Искусственный интеллект и беспилотники помогут находить борщевик Сосновского

Ученые из Сколтеха разработали систему мониторинга для сельского хозяйства, позволяющую производить сегментацию изображения в режиме реального времени на борту Беспилотного Летательного Аппарата (БПЛА) и идентифицировать борщевик.

Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале IEEE Transactions on Computers.

Борщевик Сосновского – это вредоносное растение, представляющее опасность для сельского хозяйства, местных экосистем, а также для здоровья человека. Сок растения, попадая на кожу, под действием солнечных лучей вызывает сильнейшие ожоги, лечение которых возможно лишь под пристальным наблюдением врачей в течение нескольких недель. На данный момент распространение борщевика Сосновского стало настоящей экологической катастрофой – он распространился от центральной части России до Сибири, от Карелии до Кавказа. Ежегодно власти страны выделяют колоссальные суммы на борьбу с борщевиком — в 2020 году только в Москве было выделено 350 млн. рублей. Таким образом, борьба с борщевиком является одним из важнейших вопросов современного отечественного сельского хозяйства, экологии и здравоохранения.

В середине ХХ века борщевик планировалось применять в качестве кормовой культуры для скота в связи с высокой скоростью роста растения, его неприхотливостью и быстрым распространением. Однако очень быстро выяснилось, что борщевик не подходит в качестве корма, а его исключительные природные свойства являются серьёзной проблемой. Всего лишь одно растение способно давать до 100 000 семян в год, которые могут распространяться с помощью ветра. А это означает, что даже одно растение, пропущенное при очистке территории от борщевика, способно свести на нет результаты всей работы.

Именно с задачей точной локализации борщевика Сосновского в реальном времени и столкнулись учёные Сколтеха из Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных два года назад, когда приступили к разработке платформы для мониторинга. «Традиционные методы мониторинга недостаточно эффективны – наблюдение с земли слишком сильно зависит от человеческого фактора, а космическое зондирование хорошо подходит лишь для распознавания больших зарослей. Снимки со спутников имеют недостаточное разрешение, чтобы распознать отдельные растения, а зависимость от погоды и кратности орбиты делают такой метод непрактичным для получения наиболее актуальной информации», — рассказывает первый автор исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха Александр Меньщиков.

Исследователи приняли решение использовать БПЛА, которые позволяют получить самую свежую информацию о распространении растения с высоким разрешением даже когда небо затянуто облаками, а также отказаться от традиционной концепции «сбор данных – создание ортофотоплана – анализ полученного изображения» в пользу обработки данных аэрофотосъёмки прямо на борту БПЛА во время полёта. „Пусть традиционный подход и даёт наиболее исчерпывающую информацию об исследуемой территории, но его эффективность сравнима с обработкой данных на борту для сегментации одного типа объектов – борщевика Сосновского. Кроме того, традиционный метод требует ещё несколько часов для сшивки изображения и его анализа после окончания полёта, в то время как обработка на борту происходит во время полёта, а оператор получает данные о местоположении борщевика в реальном времени на базовой станции. Такой подход позволяет приступить к работам по уничтожению борщевика ещё до завершения полёта БПЛА, а к концу полёта оператор уже располагает всеми данными о местоположении всех растений на обследуемой территории“, – поясняет Александр.

Создание такого рода системы мониторинга подразумевает использование БПЛА и компактного вычислительного устройства на борту, которое способно запускать «тяжеловесные» алгоритмы сегментации на основе т.н. полностью свёрточных нейронных сетей (FCNN – Fully Convolutional Neural Networks). Такие нейронные сети позволяют выделять интересующие объекты (в данном случае – борщевик Сосновского) неправильной формы с точностью до пикселя, что в задаче детектирования борщевика даст возможность с точностью распознавать отдельные растения и, тем самым, увеличить шансы уничтожения сорняка на выбранной территории.

Главной проблемой при реализации проекта оказался запуск полностью свёрточных нейронных сетей на маломощных системах, таких как одноплатные компьютеры. Далеко не каждый компьютер имеет достаточно вычислительных ресурсов и далеко не каждый процессор поддерживает операции, необходимые для запуска FCNN. Поэтому ученым пришлось подобрать подходящую архитектуру одноплатного компьютера и оптимизировать нейронную сеть, чтобы она смогла запуститься на нем.

