Мониторинг опустынивания для ФНЦ Агроэкологии РАН

Темы

• Зачем ведется мониторинг опустынивания
• Как устроена система мониторинга опустынивания
• Результаты проекта

Зачем ведется мониторинг опустынивания

Опустынивание в результате антропогенного и естественного воздействия на природные экосистемы является одной из самых сложных и важных проблем современности. В нашей стране проблема деградации земель и развития эрозии с каждым годом вызывает всё больше опасений среди ученых.

Для изучения и борьбы с данным явлением в России создан Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук. Одна из задач центра - изучать процессы эрозии почв, вырабатывать, тестировать и внедрять технологии борьбы с негативными процессами. Центр продолжает работу на основе многолетних советских программ изучения и борьбы с данным явлением. Всё же, несмотря на некоторые существенные успехи, во многом проблема остается нерешенной.

Одним из основных барьеров в изучении процессов опустынивания специалисты называют сложность сбора и систематизации данных. Например, точечные полевые обследования участков развития опустынивания выполняются регулярно на специальных полигонах, но в таких сведениях много субъективных факторов. Есть и множество других проблем. Для разработки эффективных средств борьбы с опустыниванием необходимы более совершенные способы сбора и сопоставления информации. 

Для совершенствования процессов наблюдения за опустыниванием в ФНЦ Агроэкологии РАН было принято решение о внедрении технологий геопространственного анализа вкупе с тематическим анализом космической съемки. Такой подход позволяет собирать, объединять и сопоставлять информацию по обширным территориям за многие десятки лет. При внедрении технологий спутникового мониторинга одной из задач является уменьшение трудозатрат на сбор, обработку и анализ данных, а также оптимизация процессов формирования информационной продукции и улучшение ее качества. Эти задачи и призвана решать информационная система «Опустынивание и его мониторинг». Современный инструментарий помогает специалистам ФНЦ Агроэкологии не только проводить более качественные исследования, но больше внимания уделять оценке ситуации и планированию фитомелиорационных мероприятий.

Интерфейс системы

Как устроена система мониторинга опустынивания опустынивания

В октябре 2022 года «Терра Тех» и ФНЦ Агроэкологии РАН приступили к разработке системы «Опустынивание и его мониторинг». Реализация проекта заняла порядка 2 лет: вначале был разработан макет системы, проведены полевые работы по сбору эталонов, разработаны уникальные алгоритмы и тематические продукты, отработана технология по пилотным регионам и тестовым участкам.

Система сбора полевых данных

Сбор полевых данных выполнялся с использованием специально разработанного ФНЦ Агроэкологии мобильного приложения, благодаря которому достигается единообразное описание точек полевых обследований.

Затем была реализована полнофункциональная система, проведены дополнительные масштабные полевые обследования, выполнен многолетний ретроспективный анализ процессов опустынивания в масштабах 14 регионов России, подверженных опустыниванию. Система представляет собой геоинформационный сервис, снабженный инструментами сбора, анализа и визуализации данных космической съемки. Сложнейшая задача определения участков опустынивания решается поэтапно, на основе нескольких видов продуктов. Специально для данной системы команда «Терра Тех» разработала и обучила автоматические алгоритмы распознавания процессов опустынивания на космических снимках.

Продукты системы мониторинга опустынивания

Конечным результатом являются два синтетических информационных продукта: степень опустынивания и деградация земельных участков. В системе реализовано несколько цепочек автоматического создания информационных продуктов на основе космических снимков и полевых данных. Автоматическое распознавание выполняется с использованием нейронных сетей архитектуры U-Net, обученной распознавать на снимках области распространения дефляции и аккумуляции, области засоления, слабозаросшие пески и ряд других классов, необходимых для работы алгоритмов. В процессе формирования карт процессов опустынивания алгоритм сравнивает серии спутниковых снимков и проводит пространственное и временное сопоставление различных процессов, обнаруженных нейросетью. К результатам распознавания нейронными сетями добавляются аналитические данные, полученные на основе различных индексных изображений, а также материалы кадастра и полевые эталонные данные. Эти сведения комплексируются вместе для создания конечных синтетических продуктов.

Логический граф продукта

Далее результаты исследований по отдельным участкам обобщаются для получения сводной информации по регионам исследований и выводятся на единую карту руководителя, представляющую общие статистические данные по стране. Кроме того, в системе предусмотрен модуль формирования готовых аналитических отчетов, собирающий результаты исследования в наглядный документ с картографической и графической информацией.

Результаты автоматического исследования

Результаты проекта

По итогам двухлетнего проекта создана и внедрена уникальная система мониторинга процессов опустынивания по всей территории России. В процессе реализации собрано более 550 полевых эталонов в различных природно-климатических зонах (ранее мы писали об этом подробно), разработаны инновационные автоматические инструменты определения участков опустынивания, картировано опустынивание на территории 14 регионов.

Федеральная аналитика

Разработанная система обеспечивает высочайшую степень автоматизации деятельности сотрудников ФНЦ Агроэкологии РАН, направленной на моделирование состояния, функционирования и динамики процессов опустыненных территорий и помогает в управление процессами опустынивания аридных территорий и земель, подверженных опустыниванию. Внедрение технологии позволит уменьшить трудозатраты на сбор и анализ данных, а также повысить качество аналитической продукции для принятия решений по борьбе с опустыниванием.

Система размещена по адресу http://gis.vfanc.ru/, доступами к системе управляет ФНЦ Агроэкологии РАН.

Видео о работе системы вы можете посмотреть здесь.

В октябре 2024 года проект стал призером престижного международного экологического конкурса «Зеленая Евразия» в номинации «Мониторинг и прогнозирование климатических изменений».