Российские ученые разработали новую модель нейросети для классификации покрова Земли
Ученые ЮФУ совместно с коллегами из других российских вузов разработали новую модель на основе глубокой нейронной сети CNN, с помощью которой раскрыли интересные аспекты изменения поверхностного покрова Керченского полуострова на протяжении последних трех десятилетий. Эта работа, опирающаяся на передовые методы машинного обучения и искусственного интеллекта, вносит фундаментальный вклад в понимание процессов, происходящих в данном регионе.
Молодой ученый Южного федерального университета, участник программы постдоков ЮФУ в рамках Программы развития «Приоритет-2030»(нацпроект «Наука и университеты») Денис Кривогуз в сотрудничестве с коллегами из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПб-ГМТУ) и Керченского государственного морского технологического университета (КГМТУ) провел совместное исследование, результаты которого изложены в журнале «Data».
Они взяли за основу методы машинного обучения, включая четыре существующие глубокие нейронные сети, модифицировали архитектуру и подобрали нужные гиперпараметры для обучения их под заданные задачи: классификация воды, городских земель, открытых почв растительности и прочее. Для определения эффективности данных моделей специалисты протестировали их на примере Керченского полуострова. Так, наиболее точной (около 90%) оказалась глубокая нейронная сеть CNN, модифицированная для классификации покрова Земли.
Хоть идея классификации почвенного покрова не нова, все существующие исследования в большей степени опираются на комплексные полевые данные, однако в этой работе изучается возможность и надежность использования альтернативных источников, таких как топографические карты, научные статьи и кадастровые данные, которые анализирует искусственный интеллект. Этот метод позволил анализировать обширные наборы информации, включая архивные спутниковые снимки, чтобы классифицировать разнообразные типы покрова земной поверхности. Полученные данные способствуют более глубокому понимаю процессов, которые происходили на Керченском полуострове начиная с начала 90-х годов.
«Результаты этого исследования имеют огромное значение для понимания изменений в поверхностном покрове Керченского полуострова и схожих с ним территорий. Это не только научная ценность, но и практическая важность в рамках управления природными ресурсами», – постдок и ведущий научный сотрудник кафедры океанологии Института наук о Земле ЮФУ Денис Кривогуз.
Так, благодаря новой модели ученые выделили следующие аспекты изменения поверхностного покрова. Во-первых, на исследуемой территории был отмечен активный рост урбанизации полуострова, особенно на востоке начиная с 2014 года, что выражается в активной застройке городской среды новыми зданиями и сооружениями, транспортными сетями и т.д. По оценкам экспертов, в сравнении с предыдущими периодами, когда наблюдалась относительная стагнация, рост является существенным. Во-вторых, несмотря на увеличивающуюся аридизацию полуострова и изменения климата, в большей степени изменения в структуре полуострова вызвано антропогенным воздействием, а не какими-либо природными факторами. В первую очередь это обусловлено сокращением водных ресурсов в связи с перекрытием Северо-Крымского канала и, как следствие, сокращением территорий, занимаемых сельским хозяйством. Третьим интересным аспектом является достижение стабильности в использовании земель в последние годы, что ярко контрастирует с периодом нестабильности в 90-х и начале 2000-х, что скорее всего связано с более четким планированием стратегического развития отраслей экономики этого региона и Республики Крым в целом.
По словам молодого ученого, исследование предоставляет возможность разработки эффективных стратегий управления природными ресурсами, особенно в контексте устойчивого развития страны. Разнообразные типы покрова, такие как водные объекты, городские территории, открытые почвы и растительность, могут быть более точно классифицированы и исследованы благодаря этим разработкам. Это позволит принимать более обоснованные решения в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
«Исследование Керченского полуострова – лишь начало. Мы не собираемся останавливаться на этом регионе и планируем внедрение результатов исследований в другие регионы Российской Федерации. Это открывает двери для использования аналогичных методов в управлении природными ресурсами по всей стране», – подытожил Денис Кривогуз.
Исследование, проведенное учеными из Южного федерального университета, СПб-ГМТУ и КГМТУ, представляет собой пример совместных усилий исследовательского сообщества в решении важных проблем природы и устойчивого развития. Результаты этой работы не только открывают новые горизонты в понимании природы и ландшафтов Керченского полуострова, но и создают фундамент для развития устойчивых стратегий управления природными ресурсами в Российской Федерации.