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 гидробионты) и для поиска полезных ископаемых в труднодоступных местах акваторий. Концепция нового исследовательского направления изложена в научном журнале Informatics and Automation.
Междисциплинарные направления исследований аэролимнологии и привлекаемые методы и средства других наук
Вода покрывает около 70% поверхности Земли, кроме того, она играет важнейшую роль в функционировании общества, являясь источником водоснабжения, орошения и обводнения территорий, обеспечения работы промышленности. Пресная вода является одним из ценнейших ресурсов человечества. Прочие минеральные и биологические ресурсы, которые содержатся в пресноводных водоемах, могут представлять большой интерес для науки и экономики. По геофизическим данным, в акватории водоемов могут прослеживаться рудоносные структуры, перспективные на выявление новых месторождений полезных ископаемых, что имеет стратегическую значимость для развития добывающей промышленности.
За долгие годы изучения водоемов сложилось несколько дисциплин (лимнология, гидрология, геоморфология дна и др.) и подходов к мониторингу экологического состояния водных объектов, которые для повышения эффективности решения конкретных задач привлекают методы, подходы и технические решения из более молодых научных направлений, таких как, например, аэрология или технологии искусственного интеллекта. Однако комплексных концепций, связывающих воедино методы классической лимнологии и последние достижения в сферах применения конкретно беспилотных летательных средств (БПЛА) и автоматизированных систем для сбора и обработки большого массива данных, ранее не существовало.
«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 – аэролимнологию. 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 Сергеевна Дудакова.
Для сбора большого количества информации в автоматическом режиме исследователи предлагают использовать созданные в СПб ФИЦ РАН комплексы, состоящие из беспилотных летательных аппаратов с полезной нагрузкой, средств для их доставки к водоему, средств обеспечения функционирования. Полезная нагрузка может включать различные сенсоры: видеокамеры высокого разрешения, мультиспектральные и инфракрасные камеры, тепловизоры, спектрометры и магнитометры. Заверка и детализация полученных данных в придонной части возможны с применением созданного в ИНОЗ РАН – СПб ФИЦ РАН беспилотного подводного аппарата «Лимноскаут», обеспеченного аналогичными сенсорами.
Собранная с помощью подобных роботов информация может быть обработана с применением систем искусственного интеллекта и визуализации данных. Таким образом, возможно не просто картирование водоемов, но и 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.
Цифровая геоморфологическая карта Ладожского озера
Методы аэролимнологии также позволяют с высокой точностью отслеживать распределение и миграцию водной флоры и фауны, в частности, «цветение» сине-зеленых 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 Михайлович Анохин.
В следующий полевой сезон планируется проведение масштабных работ на Ладожском озере – крупнейшем из европейских великих озер - в рамках развития аэролимнологии с использованием БПЛА, созданных в СПб ФИЦ РАН. В процессе проведения этих работ будут разрабатываться методические подходы использования технологий искусственного интеллекта для обработки полученных комплексных данных о состоянии водоема.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПб ФИЦ РАН
