«Інтересу до наших досліджень від держави не було»
Як працює цей метод?
Наталія: Початкова інформація від супутника ― це просто сигнал відбиття сонячного світла від землі. Сирий знімок складається з більш чи менш яскравих пікселів у різних частинах діапазону. Але методи машинного навчання дозволяють зрозуміти, що означає той чи інший піксель на землі, відтак дізнатися, що відбувається в кожній конкретній точці. Наприклад, аналізуючи штучні об’єкти, за конфігурацією цих пікселів можна визначити, чи це дороги, чи теплиці в селах, чи міста. Так само можна дізнатися, що певну ділянку землі періодично затоплює, а вода біля берегу цвіте.
Леонід: Для карт ми використовуємо і оптичні, і радарні дані супутників Sentinel. Ми створюємо класифікацію на основі фотоінтерпретацій ― на їхній основі моделюємо зразки, які використовуємо для навчання нейронної мережі й продукування карти. Територію ми покриваємо полігонами, які містять різні типи земного покриву ― вода, ліс, луг ― і використовуємо їх як навчальні дані, а на іншій карті тестуємо точність. Точність наших карт Донбасу перевищує 90%, а точність карт класифікації земного покриву ― понад 95-97%.
Радарні можуть бути дуже зашумленими. Тож для розпізнавання дрібних об'єктів ми фільтруємо дані дуже малим вікном. Коли ж створюємо карту для роботи з більшими об’єктами ― наприклад, болота ― фільтруємо більшим вікном. Якщо фільтрувати достатньо малим вікном, то буде видно навіть окремі дворики між будинками. Для різного типу землекористування будують різні карти. Наприклад, будинки краще видно на оптичних картах, ніж на радарних. Можна використовувати поодинокі знімки, а можна ― повний часовий ряд для певного проміжку, щоб побачити зміни в часі. А для дослідження якості повітря можна використовувати продукти MODIS, що дозволяють оцінювати різні шари атмосфери. Різні завдання визначають підходи.
Які сфери можна вивчати за допомогою такого моніторингу?
Наталія: Найперше це землекористування і якість повітря. І це насправді дуже багато, адже і водні ресурси входять у поняття землекористування, і ліси, і сільське господарство, і необроблювані землі, і болота, і «гола» земля на зразок кар’єрів, і міста. Наприклад, за вогнями міста можна визначити якість життя: для країн, що розвиваються, є кореляція між рівнем освітлення вночі та ВВП.
Леонід: Створили навіть окремий індекс бідності, пов'язаний з освітленням у містах.
Наталія: З містами ми працюємо в проєкті SmartCity, що досліджує розвиток розбудови міст і міських агломерацій. Пілотним містом у ньому є Київ, але про подібні дослідження вже просили у Львові, Ірпені, Рівному. У Європі це затверджена технологія, яку використовують для планування розвитку всіх міст з населенням понад 100 тисяч. В Україні її не було з багатьох причин, зокрема й тому, що в нас на державному рівні не закупаються знімки, немає державної стратегії використання супутникових даних для планування містобудівництва. Тож ми адаптували технологію до наших умов. Але вона потребує високої деталізації, тобто багато обчислювальних ресурсів, і неможливо відразу покрити нею всю країну.
А які проєкти стосуються сходу?
Наталія: Проєкти на Донбасі держава не фінансує. Цьогоріч з’явився інтерес від донорських організацій, напевно, у зв'язку з планами відбудови й інвестицій у регіон ― Світовий банк, ОБСЄ, ООН. Наприклад, для донорів ми створювали карту боліт Донбасу. Логічно, що вони хочуть застосовувати технології, які використовують у багатьох інших країнах.
Раніше ми досліджували землекористування на Донбасі з власного дослідницького інтересу, без замовлень і фінансових підкріплень. Результати й можливості демонстрували РНБО, різним міністерствам, але інтересу не було. Влада в нас змінюється дуже швидко ― швидше, ніж встигає усвідомити, що їй потрібно. І коли приходить наступна команда, ми знову все пояснюємо. Зараз і в державних органів виник інтерес до наших напрацювань ― думаю, до цього спонукає інтерес донорів.
