Ученые внедрили высокие технологии в озероведение
Ученые Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра РАН (СПб ФИЦ РАН) запустили новое междисциплинарное научное направление – аэролимнологию. В его рамках исследователи предлагают подход для изучения внутренних водоемов (например озер и водохранилищ), в котором комплексно соединены классические методы лимнологии, способы сбора информации с помощью беспилотников и сенсорных систем, а также обработка больших массивов данных на основе технологий искусственного интеллекта. Информация, получаемая с использованием методов аэролимнологии может применяться, в частности, для изучения донных ландшафтов, водных организмов (например, таких как ладожская кольчатая нерпа или гидробионтов) и для поиска полезных ископаемых в труднодоступных местах акваторий.
За долгие годы изучения водоемов сложилось несколько дисциплин и подходов к мониторингу их экологического состояния. С развитием техники все больше внедряются новейшие методы, например съемки с помощью беспилотников и применение искусственного интеллекта. Их часто используют при изучении больших и труднодоступных водных массивов, но они не слишком распространены для контроля состояния пресных озер и водохранилищ.
«Изучение водоемов, которое ведется в нашем центре в последние годы, показывает, что для перехода этих исследований на качественно новый уровень требуется обновление методик и подходов в междисциплинарном ключе. В ответ мы разработали новое научное направление — аэролимнология. Его задача — проведение исследований на стыке лимнологии (всего спектра классических методов изучения водоемов), робототехники — применения сенсорных систем для анализа водных объектов, БпЛА для получения информации при проведении съемки и замеров с воздуха, а также технологий искусственного интеллекта для оперативного решения задач при обработке большого объема информации», — рассказывает кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории гидробиологии ИНОЗ РАН–СПб ФИЦ РАН Дина Дудакова.
Для сбора большого количества информации в автоматическом режиме исследователи предлагают использовать созданные в СПб ФИЦ РАН комплексы, состоящие из беспилотных летательных аппаратов с разнообразными сенсорами и камерами, средств для их доставки к водоему, средств обеспечения функционирования. Заверка и детализация полученных данных в придонной части возможна с применением созданного в ИНОЗ РАН — СПб ФИЦ РАН беспилотного подводного аппарата «Лимноскаут».
Собранная с помощью подобных роботов информация может быть обработана с применением систем искусственного интеллекта и визуализации данных. Таким образом, удается не просто картирование водоемов, но построение функциональных цифровых моделей (ортофотопланов) рельефа дна и прибрежной зоны, температурных режимов, геологических структур мелководья, в том числе потенциально рудоносных. Для работы с такими геоинформационными системами в СПб ФИЦ РАН создали «Северо-Западный центр мониторинга и прогнозирования развития территорий», который работает в формате центра коллективного пользования. Так, с его помощью ученые уже разработали карты типизации берегов и геоморфологии Ладожского озера, которое является одним из важнейших водоемов Северо-Запада России.
Методы аэролимнологии также позволяют с высокой точностью отслеживать распределение и миграцию водной флоры и фауны, в частности, «цветение» синезеленых водорослей, вызывающих серьезные экологические проблемы и ухудшение качества воды. Кроме того, цифровая модель любого водоема может учитывать сведения о связанных с ним исторических событиях, информацию об антропогенном заселении различных прибрежных территорий и того, как это повлияло на состояние акватории.
«Аэролимнология представляет огромный интерес для гидробиологов, геологов, геофизиков, геоморфологов и многих специалистов многих других направлений. Одновременный сбор данных при аэросъемке акватории и прибрежных территорий, автоматизированная обработка больших объемов информации позволяют реализовать комплексный, более точный и эффективный подход к лимнологическим исследованиям и находить новые знания на стыке различных научных дисциплин», — рассказывает доктор географических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории географии и гидрологии Владимир Анохин.
В следующий полевой сезон планируется проведение масштабных работ на Ладожском озере — крупнейшем из европейских великих озер — в рамках развития аэролимнологии с использованием созданных в СПб ФИЦ РАН БпЛА. В процессе проведения этих работ будут разрабатываться методические подходы использования технологий искусственного интеллекта для обработки полученных комплексных данных о состоянии водоема.