Спутниковые данные, лесные пожары и искусственный интеллект обеспечение безопасности винодельческой отрасли в условиях климатических вызовов

Satellite data, forest fires, and artificial intelligence ensuring safety in the winemaking industry amidst climate challenges

Пожары, дым, засухи… Когда вы готовитесь насладиться восхитительным глотком австралийского Семильона в этот вечер, посвятите мгновение размышлению о замечательном пути стойкости, который он прошел, прежде чем украсить ваш стол.

Вы также можете прочитать эту статью на блоге Kablamo Engineering.

Климатическое испытание: пересечение изменения климата и производства вина

Австралия, занимающая 5-е место в мире по экспорту вина, занимает важное место в мире виноделия. Долина Хантера, самый древний винодельческий регион Австралии, расположенный всего в нескольких часах езды на север от Сиднея, столкнулась с серьезным вызовом. Согласно Климатическому атласу Wine Australia, этот регион ожидает повышение средней температуры на 2,3 градуса Цельсия в следующие 50 лет. Это приводит к непредсказуемым погодным условиям и увеличенному риску пожаров, вызванных усиливающимся потеплением. Долина Хантера уже столкнулась с возрастающей уязвимостью перед пожарами, угроза усиливается в свете изменения климата.

Опасность не возникает только из-за прямого воздействия огня. Помимо виноградников, которые прямо подвергаются воздействию пламени, опасность также исходит от дыма, идущего от близлежащих пожаров. «Запыленность дымом», явление, возникающее, когда частицы дыма прилипают к кожице винограда, ухудшает качество вина, произведенного из этих виноградов, что приводит к значительным потерям урожая.

• Проблемы в генерации стоп-сигналов в Llama 2
• Почему вашим потокам данных нужна обратная связь в замкнутом контуре управления
• Как хранить исторические данные более эффективно

Приближение явления Эль-Ниньо летом 2023 года вызывает двойное беспокойство из-за рекордной жары и экстремальной засухи. Накопление топлива, сухость, погодные условия, способствующие возникновению пожаров, и молниеносная активность вместе повышают вероятность частых пожаров. Следовательно, сочетание засухи, засохшей растительности и непрецедентной жары может подвергнуть опасности винодельческую отрасль. Смягчение таких рисков требует эффективных стратегий предотвращения пожаров, точной оценки рисков и стратегических усилий по сокращению опасности.

Бдительное глазо природы: использование спутниковых данных для оценки здоровья земли

Спутники играют ключевую роль в арсенале ученых, позволяя им отслеживать атмосферу, рельеф и океаны Земли. Спутник Sentinel-2, компонент Европейской программы Коперника, назван в честь польского астронома Николая Коперника, является миссией наблюдения Земли, которая фиксирует оптические изображения с высоким пространственным разрешением (от 10 до 60 метров) над сушей и прибрежными водами. Спутник Sentinel-2 состоит из двух полярных орбитальных спутников и предоставляет данные каждые 5 дней.

Спутник Sentinel-2 использует видимые, ближний инфракрасный и кратковолновый инфракрасный датчики по 13 спектральным полосам. Здесь цветовой композит объединяет несколько спектральных полос – видимые красную, зеленую и синюю полосы – с соответствующими красными, зелеными и синими каналами, напоминая то, что видит человеческий глаз.

Эти 13 полос позволяют вычислять индексы, оценивающие здоровье растительности, обнаруживать изменения в ландшафте и даже оценивать риск пожаров. Один из бесценных индексов, полученных из спектральных полос Sentinel-2, – Улучшенный индекс вегетации (EVI). Адаптированный для улучшения видимости растительности при минимальном атмосферном влиянии, EVI предоставляет информацию о здоровье растительности. Здоровая, зеленая и увлажненная растительность соответствует более высоким значениям EVI, в то время как более сухая и менее здоровая растительность, указывающая на риск пожаров, соответствует более низким значениям EVI.

Иллюстративное различие видно в сравнении между нездоровой и сухой растительностью во время пожарного сезона 2019–20 гг. в Австралии (Черное лето) и процветанием растительности в декабре 2021 года.

