Таяние мерзлоты: реальные угрозы для Аляски раскрыты с помощью ИИ

В Арктике вечная мерзлота играет ключевую роль при строительстве инфраструктуры, служа ей фундаментом. Однако потепление климата в регионе приводит к таянию мерзлоты, из-за чего грунт под зданиями и сооружениями смещается, создавая угрозу для всей построенной среды. Полный масштаб рисков, связанных с этим процессом, до сих пор не осознан, но исследователи активно работают над устранением этого пробела в знаниях.

Исследователи из Департамента природных ресурсов и окружающей среды Университета Коннектикута (UConn Department of Natural Resources and the Environment), включая аспиранта Элиаса Маноса и доцента Чанди Витарану, совместно с Анной Лильедаль из Центра климатических исследований Woodwell Climate Research Center разработали новый метод. Он использует спутниковые снимки высокого разрешения и глубокое машинное обучение для картирования инфраструктуры Аляски, что позволило удвоить количество известных объектов и точнее спрогнозировать экономические риски, связанные с таянием вечной мерзлоты. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Communications Earth and Environment.

Чанди Витарана говорит, что это последняя разработка в рамках долгосрочного исследования его группы, посвященного тому, как спутники могут помочь отслеживать изменения арктического ландшафта со временем. В данном случае речь идет о ранее в значительной степени неучтенных рисках таяния вечной мерзлоты для населенных пунктов и их жизненно важной инфраструктуры, такой как здания и дороги.

Витарана поясняет, что основная проблема заключалась в нехватке визуальных данных об инфраструктуре, и для создания критически важных информационных слоев, необходимых для последующего анализа, например, экономических рисков, требуется большая детализация. Таких данных по Аляске не было.

Элиас Манос добавляет, что мотивация этого исследования проистекает из необходимости понимать опасности в меняющемся мире. Однако такие оценки невозможно провести без четкого представления о том, что именно находится под угрозой.

Манос отмечает, что известно о росте местных температур и изменении частоты, интенсивности и времени возникновения экстремальных погодных явлений и опасных событий. Будь то быстро развивающиеся события, такие как ураганы, наводнения, лесные пожары, или медленно развивающиеся угрозы, как засухи и, в данном случае, таяние вечной мерзлоты, необходимо понимать потенциальный вред, который эти события несут.

Манос объясняет, что вечная мерзлота служит структурной основой, в которую заглубляют сваи, а здания проектируются так, чтобы помочь сохранить ее термическую целостность. Поэтому крайне важно, чтобы свайный фундамент оставался стабильно закрепленным в мерзлоте, но при ее таянии структурная целостность нарушается.

Он уточняет, что когда температура вечной мерзлоты начинает повышаться, сваи смещаются, и это явление называют потерей несущей способности или ее снижением. Именно эта основная опасность, влияющая на здания, и рассматривалась в исследовании. Кроме того, существует транспортная инфраструктура, которая в первую очередь страдает от просадки грунта. При таянии богатой льдом вечной мерзлоты грунт проваливается, и именно эта опасность использовалась для оценки риска катастроф для дорог.

Манос говорит, что предыдущие исследования основывали оценки риска на данных OpenStreetMap (OSM), одного из наиболее широко используемых наборов геопространственных данных. OSM доступен для всех стран мира, и информация обновляется добровольцами, которые вручную вводят местные данные – здания, тропы, дороги или другие объекты инфраструктуры – на основе спутниковых снимков высокого разрешения в глобальном масштабе.

Он признает, что для некоторых регионов, таких как Европа и части Соединенных Штатов, данные OSM точны, но это не относится ко всем местам. К сожалению, для Арктики данные OSM являются неполными.

Манос указывает, что несколько предыдущих исследований риска опирались на эти неполные данные об инфраструктуре. Все упирается в то, что инфраструктура по всей Арктике не полностью картирована, и это создает проблему для понимания стихийных бедствий, поскольку для оценки масштабов того, что подвергается или потенциально может подвергнуться риску, необходимо иметь полную картину.

Одной из задач исследовательской группы Витараны является совершенствование методов быстрого и точного анализа больших наборов спутниковых изображений. В рамках этой работы был разработан метод точного картирования инфраструктуры и риска таяния вечной мерзлоты под названием High-resolution Arctic Built Infrastructure and Terrain Analysis Tool (HABITAT). Модель использует машинное обучение и искусственный интеллект для извлечения информации о дорогах и зданиях из спутниковых снимков высокого разрешения за 2018-2023 годы. Исследователи сравнили данные HABITAT с данными OSM, чтобы оценить качество новой модели и выявить потенциальные ошибки классификации. Затем они добавили новую информацию в OSM, почти удвоив предыдущий объем доступной информации для Аляски.

Манос признается, что огромное количество инфраструктуры и зданий, отсутствовавших в OpenStreetMap, – 47% – его по-настоящему шокировало. Он считает, что хотя OpenStreetMap является мощным ресурсом, основанным на работе добровольцев, у него есть ограничения, и это неудивительно.

Учитывая большой объем ранее не учтенных данных, исследователи теперь оценивают, что к 2050 году затраты на устранение повреждений инфраструктуры из-за таяния вечной мерзлоты удвоятся при сценариях низких и средних выбросов парниковых газов.

Анна Лильедаль сообщает, что ущерб инфраструктуре, вызванный таянием вечной мерзлоты, сопоставим со среднегодовой стоимостью всех стихийных бедствий в стране, однако таяние мерзлоты не признано федеральным правительством США в качестве природной опасности. Это затрудняет получение жителями Аляски финансовой помощи для ликвидации последствий бедствий. Кроме того, она отмечает, что Аляска на десятилетия отстает от остальной части страны по готовности геопространственных данных. Карты являются ключом к оценкам и планированию, и исследовательское сообщество может помочь в решении части этих проблем.

Исследовательская группа Витараны и их коллеги работают над восполнением этих пробелов в знаниях, чтобы создать данные, которые можно будет использовать для подготовки сообществ к будущему. Манос планирует расширить этот анализ на весь арктический регион для оценки экономических потерь с использованием комплексной карты инфраструктуры.

Витарана добавляет, что объединение данных OSM с тысячами спутниковых снимков субметрового разрешения, предоставленных Национальным научным фондом (National Science Foundation), а также доступ к суперкомпьютерной инфраструктуре NSF позволили исследователям повысить полноту этих наборов данных.

Он заключает, что теперь можно увидеть реальное воздействие и провести более точные оценки экономических потрясений и рисков, чтобы подготовиться к любым необходимым политическим действиям или последующим усилиям. Это является важным результатом. В целом, интеграция ИИ и больших наборов данных в разработанном приложении помогла создать полезные, действенные продукты, которые исследователи и сообщества могут использовать уже сейчас.