Зараз ми починаємо новий проєкт. NASA оголосило конкурс проєктів для американських дослідників з дослідження hot spots, тобто гарячих точок. Гарячими точками називають території з різкою зміною землекористування ― це і війни, і природні катастрофи, і масштабні вирубки. В Університеті Меріленду професором, що співпрацює з NASA, є випускник нашої кафедри. Він подав проєкт на дослідження сходу і переміг. Тепер NASA платить американській команді, а ми є співвиконавцями. Тобто це міжуніверситетське співробітництво. Ми змогли до нього долучитися, бо показали на безкоштовних картах результат: наприклад, вивчали зв’язок деградації земель з вкладом регіону у ВВП країни.
Університет Меріленду є провідним в аналізі землекористування. В Україні ж фактично немає університетів, що готують фахівців у цій сфері. Вони повинні розумітися не тільки на штучному інтелекті, бо предметна галузь дуже специфічна.
Леонід: В описі PhD-позиції Університету Меріленду вказано, що для роботи в цій сфері треба мати експертне знання у прикладній математиці, географії, економіці й соціології. Тобто це міждисциплінарна робота.
«Окупована територія занедбана не тільки поруч з лінією розмежування, а й на кордоні з Росією»
Розкажіть більше про цей проєкт з NASA.
Наталія: Він почався у січні. Ми вже проаналізували, як змінилося землекористування у 2021 році порівняно з 2013. Ми не аналізували весь часовий ряд, але надалі будемо і цим займатися. І ми бачимо, що зміни проходять по лінії розмежування.
Загалом це проєкт деградації земель. Люди розуміють, що це означає погіршення, але це дуже широке поняття. Фактично визначення й ознаки будуть відрізнятися залежно від предметної галузі.
Наприклад, у Луганській області на окупованій території опинилися об’єкти Смарагдової мережі в долині річки Сіверський Донець. Помітно, що 2013 року там був щільний ліс ― на карті це темно-зелені квадратики. А 2021 року вони вже світло-зелені ― це вирубки. Як для заповідника, то вирубано дуже багато дерев. Неконтрольовані вирубки спричиняють порушення всієї екосистеми.
Леонід: Також ми знаходили цікаву ділянку, коли будували цю карту: спершу подумали, що це шум на карті, бо частина лісу просто зникла, ніби на луг перетворилася. Подивилися на знімки ― а там просто ліс помер: дерева стоять чорні, сухі. І з 2017 року це мертве дерево просто там стоїть. Маємо припущення, що це сталося через порушення водного балансу.
Наталія: Для таких змін треба прослідковувати динаміку, щоб зрозуміти, у який момент вони відбулися. Треба карти вищої розподільчої здатності. Зараз ми працюємо з безкоштовними знімками, де в одному пікселі ― 10 метрів. Вони не для всіх задач годяться, а докладніші треба закуповувати. Наприклад, ми закуповуємо в межах фінансування від NASA.
Які зміни для регіону є характерними?
Наталія: Наприклад, на сході зменшилася площа оброблюваних земель ― на 216,4 тис. га. Багато земель, що оброблялися у 2013 році, нині є закинутими, вони просто заростають травою. За цим надзвичайно добре видно лінію розмежування: уздовж неї на окупованій території нічого не обробляють, на відміну від підконтрольної території Донецької і Луганської областей. Ми не знали, де саме проходить лінія розмежування, але за цим показником використання сільськогосподарських земель чітко побачили.
Також вивчали якість повітря за концентрацією дрібнодисперсного пилу (2,5 мікрони), що утворюється під час згорання твердого палива. Помітно, що з 2015 року й аж дотепер якість повітря покращується, кількість цих частинок впала удвічі. Це означає, що виробництво на окупованій території поступово завмирає. Наразі ми плануємо більш детально проаналізувати якість повітря в місцях, де були сконцентровані промислові об’єкти ― це дозволить зрозуміти, які з них продовжують працювати, а які спинилися. Це можна зрозуміти також за допомогою температурних карт, бо через постійне згорання палива там мусить бути вища температура. Достеменно зараз цього ніхто не знає.
Леонід: Помітно, що інтенсивність змін на окупованій території вища, ніж на неокупованій. Навіть детально не вивчаючи їх і не маючи точних чисел, уже зараз із карт видно руйнацію окупованої території.
Ви згадали про зміну в кількості сільськогосподарських земель. Чи є якісь детальніші цифри?
Наталія: На непідконтрольній території спостерігаємо переважно втрату сільськогосподарських земель, з кожним роком усе більше необроблюваних.
Леонід: А на підконтрольній території обробляють усе, навіть ділянки біля річок, які регулярно затоплює.
Це пов’язано з тим, що після окупації індустріальний сектор став відігравати меншу роль у житті регіону?
Леонід: Так, можна зробити таке припущення. Але на цю ситуацію також впливає і загальний тренд розорювання всього, що можна. Тобто на підконтрольній території Донецької і Луганської областей сільське господарство розвивається за темпами, що характерні для всієї України. Натомість на окупованій території сільське господарство схоже на катастрофу ― від нього практично нічого не залишилося. Про стійкий підхід там ніхто й не чув ― роками поспіль висаджують соняшник, що може спричинити деградацію землі ― рекомендовано садити соняшник щонайчастіше на 4 роки. Але це технічна культура, що приносить швидкі гроші, тому на це не зважають.
У розрахунках вказано, що на території поруч з лінією розмежування (по 7 кілометрів в обидві сторони) втрачено 46% сільськогосподарських земель. Яка різниця між окупованою та неокупованою територією на цій ділянці?
Наталія: У цю цифру, безумовно, більший внесок зробила непідконтрольна територія. Натомість на підконтрольній відновлення відбувається аж під саму лінію розмежування.
Леонід: Так, з нашої сторони дехто примудряється садити щось аж під саму лінію розмежування. З іншого боку, ці землі просто покинуті. Там, найімовірніше, вже ніхто і не живе, нема кому це відновлювати. Навіть коли воєнні дії не такі інтенсивні. Й окупована частина областей занедбана навіть на кордоні з Росією ― усі дані вказують на неймовірний спад не тільки поруч з самою лінією розмежування.
А чи помітні зміни у водних ресурсах?
Леонід: Ми не маємо саме про це точних даних, але зараз бачимо деякі опосередковані ознаки, що вказують на можливе опустелювання. Наприклад, на карті поля розпізнаються не як сільськогосподарські землі, а я штучні об'єкти. Схожу ситуацію ми бачили в Азербайджані, коли поля вкривала кірка солі ― тоді зростає яскравість відбитого світла і показники наближаються до показників штучних матеріалів, які використовують під час будівництва. Але щоб мати точні числа, треба побудувати окрему карту під засолення того регіону.
А як щодо міст?
Леонід: Наприклад, я вивчав освітлення, і помітно, що за ці роки Київ, Львів, Дніпро постійно розширюються, а на окупованому Донбасі тенденція негативна.
Але аналізуючи міста, ми помітили цікавий ефект. У цілях сталого розвитку є індикатор 11.3.1, за яким визначають розширення міст ― рахують зміну площі міст до зміни приросту населення. Через бойові дії у приміських зонах багато будинків покинуті, ця територія заростає зеленню і на картах уже не розпізнається як штучні об’єкти. У NASA передбачають, що зменшення площі міст може відбуватися під час стихійних лих, наприклад, це відбувається різко, просте місто швидко відновлюється. І це не впливає на загальні тренди, які вимірюють за 5-10 років. У нас же міста стають покинутими, площа продовжує зменшуватися. Водночас зменшується і кількість населення. Зрештою, якщо поділити від'ємний приріст забудови на від'ємний приріст населення, отримуємо додатне число, що показує, ніби міста окупованого Донбасу розвиваються так само, як європейські чи американські.
Але це глобальні цілі сталого розвитку, які використовують для порівняння різних країн. І наша ситуація показує, що індикатори не завжди є коректними. Але їх можна удосконалювати.
Які специфічні дослідження Донбасу можна було б провести за допомогою цієї методики, якби був інтерес і фінансування?
Леонід: Наприклад, на території Донбасу зараз багато закинутих шахт. У результаті маємо величезні території, на яких відбувається просідання ґрунту. Як можна буде говорити про відновлення і побудову нової інфраструктури, не маючи інформації про просідання ґрунту? Великі об'єкти просідання можна визначати за допомогою супутників типу Sentinel-1. На вимірюванні просідання хмарочосів вони показали точність до міліметрів.
Так само можна було б досліджувати забруднення водойм шахтними водами. Теоретично, за спектром можна було б зрозуміти, які хімічні елементи потрапили у воду і як саме ― чи це був разовий викид, чи довгостроковий процес.
Наталія: Ці напрямки перспективні, але важливо, щоб держава це розуміла і робила замовлення. Якщо в когось буде інтерес, ми готові досліджувати, але кожна така робота вимагає занурення не лише в технологію обробки даних, але й у предметну галузь ― екологія, наприклад.
«Наша держава ще не дійшла до створення програми фінансування»
Чи чекаєте ви на зміни в органах влади і більше зацікавлення до ваших інструментів?
Наталія: Зараз проєкти на неокупованій території Луганської і Донецької областей полягають у тому, що запрошені міжнародні експерти визначають, чи повертати землі й природні ресурси до колишнього призначення, чи щось змінити. Тут повинні працювати економісти, але ми можемо надавати дані.
В останні роки справді через це виникає інтерес, наприклад, у Міністерства захисту довкілля та природних ресурсів. Ситуація змінюється, але ми десять років отримували від органів влади відповідь, що їм це нецікаво. Наприклад, коли в Міністерстві сільського господарства вирішували, кому виплачувати дотації через вимерзлу пшеницю ― ми пропонували подивитися за нашими картами постраждалі поля, але вони сказали, що самі знають, кому платити.
В останні роки ситуація змінюється через донорів, але виникає інша проблема: наша влада хоче, щоб усе зробили безкоштовно. Але ж фахівці з машинного навчання високо оплачувані і як волонтери не працюватимуть. Наша держава ще не дійшла до того, що має бути програма фінансування. У нас досі немає державної програми, яка фінансувала б супутниковий моніторинг на потреби різних галузей. Єдиний раз ми отримали державне фінансування на наукову роботу від Національного фонду досліджень України. Подали чотири проєкти, і всі вони отримали кошти.
Крім того, ми ж не єдині в Україні цим займаємося. Наприклад, є Національний центр управління і випробування космічних засобів. Вони теж працюють з такою технологією, але наша робота не скоординована в межах Національної космічної програми.
А чи може зарадити в цій ситуації запланований на кінець 2021 року запуск супутника «Січ-2-1»?
Наталія: Дуже добре, що Україна планує щось запускати. Але дуже погано, що це розробка 20-річної давності. Це вже застаріла модель. На мій погляд, це просто запуск бюджетних коштів у повітря.
Отриманню даних це ніяк не сприятиме. Коли українські супутники розробляли, ніхто не думав про використання таких даних. Але супутник не можна розглядати як окремий об’єкт, це космічна система, куди входить і збір даних, і їхня передача на Землю, і обробка. Наприклад, для супутників Sentinel існує багато алгоритмів і технологій обробки, тому ці дані затребувані. Вони стандартизовані, мають певний рівень якості. Про ці питання в Україні не подумали, тому навіть якщо супутник і надаватиме якісь дані, вони не відповідатимуть жодному міжнародному стандарту.
Космічна програма України в останні 5 років нормально не фінансується. Відповідно все, що можна використати, було розроблено ще 5 років тому. Згадайте, який у вас був телефон 5 років тому? От приблизно так само відрізняються супутники. Починати треба не з того, щоб запустити те, що завалялося на складах, а з визнання проблеми, обнулення всього і створення нормальної державної програми. В Україні для цього вдосталь фахівців.
Яким ви бачите практичне застосування ваших даних для цього регіону?
Леонід: Передусім ці дані можна буде використати у стратегії відновлення після завершення війни. Поняття відновлення таке саме нечітке, як і поняття деградації. Найбільш популярне визначення ― зменшення біофізичної продуктивності землі. Але як це виміряти? Тож на Донбасі треба буде провести оцінку й інвентаризацію того, що є, побачити, яка земля лишилася продуктивною, що треба відновлювати. На відновлення потрібен час і підбір практик.
І я сподіваюся, що колись постане питання репарацій Україні від Росії. Їх повинні розрахувати в тому числі за рахунок таких даних, це допоможе більш точно оцінити збитки. У суд необхідно буде йти з конкретними цифрами.
