Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса — Naked Science
7 минут
РНФ

Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса

4.4

Российские ученые Ботанического сада-института ДВО РАН научили сверточную нейросеть распознавать участки поврежденных лесов — ветровалов и усохших деревьев, атакованных жуками-короедами. Метод работает с точностью 94 процента, а в качестве источника информации может использовать общедоступные спутниковые снимки сверхвысокого разрешения. В дальнейшем разработанный метод ученые планируют применить не только к спутниковым снимкам, но и к изображениям, полученным с беспилотных летательных аппаратов.

Ветровал в лесу / ©Getty images

Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Remote Sensing in Ecology and Conservation. «Мы получили программу, позволяющую находить участки интересующих нас лесных нарушений с экспертной точностью, быстро и на огромных площадях, — рассказывает Кирилл Корзников, кандидат биологических наук, руководитель проекта по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник Ботанического сада-института ДВО РАН.

— Мы сравнили наш подход распознавания нарушенных участков лесов с другими “традиционными” методами машинного обучения. Мы превзошли аналоги: точность составила порядка 94 процента. При этом используются лишь общедоступные цветные спутниковые изображения, выполненные в видимом электромагнитном диапазоне, без учета значений спектральных каналов в ультрафиолетовой или инфракрасной части спектра».

Леса покрывают треть всей земной поверхности, но их площадь постоянно сокращается: с 1990 года — на 178 миллионов гектар. Это происходит не только из-за действий человека, но и под влиянием природных стихий, таких как бури и сильные ветра. Еще один фактор — жизнедеятельность насекомых, среди которых печально известен жук короед-типограф, повреждающий еловые леса севера Евразии от Западной Европы до Японии.

Для отслеживания повреждений применяют дистанционное зондирование. Благодаря специальным проектам с применением спутников Landsat и Sentinel снимки высокого разрешения можно найти и в открытом доступе. Поэтому они используются для большинства исследований, связанных с мониторингом лесов. Чтобы на таких снимках обнаружить и подсчитать площадь повреждения, используют информацию о яркости пикселей — на результатах их сравнений основан глобальный мониторинг.

Пример оценки пятен ветровалов с использованием обученной нейронной сети. Остров Сахалин / ©Кирилл Корзников / ДВО РАН

Использование сверхвысокого разрешения (менее одного метра на пиксель) открывает возможности более точной оценки площадей поврежденных древостоев, выявления мест локальной гибели одиночных деревьев, а также установления причины их гибели.
Российские ученые из Ботанического сада-института ДВО РАН (Владивосток) применили сверточные нейронные сети U-Net-подобной архитектуры для распознавания погибших лесов на цветных RGB снимках сверхвысокого разрешения. Оригинальная нейронная сеть U-Net была создана для анализа биомедицинских изображений в 2015 году. Она позволяет использовать меньшее количество обучающих данных и дает возможность использовать ее, в том числе для сегментации изображений и распознавания объектов.

У разных типов нарушений лесов есть хорошо узнаваемые паттерны на спутниковых снимках. У авторов уже были опыт визуальной экспертной оценки состояния лесного покрова и данные полевых исследований, выполненных на островах Кунашир и Сахалин. На их основе они создали маски целевых областей — ветровалов и усохших деревьев, атакованных короедом-типографом. Маски и соответствующие им спутниковые изображения стали исходными данными для обучения нейронных сетей.

Далее обученные нейронные сети были успешно применены к спутниковым снимкам для обнаружения аналогичных типов нарушений в островных лесах. В дальнейшем разработанный метод ученые планируют применить не только к спутниковым снимкам, но и к изображениям, полученным с беспилотных летательных аппаратов. Новые методы наблюдений за динамикой лесного покрова существенно расширят возможности систем инвентаризации лесного хозяйства и охраны лесных ресурсов: будет намного проще отслеживать и фиксировать изменения, а значит, можно оперативно передавать информацию для дальнейшего принятия мер.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РНФ
9 статей
РНФ осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
9 часов назад
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

11 часов назад
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

10 часов назад
5 минут
Мария Кривоченко

Ученые создали компьютерную сеть, которая имитирует человеческий мозг. Благодаря ей удалось выяснить, как человек обрабатывает движущиеся изображения, и понять, как появляются оптические иллюзии.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: