Аспиранты Сколтеха и искусственный интеллект борются с сорняком

Возможно, такое применение искусственного интеллекта напомнит выражение «бить пушкой по воробьям». На самом деле ситуация с борщевиком, точнее борщевиком Сосновского, в Подмосковье очень серьезная: ядовитым сорняком заражено больше 32 тыс. га, и, как сообщает официальный сайт правительства Московской области, на борьбу с ним в 2020 году будет выделено около 350 млн руб.

В 1940-е годы растение было решено выращивать как кормовую культуру, однако молоко у коров, которым скармливали борщевичный силос, было горьким и невкусным. От использования борщевика в сельском хозяйстве отказались, и в 1970-х годах он начал захватывать огромные территории, успешно вытесняя все другие растения: семена борщевика содержат масла, не дающие развиваться конкурентам. В год каждое растение борщевика производит до 100 тыс. семян, которые сохраняются в почве (и успешно прорастают) в течение пяти-семи лет.

C этим, наверное, можно было бы смириться, если бы растение не было так опасно для человека и животных. Борщевик очень ядовит: сок его, попадая на кожу, под действием солнечных лучей вызывает страшные ожоги, которые очень трудно лечить. Такая реакция кожи называется фотодерматитом.

Власти Подмосковья делают все возможное для уничтожения зарослей борщевика. Сложность в том, что специалисты Министерства сельского хозяйства и продовольствия Подмосковья должны определить места разрастания борщевика, а после осмотра и составления протокола вызвать специальную службу, которая уничтожит плантацию, после чего повторно осмотреть место и проконтролировать качество обработки. При использовании устаревших подходов и сбора данных вручную специалисты с большим запозданием получают информацию о местоположении борщевика. Хорошо, если сорняк растет вдоль обочины и виден с дороги. А если оккупировал поле вне зоны видимости? Можно, конечно, искать борщевик при помощи спутника. Но это, во-первых, дорого, а во-вторых, не вполне продуктивно: на снимках из космоса различимы плантации борщевика (более десяти единиц), но не единичные растения, которые также необходимо уничтожать.

Подобную точность могут обеспечить только компьютерное зрение и искусственный интеллект. На помощь практикам пришли аспиранты Сколтеха под руководством профессоров Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных (CDISE) кандидата биологических наук Марии Пукальчик и кандидата технических наук Андрея Сомова.

«Наши аспиранты проходили курс deep learning (совокупность методов машинного обучения, основанных на обучении представлениям, а не специализированным алгоритмам под конкретные задачи) у профессора Виктора Лемпицкого. Они должны были выполнить проектную работу, максимально приближенную к реальности,— рассказывает Мария Пукальчик.— Их заинтересовал борщевик, потому что задание они выполняли в мае прошлого года, когда самым удобным для распознавания оказался именно борщевик». Разработка была закончена в августе 2019 года при поддержке Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии беспроводной связи и интернета вещей» Сколтеха.

«Создан первый прототип умной системы, который уже прошел несколько этапов доработки, и подготовлена научная статья»,— подводит итоги Андрей Сомов.

Технология основана на применении сверточных нейронных сетей (Convolutional Neural Networks; архитектура искусственных нейронных сетей, нацеленная на эффективное распознавание образов, входит в число технологий глубокого обучения), которые позволяют делать высокопроизводительные вычисления (обработку фото- и видеоматериала) в режиме реального времени. Обученную нейросеть устанавливают на бортовой мини-компьютер, а тот, в свою очередь, помещают на беспилотник. «Беспилотник в режиме реального времени получает изображения со встроенной камеры, обрабатывает их на этом маленьком встроенном компьютере,— объясняют аспиранты Александр Меньщиков и Дмитрий Шадрин.— И отправляет на компьютер заказчика структурированную информацию, по каким координатам находится зараженная территория и какова ее площадь. Оператор не нужен: сведения могут автоматически подгружаться в базу данных или региональные ГИС».

Если бы информация поступала в формате видеосъемки и ее отсматривали специалисты, то, во-первых, они бы потратили огромное количество трудочасов для просмотра всего материала, а во-вторых, могли бы пропустить некоторые кусты. Благодаря искусственному интеллекту уже через две-три секунды после обнаружения все растения как на ладони — можно приступать к ликвидации.

Разработанная технология планируется к внедрению не только в Подмосковье, но и в других регионах страны: Тульской области, Краснодарском крае. Она может быть адаптирована и под другие цели, например выявление несанкционированных мусорных свалок.

Елена Туева