В качестве нейронных сетей для исследования были выбраны популярные архитектуры UNet, SegNet, ResNet и модифицированы для использования на одноплатном компьютере.

Разработанная система мониторинга была смонтирована на борт БПЛА и исследована в полёте. В результате удалось добиться обследования территории до 28 Га в течение 40 минут при полёте на высоте 10 метров.

При этом ни одно растение не было пропущено»,

– комментирует старший преподаватель Сколтеха Андрей Сомов, научный руководитель проекта.

Пусть на данный момент скорость обработки 4К изображения нашей системой не очень высок – до 0,7 кадров/сек., однако и при таких показателях система позволяет в несколько раз повысить эффективность локализации вредоносных растений»,

– добавляет Андрей Сомов.

Подход, лежащий в основе системы мониторинга, имеет огромный потенциал для сельского хозяйства. Разработку Сколтеха можно будет использовать для мониторинга других культур, в том числе с помощью мультиспектральной съёмки для выявления различных вегетативных показателей, оценки здоровья и наличия болезней растений.

Проект по идентификации борщевика – комплексное исследование, над которым трудились магистры, аспиранты и сотрудники трех центров Сколтеха: Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных, Центра по проектированию, по производственным технологиям и материалам и Космического центра – Александр Меньщиков, Дмитрий Шадрин, Виктор Прутьянов, Даниил Лопаткин, Сергей Соснин, Евгений Цыкунов, Евгений Яковлев и Андрей Сомов.

11.05.2021




Живая природа



Искусственный интеллект и беспилотники помогут находить борщевик СосновскогоИскусственный интеллект и беспилотники помогут на...

Ученые из Сколтеха разработали систему мо...

Секрет долгожительства обезьян-капуцинов нашли в фекалияхСекрет долгожительства обезьян-капуцинов нашли в ...

Международная группа ученых впервые секвениров...

Странные существа обитают на глубине Южного океанаСтранные существа обитают на глубине Южного океан

Глубоко подо льдами Антарктиды обнаружили новы

Спинозавры жили не на суше, а в водеСпинозавры жили не на суше, а в воде

Ученые из университета Портсмута нашли бо...

Эволюция - это дорога с двусторонним движениемЭволюция - это дорога с двусторонним движением

Солдаты муравьев-черепах выглядят словно персо...

Борнео - поистине кладезь новых видов!Борнео - поистине кладезь новых видов!

На малайзийском острове ученые открыли сразу ш...

Конфликты между животными и людьми неизбежныКонфликты между животными и людьми неизбежны

Возможно, вы видели, как крыса роетс...

Иногда "глупые" голуби соображают быстрее человекаИногда "глупые" голуби соображают быстрее человек

Германские ученые внезапно решили реабилитиров

Ученые разгадали тайну снежинкиУченые разгадали тайну снежинки

Свыше 400 лет назад известный математик и...

Рыба ищет где глубже, а человек ищет рыбуРыба ищет где глубже, а человек ищет рыбу

Морские биологи из университета Вашингтон...

В Финляндии породы деревьев распознают с помощью лазерных систем сканированияВ Финляндии породы деревьев распознают с помощью ...

На планете существуют разные виды деревьев, ча...

Что общего между собаками, детьми и иностранцами?Что общего между собаками, детьми и иностранцами?

Замечали ли вы, что мы часто го...

Открыт новый доисторический вид птицОткрыт новый доисторический вид птиц

Группа геологов из университета Рочестера...

Раскрыт принцип действия вентиляторов в ульяхРаскрыт принцип действия вентиляторов в ульях

Давно известно, что во время резкого...

Риск гибели заставляет обезьян взрослеть раньше времениРиск гибели заставляет обезьян взрослеть раньше в...

То, как у разных видов растут детены...

Привлекайте только тех, кого любитеПривлекайте только тех, кого любите

Какие лампы позволят насладиться летним вечеро

Ученые установили, что палочники ходят совсем не так, как считалось до сих порУченые установили, что палочники ходят совсем не ...

Палочники — популярная модель для&n...

Некоторые микроорганизмы пользуются проводами для получения энергииНекоторые микроорганизмы пользуются проводами для...

