20 сентября в России отмечается День работников леса и лесоперерабатывающей промышленности. Принимать поздравления будет и учёный-географ Алтайского государственного университета Людмила Долгачева. Получив практический опыт в лесном хозяйстве, она перенесла свои знания в науку и разработала методику выявления повреждённых насаждений с применением искусственного интеллекта. Алгоритм планируют внедрять в региональном Центре защиты леса.
Бесценный ресурс
Когда идёшь по лесу, он кажется бескрайним и могучим. Но в масштабах региона залесенность составляет всего 20 процентов. Поэтому каждый лесной участок — на вес золота, и очень важно следить за их состоянием и вовремя реагировать на какие-то изменения.
Обследование лесных насаждений ведётся регулярно и несколькими способами. Ранее одним из самых точных методов считался осмотр лесопатолога с непосредственным выездом на местность. Но в крае есть такие труднодоступные территории, куда физически не попасть специалисту. Да, в принципе, каждое дерево не обойдёшь, а вертолётный облёт — слишком дорогое удовольствие. И здесь наиболее эффективны дистанционные методы исследования. Старший преподаватель кафедры физической географии и геоинформационных систем Алтайского государственного университета, кандидат географических наук Людмила Долгачева разработала алгоритм с применением искусственного интеллекта, позволяющий дистанционно с точностью свыше 90% определять стадии повреждения деревьев.
«Ранее применялось дистанционное зондирование лесов — то есть дешифрирование спутниковых снимков, что позволяло оценить по цветовым характеристикам поверхности площадь повреждения, — рассказывает учёный. — Однако этого недостаточно для точной диагностики. Мы подключили к процессу сверхточную нейронную сеть U-Net, обученную анализировать данные по форме и геометрии крон. Это позволяет не просто выделить повреждённый участок, а ещё подразделить его по степени повреждения: начальную, напряжённую, критическую».
Методика поможет работникам лесного хозяйства в планировании природоохранных мероприятий. Если стадия начальная — дерево ещё можно спасти обработкой. В ситуации критической повреждённые деревья необходимо срочно убрать, чтобы вторичные вредители и болезни не перекинулись на здоровые насаждения.
— Каждая стадия длится два-три года, и, если ничего не предпринимать, за десять лет происходит полное отмирание дерева, — уточняет Людмила.
Причины усыхания
В качестве полигонов для проверки алгоритмов были взяты два модельных участка края. Первый — Новичихинское лесничество. В 2016–2017 годах здесь произошло масштабное поднятие грунтовых вод, озёра вышли из берегов. 24 тысячи гектаров ленточных боров оказались затоплены, что привело к усыханию деревьев. Второй участок — Горно-Колыванское лесничество, где хозяйничает полиграф уссурийский — стволовый вредитель, завезённый в край с Дальнего Востока вместе с древесиной. Для него здесь нашлась подходящая порода (пихта) и благоприятные климатические условия. Как выяснилось в ходе исследования, в Новичихинском лесничестве площадь усыхания за пять лет увеличилась на пять тысяч гектаров, а в Горно-Колыванском очаги повреждения жуком-короедом за восемь лет выросли в два раза.
«В Новичихинском районе масштабы усыхания страшные: всё вокруг стоит жёлтое и мёртвое. Это тысячи гектаров. И к ним не подъехать, не подойти, не доплыть, чтобы посчитать урон лесосистеме, — поясняет учёный. — Но благодаря дистанционному мониторингу мы можем отследить, как процесс переходит из стадии в стадию, и хотя бы локализовать очаги, чтобы спасти соседние здоровые деревья. И за последние годы ситуация там действительно стабилизировалась».
В Горно-Колыванском лесничестве очаги также на труднодоступной территории. Давным-давно совершался вертолётный облёт этих насаждений, он позволяет визуализировать проблему, но опять же трудно понять масштабы.
— Очаг там функционирует давно, — отмечает Людмила. — Он то разрастается, когда климатические условия для него благоприятные, то затухает. Зависит от температур, влажности. Нынешний год был достаточно благоприятен для его распространения: лето жаркое, а влажность недостаточно высокая. Впрочем, увидеть изменения моментально нельзя: вредитель действует на дерево, и отмирание начинается только через два-три года. Поэтому процесс носит стадийный характер, и изменения проявляются с задержкой.
Что касается исходных данных, то они доступны. Для официальных служб, таких как Центр защиты леса, АлтГУ поставляются российские космические снимки системы «Канопус». А в открытом доступе есть зарубежные спутниковые снимки среднего пространственного разрешения — нужно только зарегистрироваться на сайте и скачать фото на интересующую площадь. И, по сути, каждый может посмотреть, что происходит с алтайскими лесами.
«Мне хотелось в своей работе отразить именно универсальность метода, — говорит разработчик. — Понятно, что нужна специальная подготовка, глаз дешифровщика, опорные данные. Но если человек хоть немного разбирается в этой теме, то может, используя алгоритм, самостоятельно дистанционно исследовать лес».
От практики к методу
На сбережение лесов Людмила Долгачева смотрит не только с точки зрения учёного, который видит лесное хозяйство по спутниковым снимкам, она ещё и практик. Сразу после окончания магистратуры работала в филиале «Рослесозащиты» — Центре защиты леса Алтайского края, в отделе дистанционных наблюдений и геоинформационных систем.
— Мы уже тогда начали понемногу обследовать леса дистанционным методом, — рассказывает она. — Поначалу к нему относились скептически, потому что закоренелые лесники привыкли доверять тому, что сами увидели. А тут мы смотрим на какую-то «картинку» и делаем выводы. Приходилось объяснять, что это не просто картинки, а набор каналов с определённой информацией, которую можно считать. Лесопатологи выезжали на участки с повреждениями, выявленные по результатам дистанционных обследований, и они всегда подтверждались. Сейчас уже такой методике больше доверяют. Кроме того, по спутниковым снимкам можно посмотреть на ситуацию ещё и в динамике. А если они не могут выехать в труднодоступные места, тогда остаётся только доверять данным.
Да и дистанционные лесники работают непосредственно в полях. На самом первом тренировочном выезде Людмила Долгачева и заразилась безоговорочной любовью к лесу.
«Я всегда специализировалась на геоинформационных системах и данных дистанционного зондирования, но только непосредственно при выездных работах поняла, как на самом деле важно каждое дерево леса, — делится учёный. — Его хоть и за год не обойти, но его не так много, как кажется. И мне захотелось его защитить, попытаться объять необъятное. Кроме того, видя, какой тяжёлый труд у лесников и лесопатологов, как они переживают, когда не могут попасть в труднодоступные места, появилось стремление облегчить их работу. Разработанный алгоритм берёт на себя рутину, которую раньше лесникам приходилось выполнять вручную, и превращает труднодоступные чащи из «слепых зон» в территории под контролем».
Методика оценки насаждений на основе алгоритмов ИИ предложена для внедрения в Центр защиты леса Алтайского края. Её уже успешно применяли для обследования ленточных боров.
В дальнейшем есть возможность дообучить алгоритм на выявление других болезней леса и факторов, влияющих на распространение того или иного вредителя, а также исследовать антропогенные вмешательства.
В планах — создание единой геоинформационной платформы для отслеживания климатических и биологических угроз лесам Алтайского края.
— Это будет своего рода онлайн-платформа, куда можно зайти и посмотреть, на каких участках леса есть повреждения, причём по стадиям, — рассказывает Людмила. — Можно слои подключить по болезням, вредителям, пожарам — всё объединить в единую геоинформационную систему. База специализированных тематических и пространственных данных лесничеств Алтайского края уже есть. Человека полностью заменить в лесном хозяйстве, конечно, невозможно, но помочь работникам леса эти технологии могут.
