Что делает дерево хорошим? Мы использовали ИИ, чтобы спросить птиц

Травянистые эвкалиптовые редколесья когда-то покрывали миллионы квадратных километров на юго-востоке Австралии, но сегодня сохранилось менее 5%. Утрата старых крупных деревьев стала кризисом для многих видов птиц и других животных, зависящих от них как от среды обитания.

Восстановить эту среду непросто. Нет быстрого способа создать вековое дерево.

Одно из решений — создавать искусственные структуры, имитирующие черты старых крупных деревьев, в деградировавших средах, где деревья не могут расти или слишком молоды и малы. Мы работаем над этим в регионе Молонгло в Канберре вместе со Службой парков и охраны природы Австралийской столичной территории.

Чтобы построить такие структуры, нужно понять, что является хорошей средой обитания с точки зрения животного. Для этого мы разработали методы использования ИИ и машинного обучения, чтобы включить в процесс проектирования заинтересованные стороны, не являющиеся людьми, — в данном случае птиц и деревьев. По сути, мы привлекли старые крупные деревья в качестве главных дизайнеров, а птиц — в качестве взыскательных оценщиков их работы.

Деревья, птицы и опоры ЛЭП

Экосистема Молонгло, когда-то процветавшая, теперь фрагментирована и повреждена. Старые крупные деревья становятся все более редкими.

Эти деревья, некоторым из которых более 500 лет, обеспечивают сложную структуру крон, необходимую птицам для гнездования, поиска пищи и ночевки. По мере расширения городской застройки и отмирания старых деревьев возникает проблема заполнения пустоты, оставленной этими гигантами.

В регион уже вводили модифицированные опоры ЛЭП и перемещенные мертвые деревья в качестве замены среды обитания. Эти структуры могут обеспечивать важные элементы, такие как присады на высоте, гнездовые ящики и кора, которых нет у саженцев. Однако очень сложно понять, какие именно черты старого крупного дерева важны для птиц, что ограничивает ценность искусственных структур.

Тщательный анализ изображений и других данных может помочь выявить эти черты. Например, мы и наши коллабораторы обнаружили, что птицы предпочитают для присада и гнездования небольшие горизонтальные ветви.

Изучая птиц, мы можем узнать их предпочтения к определенным характеристикам, уже «спроектированным» деревьями. Следующей задачей было использовать эту информацию для проектирования лучших структур-сред обитания.

Учимся у деревьев

Мы использовали процесс, включающий сбор данных, прогнозное моделирование и итеративный дизайн. ИИ и машинное обучение были незаменимы для интерпретации сложных пространственных данных.

Сначала мы картировали каждое дерево, отражая миллионы лазерных лучей от каждого квадратного сантиметра его поверхности, чтобы получить облака точек, описывающих кроны. Затем с помощью алгоритмов мы идентифицировали и измеряли значимые атрибуты, такие как ориентация, размер и соединение ветвей. Лучшее понимание предпочтений птиц к этим атрибутам может информировать дизайн искусственных замен.

Затем мы разработали статистические модели для прогнозирования поведения птиц. Эти модели были основаны на долгосрочных наблюдениях за взаимодействиями птиц, проведенных Филипом Гиббонсом из Австралийского национального университета. Моделируя, как птицы могут использовать искусственные ветви, мы могли улучшать наши проекты, чтобы лучше соответствовать их потребностям.

Переосмысление искусственных сред обитания

Для генерации разнообразных искусственных крон мы разработали дополнительные алгоритмы. Вместо того чтобы оценивать получившиеся проекты по тому, насколько они похожи на дерево для человеческого глаза, мы использовали нашу модель поведения птиц, чтобы понять, как эти структуры могут служить пернатым обитателям.

Дополнительной целью было создание легких конструкций, которые легко устанавливать, перенастраивать и демонтировать. Наши симуляции показали, что по сравнению с опорами ЛЭП и мертвыми деревьями эти структуры могут обеспечить значительное повышение пригодности среды обитания.

Возвращение в поле

В настоящее время мы строим прототипы на основе наших проектов, но завершающим этапом процесса будут полевые испытания, чтобы выяснить мнение птиц. Птицы могут давать обратную связь о характеристиках искусственных структур через свое взаимодействие с ними. Эти испытания помогут сделать проекты еще лучше.

В настоящее время процессы проектирования, даже для заинтересованных сторон, не являющихся людьми, таких как птицы и деревья, доминируют человеческие перспективы и экспертиза. Наши результаты показывают, как расширение круга творческого вклада и оценок может улучшить процесс проектирования. Результаты этого процесса могут принимать форму «непрерывных услуг», устойчиво обеспечивая укрытие или другие ресурсы.

Хотя мы надеемся построить лучшие искусственные структуры, важно помнить, что нет настоящей замены старым крупным деревьям. Мы также должны сохранять имеющиеся деревья и сажать новые для будущего.

Более широкие последствия для дизайна

Принципы «сверхчеловеческого» дизайна, использованные нами в Канберре, имеют и более широкое применение. Многие среды по всему миру сталкиваются с похожими проблемами. Переосмыслив текущие подходы к проектированию и планированию, мы можем создавать более инклюзивные и устойчивые среды для многих различных форм жизни.

Ключевое изменение — рассматривать другие виды как новаторов и экспертных участников дизайна. Развивая существующие усилия по общению с китами, летучими мышами и медоносными пчелами, этот подход использует ИИ для включения вклада нечеловеческих форм жизни с целью создания новых и лучших проектов.

Наше кейс-исследование показывает, как партисипаторные подходы, включающие нечеловеческих существ, могут обходить человеческие предубеждения. В результате мы открываем гораздо более широкий спектр возможных проектов.

Справедливый дизайн

Мир сталкивается со многими неотложными экологическими кризисами. Для решения этой задачи нужны инновационные, инклюзивные подходы к дизайну. Деревья уже являются отличными дизайнерами, так же как птицы — отличными оценщиками их работы, и если мы включим их мнение, то сможем создавать лучшие «сверхчеловеческие» проекты.

Мы считаем, что использование ИИ для предоставления голоса нечеловеческим заинтересованным сторонам может привести к лучшим решениям, в которых многие виды смогут сосуществовать. Наша работа в Канберре — пример того, как партисипаторный дизайн может создавать более справедливое и устойчивое будущее для всех живых существ.

Мы признаем инициативу Даррена Ле Ру в исследовании и установке искусственных структур-сред обитания для поддержки биоразнообразия.