Карта борщевика по космическим снимкам. Спутник – не панацея, ручное картирование неизбежно

При картографировании борщевика иногда применяют распознавание зарослей по спутниковым снимкам. Способ очень хорош как этап составления карты произрастания борщевика (следующий этап – это выезды на места и рисование участков руками), но ограничиваться только спутниковой картой нельзя. Для этого есть ряд объективных причин, которые изложены в данной статье.

1. Разрешение космических снимков

Чаще всего для составления карт используют бесплатные снимки. Пиксель снимка со спутника Sentinel соответствует участку земли размером 10х10 метров, и это ещё считается хорошее разрешение. То есть по снимкам, даже если бы был идеальный алгоритм распознавания, возможно найти только крупные заросли, размером более 3-4-х таких квадратов, расположенных рядом.

А между тем, с точки зрения эффективной борьбы в долгосрочной перспективе, наиболее приоритетны одиночные растения и небольшие заросли, так как именно с них начинается образование любых крупных зарослей. Следовательно, если мы хотим остановить дальнейшее распространение борщевика, от ручного рисования участков мы никуда не денемся.

2. Узкие полосы 

Отдельно отметим, что есть очень много зарослей даже большой площади, но имеющих форму узкой полосы. Это обочины дорог (автомобильных и железных), поймы рек, заросли под ЛЭП и др. Даже если их накрывает пиксель размером 10х10 метров, то кроме полосы борщевика туда попадает ещё много всего (например, дорожное полотно), что делает распознавание таких участков практически невозможным. Пример из практики – в сборнике на с. 27. Конечно, на свете есть снимки высокого разрешения, они могли бы избавить нас от этой проблемы, но снимки эти отнюдь не бесплатные, поэтому пока работаем с теми, что есть в распоряжении...

3. Заросли борщевика в лесу

Сверху борщевик не видно под кронами деревьев, даже если заросли большие и плотные (то есть подлесок уже вытеснен совсем). Однако, заниматься борщевиком в лесу тоже надо. Когда взрослые деревья умрут от старости или стихийных бедствий, то с подлеском из борщевика перспектива для леса весьма мрачная.

4. Заросли борщевика вперемежку с кустами

Даже если борщевик не закрыт полностью кронами деревьев, то в условиях ощутимого затенения, в борьбе за свет он теряет свою характерную «ядовитость» цвета и становится похожим на обычную нашу траву. В добавок к этому, ещё и деревья вносят свой вклад в среднее по пикселю значение. В итоге спектральные характеристики борщевика в таких условиях настолько сильно отличаются от "эталонных" характеристик в поле, что распознать борщевик в этих условиях практически нереально.

5. Объекты с похожим спектром

К примеру, есть такое растение – эхиноцистис лопастный (он же бешеный огурец), с ярко-зелёными листьями и белыми цветами. Из космоса его заросли очень похожи на заросли борщевика по спектральным характеристикам. Он тоже инвазионное растение, но в смысле масштаба бедствия до борщевика ему пока далеко, и поэтому пока что мы с ним не боремся (хотя при случае отнюдь не брезгуем скосить, сорвать или иначе навредить ему). Но раз уж мы составляем карту борщевика Сосновского, то желательно, чтобы на ней был только борщевик Сосновского. Кроме эхиноцистиса, ещё золотарник канадский (тоже инвазионный вид) до цветения по спектру очень похож на борщевик, у него тоже ярко-зелёные листья. А ещё довольно часто определяются как борщевик посевы сельскохозяйственных растений или недавно скошенные территории с молодой яркой травой (газоны).

То есть кроме определения борщевика есть ещё одна довольно сложная задача: отсеять лишние объекты, имеющие такой же (или почти такой же) спектр.

6. Нестандартный борщевик 

Бывает такое, что нормальный зелёный борщевик (не вспаханный, не похимиченный) имеет спектр "не-борщевика". По своим характеристикам он настолько сильно отличается от «эталонного», что алгоритмы распознавания бессильны. Этот феномен требует дополнительного изучения, но закрывать на него глаза нельзя. Такое бывает на глинистой почве, и скорее всего, ещё при каких-то условиях и обстоятельствах, про которые мы пока не знаем.

7. Места, где с борщевиком уже борются

Вспасханные поля и поля, обработанные химией, по спектральным характеристикам совершенно не похожи на борщевик. Никакой алгоритм их не распознает, это только люди на земле могут увидеть, что здесь есть борщевик.

8. Облака

На снимках чаще всего есть облака, то есть довольно большие территории вообще не видно. Бывают такие годы, что в некоторых регионах очень трудно найти хорошие снимки за период, когда борщевик на них лучше всего распознаётся. 

9. Тени

Допустим, нам повезло и удалось найти снимки, сделанные в ясные дни. Но это значит, чтоб объекты отбрасывают довольно контрастные тени. Если снимок сделан в утреннее или вечернее время, то тени эти довольно длинные, то есть накрывают ощутимые площади. Сделовательно, распознать участок с борщевиком, который растёт возле леса на теневой стороне или возле высоких домов, становится практически невозможно, потому что на снимке "борщевик на солнце" очень сильно отличается от "борщевика в тени".

10. Устаревание данных

По-хорошему, карту по спутнику надо переделывать раз в год, потому что ситуация очень быстро меняется. А переделывать – это значит, снова подбирать снимки без облаков, параметры для алгоритмов распознавания, совершать многочисленные выезды на места для верификации… Это большой труд, сравнимый с ручным картированием. И если ручное картирование можно распределить между очень многими людьми (каждый нарисует вокруг своего дома – вместе получим карту), то здесь нужны довольно квалифицированные специалисты, которых не так уж много не свете. И работа это будет стоить ощутимых денег. 

А нарисовать борщевик вокруг своего дома могут очень многие и совершенно бесплатно, это совсем просто. Таким образом, потенциал поддержания актуальности у «ручной» карты гораздо выше. А это важно, так как устаревают данные очень быстро. К примеру, администрация Московской области в 2018 году официально заявляла о 32000 Га, а в 2021 -- про 40000 Га. Конечно, за 3 года добавилось много участков, о которых сообщили люди через подмосковный портал для жалоб. Если бы мы сравнивали только спутниковые данные, то разница была бы менее заметной, но всё равно была бы.

11. На данный момент не существует совершенных полностью автоматических способов распознавания борщевика

Звучит страшно, но на самом деле, это меньшая из проблем. Ничего ужасного в этом нет. Просто чтобы сделать адекватную карту по спутниковым снимкам, надо вручную подбирать параметры, это не делается автоматически. Получившуюся в итоге карту тоже надо очень старательно проверять и перепроверять. Это реально, это возможно, но проверять придётся по вручную нарисованным участкам. А значит, их надо рисовать.

Поэтому просьба:

Отмечайте, пожалуйста, на карте известные вам места! И не только "красные зоны" (заросли борщевика), но и "зелёные зоны" (чистые, за которые вы уверены).

С зарослями — понятно, что их надо отмечать, к этому мы уже все привыкли. Но чистые зоны отмечать тоже надо для настройки распознавания по снимкам. Когда в регионе мало отметок борщевика, не понятно, как определить: угадал алгоритм или не угадал, верно распознал или не верно? Когда есть красные участки «точно ОН» и зелёные участки «точно НЕ ОН», то составителю карты становится сильно легче жить. Без этих данных можно ориентироваться лишь на те зоны, которые сам лично исходил ногами, но их не очень много.

К примеру, недавно Николай Петров делал карту для Псковской области в одиночку, но ему пришлось потратить на это три месяца в режиме аврала, он исходил пешком и изъездил на машине все места, куда смог добраться. Это колоссальная работа, которую вряд ли кто-то захочет и сможет повторить (в других регионах). А если бы было много «полигонов от людей», то Николай мог бы подбирать параметры дома за компьютером и управился бы с этой работой гораздо быстрее.

Итог

Пока что красные пиксели на спутниковой карте – это лишь повод выехать на место и нарисовать руками, что же там есть на самом деле.

Сделать карту по спутниковым снимкам довольно легко. Однако, сделать карту, соответствующую действительности, – довольно трудно. У имеющихся спутниковых карт не всегда высокая точность. Однажды на вопрос о результатах проверок последовал вот такой ответ: «Заказчик к нам претензий не предъявлял». Ну да, заказчик (не буду его называть, извините) написал отчёт, поставил галочку и претензий у него никаких нет. А проверки – да зачем они, со спутника же всё видно!

Так что если вы заинтересованы в том, чтобы в вашем регионе когда-нибудь появилась адекватная карта борщевика по спутниковым данным, то рисуйте участки руками и просите других людей это тоже делать. Без этого сложно будет добиться приемлемой точности спутниковой карты.