Глубокое обучение помогает в глобальной оценке концентраций пигментов фитопланктона

Сообщество фитопланктона отражает изменения в морской среде и помогает понять факторы, стоящие за эволюцией экосистем. Количественная оценка концентрации пигментов в фитопланктоне критически важна для всесторонней оценки таксономической классификации и структуры сообщества.

Исследовательская группа под руководством профессора Ли Сяофэна из Института океанологии Китайской академии наук добилась прогресса в инверсии глобальных концентраций пигментов фитопланктона с использованием алгоритмов глубокого обучения. Они разработали модель на основе глубокого обучения (DL-PPCE) для оценки концентраций 17 различных пигментов фитопланктона по спутниковым данным.

Исследование опубликовано в Remote Sensing of Environment.

Входными данными модели являются параметры цвета океана, спутниковые параметры окружающей среды и наклон спектральной отражательной способности над поверхностью. Модель была валидирована на данных высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC) и показала преимущества для анализа динамики сообщества фитопланктона в большом пространственно-временном масштабе.

Используя модель DL-PPCE, исследователи провели анализ временных рядов глобальных концентраций пигментов, полученных по данным спектрорадиометра MODIS за период 2003–2021 гг. Они обнаружили, что область, доминируемая прокариотами, расширилась к востоку от 180°E до 150°W во время события Эль-Ниньо 2015/2016. С 2003 по 2021 год численность прокариот положительно коррелировала с интенсивностью Эль-Ниньо, но отрицательно — с численностью всего сообщества фитопланктона.

Дистанционное зондирование цвета океана позволяет получать данные о поглощении света фитопланктоном, которое напрямую связано с концентрацией пигментов. «Однако одновременное получение глобальных концентраций нескольких пигментов является сложной задачей из-за изменчивости оптических свойств морской воды и эффекта упаковки на поглощение фитопланктоном», — сказал Ли Сяолун, первый автор исследования.

«В нашем исследовании мы используем новый подход для оценки глобальных концентраций пигментов фитопланктона, — сказал профессор Ли, автор-корреспондент. — Избегая предположений о спектрах поглощения пигментов и используя глубокое обучение, мы установили нелинейные связи между переменными дистанционного зондирования и концентрациями пигментов фитопланктона. Этот подход обеспечил высокую точность оценки концентраций пигментов».