Желтый цвет означает очень здоровую растительность, а темно-зеленый цвет указывает на ее нездоровое состояние.

Индекс EVI предоставляет количественную оценку здоровья растительности, позволяя винодельням отслеживать общее состояние своих виноградников в целом, а не отдельных растений. Это может помочь выявить ранние признаки, которые могут не быть сразу очевидными невооруженным глазом. Путем отслеживания тенденций изменения EVI со временем и их сравнения с историческими данными, мы можем рано выявить условия засухи и предупредить руководителей виноградников о необходимости принять соответствующие меры. Анализируя данные EVI вместе с данными о влажности почвы, мы можем разработать стратегии орошения, обеспечивающие эффективное использование воды и предотвращающие пере- или недоорошение. Данные EVI также могут обнаружить ранние признаки возможных заболеваний, влияющих на виноградники — нездоровая растительность может указывать на присутствие вредителей или болезней.

ПИКСЕЛИ В ПРЕЦИЗИЮ: УЛУЧШЕНИЕ АНАЛИЗА: ИССЛЕДОВАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Превышая региональные оценки, достижима более точная оценка отдельных полей. В связи с ограниченностью размеченных данных, применяется безнадзорный подход к категоризации схожих сельскохозяйственных полей на основе их индекса EVI и базовых спектральных полос. Этот подход основан на предположении, что подобные типы растений проявляют аналогичные реакции на изменения окружающей среды.

Поскольку мы не имеем информации о точных границах полей, мы можем использовать безнадзорный алгоритм машинного обучения, кластеризацию K-средних, чтобы разделить неразмеченные точки данных на K кластеров на основе их сходства. В контексте данных Sentinel-2, K-средние позволяют группировать схожие пиксели в соответствии с их спектральными характеристиками и значениями EVI.

Результатом кластеризации K-средних являются метки кластеров, которые назначают каждую точку данных одному из K кластеров. K-средние в основном работают, как сортировка цветных шаров по группам путем нахождения их среднего цвета. В области данных Sentinel-2, эти метки служат для идентификации областей, характеризующихся схожими спектральными характеристиками. Затем эти области могут быть подвергнуты дальнейшему анализу для получения ценной информации, такой как классификация использования земли и мониторинг окружающей среды, а также в качестве входных данных для алгоритма сегментации.

Чтобы извлечь отдельные поля с еще большим разрешением для облегчения анализа отдельных полей, мы можем использовать алгоритм Фельценцвальба, технику сегментации, широко применяемую в обработке изображений и компьютерном зрении.

Этот алгоритм функционирует как инструмент сегментации сверху-вниз, агрегирующий пиксели схожих характеристик и пространственной близости в сегменты или регионы. Это похоже на то, как нарисовать линии вокруг квадратов схожих цветов на картинке, чтобы создать формы. Этот метод упрощает извлечение и анализ отдельных полей для будущих исследований, таких как управление точным сельским хозяйством, прогноз урожайности или оценка риска отдельных полей.

ОЦЕНКА РИСКА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ: ПРОДВИНУТОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

Существует потенциал использования спутниковых данных для проактивного управления лесными пожарами. С помощью спутниковых изображений мы можем оценить как отдельные поля, так и целые регионы на предмет их подверженности лесным пожарам, а также, с помощью силы искусственного интеллекта, прогнозировать здоровье растительности, условия засухи и вспышки заболеваний.

Оценка риска лесных пожаров может быть рассчитана с использованием уже упомянутого индекса EVI, а также других индексов, вычисленных на основе спутниковых полос, таких как нормализованный индекс разницы воды (показатель присутствия жидкой воды), нормализованный индекс горения (используется для идентификации сгоревших участков и количественной оценки степени сгорания) и текущая поверхностная температура.

Кроме того, эти индексы и спутниковые данные играют решающую роль в помощи государственным и федеральным агентствам в повышении устойчивости промышленности, планировании готовности к бедствиям и предварительном распределении ресурсов для восстановительных мероприятий. Такой коллаборативный подход гарантирует сохранение не только винодельческой промышленности Хантерс-Вэлли, но и других важных секторов, уязвимых перед вызовами, создаваемыми быстро меняющимся климатом.