По аналогии с цифровой системой «Умный город» команда ученых из
Института наук о Земле ЮФУ создает информационную систему, которая
базируется на больших геоданных и позволяет принимать управленческие
решения касательно региона. На данном этапе уже создана нейронная сеть
«WaterИнсайт», которая всего лишь при помощи спутниковых изображений
может самостоятельно анализировать любой водоем и дать информацию о
его глубине, площади, тенденции к обмелению, взаимосвязи с
климатическими показателями и прочие показатели. Система уже была
протестирована на Керченском полуострове и показала хорошие
результаты: 96% точности, когда традиционные походы составляли около
70%.
Над проектом трудится коллектив исследователей Института Наук о Земле
Южного федерального университета под руководством ведущего научного
сотрудника, участника программы постдоков ЮФУ в рамках Программы
развития «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты») Дениса
Кривогуза. На данном этапе исследователи уже совершили значительный
прорыв в понимании взаимосвязи между климатическими изменениями и
динамикой водных объектов Керченского полуострова. Интегрируя
передовые методы геоинформатики, компьютерного зрения и глубокого
обучения, они предоставили важные данные, которые способствуют
разработке стратегий управления водными ресурсами в условиях
меняющегося климата.
В первом исследовании, опубликованном в журнале Q2 «Journal of Marine
Science and Engineering», была разработана методика, основанная на
использовании глубоких нейронных сетей и алгоритмов машинного обучения
для извлечения данных о площадях водных объектов спутниковых
изображений. Нейронная сеть позволила проанализировать водную
поверхность и отделить ее от суши в сложных условиях грязевых и не
грязевых озер Керченского полуострова, существенно увеличив точность до
этого существующих подходов.
«Использовались спутниковые данные Landsat, обработанные с помощью
алгоритма, который компенсировал местные атмосферные и световые
условия, обеспечивая точное извлечение информации о водных объектах в
различных временных интервалах. Сеть была обучена распознавать и
классифицировать различные типы водных объектов, включая их границы и
размеры, что было основой для дальнейшего изучения их динамики», –
рассказал Денис Кривогуз.
Таким образом, исходя из рисунка, очевидно, что по сравнению с
традиционными подходами к извлечению площадей водного зеркала озер
(красным, около 70% точности), подход команды ЮФУ (желтый) позволил
увеличить точность до 96%, по сравнению с данными полевых исследований
(зеленым).
Однако на этом команда ученых не остановилась. Используя результаты
своих исследований, они провели анализ долгосрочных тенденций и их
взаимосвязи с климатическими показателями, такими как температура,
влажность и атмосферные осадки начиная с 1985 года.
«Разработанная нами система «WaterИнсайт» сама анализирует, выводит
различные данные и графики, из которых мы уже делаем выводы о том,
насколько изменения климата влияют на водные ресурсы. Так,
климатические показатели с 1985 года были проанализированы с
применением временных рядов и статистических моделей, включая
регрессионный анализ, для выявления причинно-следственных связей и
прогнозирования будущих изменений», – отметил молодой ученый.
Исследователи применили модели обобщенных аддитивных процессов
(GAM) для учета нелинейных взаимосвязей между климатическими
изменениями и динамикой водных ресурсов, обеспечивая большую гибкость
в моделировании данных. Результаты указывают на обратную корреляцию
между температурой и площадью озер, особенно заметную летом из-за
интенсивного испарения. Дополнительный анализ показал, что изменения
осадков оказывают меньшее влияние на площадь водных объектов по
сравнению с температурой. Их роль, однако, становится более значимой в
долгосрочной перспективе, особенно в весенние месяцы, когда таяние снега
питает водоемы.
Интеграция метеорологических данных с данными дистанционного
зондирования предоставила ученым возможность выявить не только прямые,
но и косвенные влияния климата на водные ресурсы. Например, более теплые
зимы приводили к меньшему количеству снежного покрова и, как следствие,
к уменьшению притока воды в весенний период. Также существенный вклад
вносят техногенные изменения, связанные со значительным антропогенным
давлением в последние годы на территорию полуострова. Значительные
изменения в структуре землепользования и поверхностного покрова
предположительно оказывают значительный негативный эффект на
доступность водных ресурсов на полуострове.
«На наш взгляд, сегодня существует необходимость усиления мер по
адаптации к изменениям климата. Это включает в себя разработку
стратегий управления водными ресурсами, которые могли бы
минимизировать отрицательное воздействие на экосистемы и население,
живущее на территории Керченского полуострова», – добавил Денис
Кривогуз.
Исследования научного коллектива ЮФУ представляют собой важный шаг в
изучении экологических процессов и отражают глубокое понимание
взаимосвязей между климатическими изменениями и водными системами
Керченского полуострова. Такие научные достижения подчеркивают
важность интеграции различных научных дисциплин и подходов в борьбе с
экологическими вызовами нашего времени и служат образцом для будущих
исследований в области устойчивого развития и экологии.
Результаты последней работы опубликованы в научном журнале «Journal of
Marine Science and Engineering».
Ученые заявляют, исследование Керченского полуострова – лишь начало. В
скором времени они планируют внедрение результатов исследований в
других регионы Российской Федерации. Задачи системы управления «умного
региона» выходят далеко за пределы водных объектов, которые являются
лишь малой частью и одним из аспектов такого применения. Планируется,
что в будущем она будет представлять некий интернет-портал, содержащий
сведения о различных параметрах водной среды, например температуре и
прозрачности, а также условных границах особо интересных водных
объектов Ростовской области. Кроме того, когда система «натаскается»,
можно будет выявлять, как те или иные решения повлияют на будущее
региона: система сможет самостоятельно анализировать влияние различных
природных факторов на водные ресурсы территорий, а также как такие
изменения отразятся на остальных природно-ресурсных характеристиках
региона.
Подобные инновационные разработки ученых ЮФУ, безусловно, улучшат
понимание эволюционных процессов регионов РФ и в перспективе других
территорий нашей планеты.
Нет комментариев