Над проектом трудится коллектив исследователей Института Наук о Земле Южного федерального университета под руководством ведущего научного сотрудника, участника программы постдоков ЮФУ в рамках Программы развития «Приоритет-2030» (нацпроект «Наука и университеты») Дениса Кривогуза. На данном этапе исследователи уже совершили значительный прорыв в понимании взаимосвязи между климатическими изменениями и динамикой водных объектов Керченского полуострова. Интегрируя передовые методы геоинформатики, компьютерного зрения и глубокого обучения, они предоставили важные данные, которые способствуют разработке стратегий управления водными ресурсами в условиях меняющегося климата.

В первом исследовании, опубликованном в журнале Q1 «Journal of Marine Science and Engineering», была разработана методика, основанная на использовании глубоких нейронных сетей и алгоритмов машинного обучения для извлечения данных о площадях водных объектов спутниковых изображений. Нейронная сеть позволила проанализировать водную поверхность и отделить ее от суши в сложных условиях грязевых и не грязевых озер Керченского полуострова, существенно увеличив точность до этого существующих подходов.

«Использовались спутниковые данные Landsat, обработанные с помощью алгоритма, который компенсировал местные атмосферные и световые условия, обеспечивая точное извлечение информации о водных объектах в различных временных интервалах. Сеть была обучена распознавать и классифицировать различные типы водных объектов, включая их границы и размеры, что было основой для дальнейшего изучения их динамики», – рассказал Денис Кривогуз.

Таким образом, исходя из рисунка (Рис.1), очевидно, что по сравнению с традиционными подходами к извлечению площадей водного зеркала озер (красным, около 70% точности), подход команды ЮФУ (желтый) позволил увеличить точность до 96%, по сравнению с данными полевых исследований (зеленым).

Однако на этом команда ученых не остановилась. Используя результаты своих исследований, они провели анализ долгосрочных тенденций и их взаимосвязи с климатическими показателями, такими как температура, влажность и атмосферные осадки начиная с 1985 года.

«Разработанная нами система «WaterИнсайт» сама анализирует, выводит различные данные и графики, из которых мы уже делаем выводы о том, насколько изменения климата влияют на водные ресурсы. Так, климатические показатели с 1985 года были проанализированы с применением временных рядов и статистических моделей, включая регрессионный анализ, для выявления причинно-следственных связей и прогнозирования будущих изменений», – отметил молодой ученый.

Исследователи применили модели обобщенных аддитивных процессов (GAM) для учета нелинейных взаимосвязей между климатическими изменениями и динамикой водных ресурсов, обеспечивая большую гибкость в моделировании данных. Результаты указывают на обратную корреляцию между температурой и площадью озер, особенно заметную летом из-за интенсивного испарения. Дополнительный анализ показал, что изменения осадков оказывают меньшее влияние на площадь водных объектов по сравнению с температурой. Их роль, однако, становится более значимой в долгосрочной перспективе, особенно в весенние месяцы, когда таяние снега питает водоемы.

Интеграция метеорологических данных с данными дистанционного зондирования предоставила ученым возможность выявить не только прямые, но и косвенные влияния климата на водные ресурсы. Например, более теплые зимы приводили к меньшему количеству снежного покрова и, как следствие, к уменьшению притока воды в весенний период. Также существенный вклад вносят техногенные изменения, связанные со значительным антропогенным давлением в последние годы на территорию полуострова. Значительные изменения в структуре землепользования и поверхностного покрова предположительно оказывают значительный негативный эффект на доступность водных ресурсов на полуострове.

«На наш взгляд, сегодня существует необходимость усиления мер по адаптации к изменениям климата. Это включает в себя разработку стратегий управления водными ресурсами, которые могли бы минимизировать отрицательное воздействие на экосистемы и население, живущее на территории Керченского полуострова», – добавил Денис Кривогуз.

Исследования научного коллектива ЮФУ представляют собой важный шаг в изучении экологических процессов и отражают глубокое понимание взаимосвязей между климатическими изменениями и водными системами Керченского полуострова. Такие научные достижения подчеркивают важность интеграции различных научных дисциплин и подходов в борьбе с экологическими вызовами нашего времени и служат образцом для будущих исследований в области устойчивого развития и экологии.

Результаты последней работы опубликованы в научном журнале «Journal of Marine Science and Engineering».

Ученые заявляют, исследование Керченского полуострова – лишь начало. В скором времени они планируют внедрение результатов исследований в других регионы Российской Федерации. Задачи системы управления «умного региона» выходят далеко за пределы водных объектов, которые являются лишь малой частью и одним из аспектов такого применения. Планируется, что в будущем она будет представлять некий интернет-портал, содержащий сведения о различных параметрах водной среды, например температуре и прозрачности, а также условных границах особо интересных водных объектов Ростовской области. Кроме того, когда система «натаскается», можно будет выявлять, как те или иные решения повлияют на будущее региона: система сможет самостоятельно анализировать влияние различных природных факторов на водные ресурсы территорий, а также как такие изменения отразятся на остальных природно-ресурсных характеристиках региона.

Подобные инновационные разработки ученых ЮФУ, безусловно, улучшат понимание эволюционных процессов регионов РФ и в перспективе других территорий нашей планеты.
Текст: Сопрунова Ю.Г.