Клетки способны удовлетворять свои энергетичес...

У живых организмов открыта удивительная реакция на светУ живых организмов открыта удивительная реакция н...

Ученые из Массачусетского технологическог...

Аллигаторы, кайманы и другие, возможно, не перенесут похолоданияАллигаторы, кайманы и другие, возможно, не перене...

Меняющийся уровень моря и глобальное похо...

В ДНК червей найден выключатель старостиВ ДНК червей найден выключатель старости

Биологи из США как никогда близ...

Ученые выявили гены, связанные с электротаксисомУченые выявили гены, связанные с электротаксисом

Многие живые существа реагируют на электр...

Птицы используют контрольное взвешивание, выбирая пищуПтицы используют контрольное взвешивание, выбирая...

Хотя контрольных весов у них нет, не...

Британские тюлени глохнут из-за прибрежных ветряковБританские тюлени глохнут из-за прибрежных ветряк...

Шум от установки свай в ходе построй...

Ученые: блеяние - важный инструмент общенияУченые: блеяние - важный инструмент общения

Под блеянием обычно понимается крик овцы ...

Геккон-питбуль может подорвать здоровье хозяевГеккон-питбуль может подорвать здоровье хозяев

Токайский геккон, который за свой упрямый...

Ученые восстановили процесс превращения челюсти рептилий в птичий клювУченые восстановили процесс превращения челюсти р...

Ученые успешно копировали молекулярные процесс...

Зачем птицы строят куполообразные гнезда?Зачем птицы строят куполообразные гнезда?

Как защитить птенцов от хищников? Построй

Поиск на сайте

Магазин

  
Silicon Power Slim S70 60GB SSD накопитель2990.00 руб.

Знатоки клуба инноваций



ТОП - Новости мира, инновации

Наземные беспилотные роботы: будущее или настоящее?Наземные беспилотные роботы: будущее или настоящее?
Мастерские инноваций открылись в Казани на три дняМастерские инноваций открылись в Казани на три дня
Достаточно ли часа зарядки для нормального веса?Достаточно ли часа зарядки для нормального веса?
Незнание языков – не помеха для успехаНезнание языков – не помеха для успеха
Инвестиции в инновации: инертность преодоленаИнвестиции в инновации: инертность преодолена
Новости науки в массы следует нести в упрощенном форматеНовости науки в массы следует нести в упрощенном форма
В Татарстане на базе КФУ открылся инновационный центр Cisco. На очереди еще одинВ Татарстане на базе КФУ открылся инновационный центр
«Загадочный для многих медийщиков ресурс» снова в строю«Загадочный для многих медийщиков ресурс» снова в стро
Британский ученый выяснил, кому реже одобряют кредитБританский ученый выяснил, кому реже одобряют кредит
Исследована галактика с активным формирование звездИсследована галактика с активным формирование звезд
Классическая музыка полезна для новорожденныхКлассическая музыка полезна для новорожденных
Шизофреники непредсказуемы и способны на убийствоШизофреники непредсказуемы и способны на убийство
Щепотка калия позволит лучше сохранять водородЩепотка калия позволит лучше сохранять водород
Солнечная угроза наталкивает на мысли о переселении на МарсСолнечная угроза наталкивает на мысли о переселении на
Ученые разгадали тайну снежинкиУченые разгадали тайну снежинки

Новости компаний, релизы

Женские кулоны из серебра: подбираем тренды на зиму 2021/2022Женские кулоны из серебра: подбираем тренды на зиму 20
TalkBank вошел в топ-100 AIFinTech Global как один из самых инновационных поставщиков решений в миреTalkBank вошел в топ-100 AIFinTech Global как один из
Очень гибкие и термоэластичные спальные матрасы от Топ Матрас – лучшее решение для вашей спальниОчень гибкие и термоэластичные спальные матрасы от Топ
Morgenshtern и BTS: Spotify узнал, что слушала молодежь Казани этим летомMorgenshtern и BTS: Spotify узнал, что слушала молодеж
Акция магазина Ок Матрас и фабрики Agreen: 35% скидка на матрасы из латекса Clean HankaАкция магазина Ок Матрас и фабрики Agreen: 35% скидка