Нейросети помогли ученым установить причину гибели леса — Naked Science
16 февраля
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 осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
Вчера, 17:42
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

Вчера, 18:00
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

Вчера, 21:09
Илья Ведмеденко

Российские специалисты разрабатывают четырехдвигательную версию пассажирского Ил-114. Это позволит повысить дальность и грузоподъемность крылатой машины.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: