Мониторинг антарктического мха с помощью дронов, датчиков и ИИ

Вблизи австралийской станции Кейси, в 3880 км к югу от Перта, находятся зеленеющие моховые покровы. Их состояние ухудшается из-за изменения климата, истощения озонового слоя и волн тепла, но исследовать проблему сложно из-за коротких периодов сбора данных.

В декабре 2022 года команда биологов, операторов дронов и программистов отправилась на станцию Кейси на два месяца, чтобы изучить мох и найти новые способы его дистанционного мониторинга.

Миниатюрные леса, кишащие жизнью

Мох — доминирующая растительность Антарктиды. Он создает среду обитания для беспозвоночных, микробов и грибов, которые составляют более 99% наземного биоразнообразия континента. Моховые покровы напоминают миниатюрные леса.

Антарктический мох создает собственный теплый микроклимат, используя пигменты для поглощения солнечного света. Это тепло способствует фотосинтезу и помогает мху растапливать снег для получения жидкой воды. Микрорельеф покрова (холмики и впадины) определяет количество получаемого света и создает различия в микроклимате и здоровье мха.

Исследователи собирали образцы мха, измеряли фотосинтез и размещали датчики, регистрирующие температуру полога в разных точках. Мох, растущий на расстоянии всего в 30 см, может иметь разную температуру: в одной точке +19°C, а в другой +0,6°C.

Умные датчики, камеры и передатчики

Был протестирован первый прототип автономной платформы для долгосрочного мониторинга. В течение полутора месяцев она собирала данные об интенсивности света, температуре и влажности воздуха, температуре полога мха, а также об энергообмене между почвой и воздухом. Веб-камера MossCam делала регулярные снимки покрова.

В Антарктиде была установлена первая антенна для беспроводной сети LoRaWAN (маломощная, дальнодействующая и бесплатная). Это позволило передавать данные в Австралию почти в реальном времени и отображать их на специальной панели управления.

Дроны и гиперспектральная съемка

Было выполнено 25 полетов дронов над двумя Особо Охраняемыми Районами Антарктики (ASPAs 135 и 136). Работа в Антарктиде сопряжена с трудностями: близость к магнитному полюсу нарушает навигацию GPS, сильный ветер осложняет полеты, а сильный холод сокращает время работы батарей. Дроны были модифицированы: оснащены системой RTK GPS для устранения погрешностей позиционирования, системами резервирования и обогревателями батарей.

За каждый полет дроны делали 5000–10000 снимков. Они также были оборудованы датчиками, запрограммированными на регистрацию «спектральных подписей» — оптических идентификаторов, которые отличают мох, скалы и снег на изображениях.

С помощью машинного обучения на основе этих изображений будет создана модель для идентификации растительности (мха, лишайников, цианобактерий). Также будут разработаны карты растительности и гидрологии, 3D-туры и VR-опыт для поддержки природоохранных решений.

Сейчас команда анализирует собранные данные и дорабатывает платформу для мониторинга мха, надеясь вернуться в Антарктику для ее развертывания в конце года.