно с использованием радиолокационных систем.
Одним из важнейших этапов каждой методики является набор данных, характеризующих плотность распределения мусора по поверхности воды, локализацию мест скопления, пути распределения, идентификацию частиц, распределение их по общепринятым категориям. Эта информация важна для принятия впоследствии административных мер по снижению загрязнения. В исследовании ученые уделили особое внимание перспективам применения искусственного интеллекта для совершенствования методов обнаружения объектов на поверхности воды и классификации.
«В первой части нашего исследования мы обобщили методы наблюдений, которые сейчас применяются. Непосредственное визуальное наблюдение на борту научных судов достаточно достоверное, но локальное. Есть более масштабные методы мониторинга, например, из космоса. Но на снимках из космоса сами частички мусора не видны, но их наличие меняет отражающие характеристики поверхности. Правда, это касается уже достаточно весомых объектов. В итоге можно с уверенностью сказать, что нам пока не хватает существующих наблюдательных миссий для составления полноценной картины загрязнения Мирового океана», — подчеркнул Михаил Криницкий.
Вторая часть исследования посвящена применяемым методам обработки данных. Работа сфокусирована в основном на компьютерных методах, а именно машинном обучении и его подвидах: глубоком обучении, классических методах компьютерного зрения и других.
В настоящее время также ведется разработка мобильных приложений для оптимизации визуальных наблюдений. Например, в 2019 году в ходе экспедиции параллельно с визуальными наблюдениями было протестировано мобильное приложение Floating Litter Monitoring (FLM), которое может использоваться для упрощения и стандартизации сбора визуальных данных о плавающем морском мусоре. Приложение позволяет записывать координаты встреченных объектов и сопутствующие метаданные, создавать перечень мусора и делать его классификацию по категориям.
«В ходе нашего исследования мы пришли к неожиданному выводу, что современные нейросетевые методы сейчас редко применяются для детектирования морского макро мусора. В исследованиях чаще применяются методы классического машинного обучения, которые в целом не очень хорошо работают со снимками, а также классические методы компьютерного зрения. Но в большинстве случаев эти методы либо устаревшие, либо применяются к неадекватным данным, что значимо снижает качество результатов. Например, если говорить об обучении нейросетей, в первую очередь мы должны настроить ее для поиска мусора на поверхности моря.
Для этого используется обучающая выборка. Необходимо четко показать разнообразие объектов, которые следует учитывать. Но таких данных — размеченных — очень мало. Для того, чтобы получить подобные фото, нередко искусственно разбрасывают мусор на поверхности моря и получают обучающую выборку. Мусора действительно много, но если идти на судне по морю, его просто не видно. Мусор не разбросан по океану равномерно, он скапливается в определенных местах отчасти оттого, что в океане есть система течений, которая его переносит и накапливает», — дополнил Михаил Криницкий.
У ученых первый район в фокусе исследований — это Северная Атлантика и Арктика, неустойчивые и экологически уязвимые регионы. Парадоксально, но именно в них найти мусор достаточно проблематично. Размер области, которую наблюдает человек с борта судна очень сильно ограничен — примерно 20–30 метров. Поэтому плотность морского мусора, который обнаружен с применением нейросетей, следует экстраполировать на площадь акватории моря, котором проведено наблюдение. Это следующая сложная статистическая задача.
«За весь рейс в Арктике, а это 12–13 дней, мы наблюдали порядка десятков экземпляров, максимум 70. Это очень немного, тем более для обучения нейросети. На камере этих объектов еще меньше: человеческий глаз более зоркий и может оценить мусор в движении на морской поверхности. Таким образом, проблем для масштабного учета нейросети больше, чем кажется, и требуется реализовывать дополнительные методы для обучения», — рассказала Ольга Белоусова, исследователь лаборатории машинного обучения в науках о Земле МФТИ.
Таким образом, ученые в исследовании преследуют решение двух больших задач. Естественнонаучная — необходимо оценить в выбранных акваториях плотность и динамику изменения плотности плавающего морского мусора, а также расположение и мощность источников. Вторая — техническая: необходимо понять, какие методы использовать для обнаружения микрочастиц в условиях попутных морских наблюдений с борта исследовательского или коммерческого судна. Для этого были предложены методы обнаружения на фотографиях. Также ученые активно работают над разработкой стандартов наблюдений за плавающим морским мусором. Несмотря на весьма острую экологическую проблему, универсального и принятого всеми стандарта не существует, есть только первые наработки для унификации методик наблюдений и подсчета.
Telegram 
Дзен 
VK Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.
Исследования ученых РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина подтвердили, что технология производства авиационного топлива SAF из растительных лигноцеллюлозных отходов позволит снизить выбросы углекислого газа на 75% по сравнению с нефтяным керосином.
На стыке трех литосферных плит у Красного моря заметили необычный вулканический процесс: где-то магма поднимается равномерным потоком, где-то — по частям. По мнению геологов, такой «пульс» вызван тем, что в некоторых местах магма с большим трудом пытается пробиться на поверхность.
За последние 30 лет размер трески, обитающей в Балтийском море, значительно уменьшился. Если раньше рыбаки вылавливали из воды особей размером с маленького ребенка, то теперь добытая рыба легко помещается в ладонях. Авторы нового исследования винят в этом человека, который заставил один из видов эволюционировать в «карликов».
Снимки с фотоловушек давно стали культурным явлением. Особенно забавными выглядят медведи. Мы с удовольствием смотрим на зверей, попавших в объектив камер в национальных парках: тигр украл фотоловушку, муравьед проехал верхом на муравьеде и так далее. Но не все животные настолько обаятельные. Ученые из США решили развить эмпатию к гремучим змеям, которых многие боятся. Для этого специалисты запустили трансляцию из «мегалогова», где рептилии отдыхают и рожают потомство.
Чтобы понять, как часто за пределами Солнечной системы встречаются миры, похожие на Землю, ученые из Калифорнийского университета (США) провели статистический анализ 517 экзопланет. Результаты показали, что всего три мира, включая наш, соответствуют критериям потенциальной обитаемости. Наиболее перспективными из них оказались Kepler-22b и Kepler-538b.
Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.
Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.
Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно