Российские ученые переписывают правила экологического мониторинга Арктики
Несмотря на то, что Арктика по-прежнему воспринимается как одно из самых нетронутых мест на планете, регион все больше ощущает на себе антропогенное воздействие. Большую опасность для экосистемы заполярья представляет микропластик. «Носителями» этих вредных частиц оказались 90% птиц – такие данные приводят исследователи в научном журнале FMS.
Новгородский государственный университет совместно с Институтом океанологии РАН представил цифровой проект MICROSCAN, который выведет диагностику арктических вод на новый уровень.
Арктика под наблюдением ИИ
Разработчики создали крупнейшую в мире открытую базу инфракрасных спектров реального микропластика из вод восточной Арктики – 2010 частиц размером от полумиллиметра до пяти миллиметров, собранных в водах Белого, Баренцева, Карского, Восточно-Сибирского морей и моря Лаптевых.
Главная недоработка всех предыдущих систем распознавания заключалась в том, что искусственный интеллект учили на «стерильном» заводском пластике. Но в реальном океане пластик искажается. Его меняют соленая вода, агрессивное ультрафиолетовое излучение и микроорганизмы. Определить такой «состарившийся» мусор по стандартным библиотекам практически невозможно. База MICROSCAN объединила фрагменты именно из естественной среды.
Во время эксперимента каждый образец проверяли трижды: традиционным сопоставлением спектров, методом экспертной оценки химиков и нейросетевой моделью. Сверточная нейросеть CNN1D может распознавать до 120 типов полимерных материалов почти с абсолютной точностью в 96-97%. Теперь ученые доверят рутинную, но важную работу по идентификации загрязнений цифровому интеллекту, освободив время для более сложных аналитических задач.
Единые правила идентификации
В Мировом океане «плавает» более чем 25 миллионов тонн пластика. По оценке ООН, к 2050 году его удельный вес будет превышать вес всех рыбных ресурсов. Каждый год от загрязнений погибают примерно миллион морских птиц и 100 тысяч млекопитающих.
В 2021 году Институт океанологии РАН выпустил фундаментальную монографию «Микропластик в морской среде», обобщив методы исследования. В 2022 году ученые Томского государственного университета изучили пути поступления мусора через сибирские реки Енисей и Обь, которые считаются главными «артериями», доставляющими антропогенный мусор в Арктику. А в 2023 году на повестке дня встал вопрос унификации методов для корректного сопоставления данных для всей Евразийской Арктики.
В 2024 году мировое научное сообщество, включая экспертов МАГАТЭ, закрепило тренд на использование ИИ для анализа сложных спектров. Разработка новгородских ученых как раз вписывается в него, но с учетом уникальной арктической специфики. Раньше методики изучения микропластика отличались, результаты было сложно свести в общую картину. MICROSCAN же предлагает единый язык для идентификации мусора. Таким образом, технология ускорит анализ проб, которые привозят из экспедиций.
Универсальное пособие
В прошлом году Дальневосточный федеральный университет совместно со Школой анализа данных «Яндекса» представили нейросеть, которая определяет загрязнение водоемов в труднодоступных регионах. Модель по спутниковым снимкам и съемке с беспилотников отмечает координаты расположения мусора на карте, указывает его состав и вес, может даже прогнозировать перемещение, учитывая течения и метеоусловия. С помощью нее провели уборку на охотоморском побережье Южно-Камчатского заказника. Там было собрано около 3 тонн морского мусора. 85% составляет пластик – тара, фрагменты рыболовных снастей и другой бытовой сор.
MICROSCAN как раз станет «универсальным учебным пособием для машинного обучения» подобных моделей. Открытый российский датасет могут использовать исследователи других стран для обучения и проверки собственных моделей.
Разработчики в ближайшие годы базу, вполне возможно, расширят за счет новых полимеров, интегрируют нейросети прямо в бортовые лаборатории экспедиций, включат эту технологию в государственную систему экологического мониторинга акватории Северного морского пути. Сейчас такая комплексная система только формируется, и MICROSCAN займет в ней центральное место.
