vfuzemlВестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Vestnik of North-Eastern Federal University. Серия «Науки о Земле». Earth SciencesVestnik of North-Eastern Federal University Series "Earth Sciences"2587-8751Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова10.25587/2587-8751-2024-4-138-149vfuzeml-298Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ И БИОГЕОГРАФИЯ, ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ И ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВPHYSICAL GEOGRAPHY AND BIOGEOGRAPHY, SOIL GEOGRAPHY, AND LANDSCAPE GEOCHEMISTRYИдентификация сухостойных деревьев с помощью искусственного интеллекта на основе данных дистанционного зондирования ЗемлиIdentification of dead trees using artificial intelligence based on Earth remote sensing dataШагалиевР. Д.ShagalievR. D.

Шагалиев Руслан Данифович – к.т.н., нач. межвузовской лаборатории климата и мониторинга углеродного следа

 г. Уфа

Shagaliev Ruslan D. – Candidate of Technical Sciences, head of the Interuniversity Laboratory of Climate and Carbon Footprint Monitoring

Ufa

shagaliev@rambler.ruБогданЕ. А.BogdanE. A.

Богдан Екатерина Александровна – к.э.н., в.н.с.

 г. Уфа

Bogdan Ekaterina A. – Candidate of Economic Sciences, Leading Researcher

Ufa

eavolkova@bk.ruГалямовА. Ф.GalyamovA. F.

Галямов Айрат Фаритович – к.т.н., доцент

 г. Уфа

Galyamov Airat F. – Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Ufa

galyamov.airat@gmail.comБеланЛ. Н.BelanL. N.

Белан Лариса Николаевна – д.г.-м.н., дир. Центра технологий декарбонизации, Уфимский государственный нефтяной технический университет; проф. Уфимский университет науки и технологии

 г. Уфа

Belan Larisa N. – Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Director of the Center for Decarbonization Technologies

Ufa

belan77767@mail.ruИшкининаО. И.IshkininaO. I.

Ишкинина Олеся Ивановна – к.х.н., доцент

 г. Уфа

Ishkinina Olesya I. – Candidate of Chemical Sciences, Associate professor

Ufa

olesya-ioh@mail.ruВалиевГ. Г.ValievG. G.

Валиев Газиз Галимович – инженер-лаборант

 г. Уфа

Valiev Gaziz G. – laboratory engineer

Ufa

gaziz.valiev@yandex.ruУфимский государственный нефтяной технический университетРоссияUfa State Petroleum Technological UniversityRussian Federation20243012202404138149Copyright © Шагалиев Р.Д., Богдан Е.А., Галямов А.Ф., Белан Л.Н., Ишкинина О.И., Валиев Г.Г., 20242024Шагалиев Р.Д., Богдан Е.А., Галямов А.Ф., Белан Л.Н., Ишкинина О.И., Валиев Г.Г.Shagaliev R.D., Bogdan E.A., Galyamov A.F., Belan L.N., Ishkinina O.I., Valiev G.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vnzsvfu.ru/jour/article/view/298

На территории Российской Федерации отмечаются массовые усыхания древостоя, которые вызваны воздействием патогенных организмов, насекомых, грибных инвазий, а также распространением бактериальных заболеваний деревьев. Разработка систем дистанционного мониторинга лесных экосистем крайне важна для управления лесными ресурсами и принятия обоснованных решений в отношении сохранения и восстановления лесов. Целью настоящего исследования является разработка программного модуля для автоматизации процесса идентификации сухостойных деревьев на основе данных дистанционного зондирования Земли. Анализ различных стратегий обнаружения и сегментации, включая традиционные методы компьютерного зрения и нейронные сети на основе искусственного интеллекта, позволил выбрать обнаружение объектов в качестве основного метода из-за его эффективности при маркировке и способности количественно оценивать участки поражения деревьев. Сочетание метода обнаружения объектов со снимками высокого разрешения, полученными с применением БПЛА, оказалось наиболее эффективным для точного обнаружения сухостойных деревьев.

On the territory of the Russian Federation, there are massive shrinking of the stand, which are caused by the effects of pathogens, insects, fungal infestations, as well as the spread of bacterial diseases of trees. The development of remote monitoring systems for forest ecosystems is extremely important for the management of forest resources and making informed decisions regarding the conservation and restoration of forests. The purpose of this study was the development of a software module for automating the identification process of dead trees based on Earth remote sensing data. The analysis of various detection and segmentation strategies, including traditional computer vision methods and neural networks based on artificial intelligence, made it possible to choose object detection as the main method due to its effectiveness in labeling and the ability to quantify areas of tree damage. The combination of the object detection method with high-resolution images obtained using UAVs proved to be the most effective for accurate detection of dead trees.

искусственный интеллектизменение климатадистанционное зондирование Землибеспилотные летательные аппаратыспутниковые снимкиобнаружение объектовсегментацияartificial intelligenceclimate changeremote sensing of the Earthunmanned aerial vehiclessatellite imageryobject detectionsegmentationИсследование выполнено в рамках программы Министерства науки и высшего образования Российской Федерации «Приоритет-2030» (Национальный проект «Наука и университеты»).The research was carried out within the framework of the program of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation “Priority 2030” (National project “Science and Universities”).ReferencesПыжев, А. И. Лесные ресурсы Азиатской России: богатство или дефицит? / А. И. Пыжев, Е. А. Сырцова, Е. В. Зандер. – Текст : непосредственный // Журнал Сибирского федерального университета. Серия : Гуманитарные науки. – 2022. – Т. 15, № 12. – С. 1841-1853.Pyzhev AI, Syrtsova EA, Zander EV. Forest resources of Asian Russia: wealth or scarcity? Journal of Siberian Federal University. Humanities & Social Sciences, 2022;15 (12):1841-1853. In RussiaМалахова Е. Г. Распространение и структура очагов усыхания еловых лесов Подмосковья в 2010-2012 годах / Е. Г. Малахова, Н. И. Лямцев. – Текст : непосредственный // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2014. – № 207. – С. 193-201.Malakhova EG, Lyamtsev NI. Extent and structure of Moscow region spruce forest dieback in 2010-2012. Proceedings of the St. Petersburg Forestry Engineering Academy, 2014;207:193-201. In RussiaМиртова, И. А. Использование спутниковых данных для оценки повреждения лесов короедом-типографом на примере Московской области / И. А. Миртова, Д. В. Ершов, Д. А. Мягкова. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2013. – № 6. – С. 77-82.Mirtova IA, Ershov DV. The use of satellite data to assess damage to forests by bark beetles on the example of the Moscow region. News of higher educational institutions. Geodesy and aerial photography, 2013;6: 7-82. In RussiaГниненко, Ю. И. Возможности использования космических снимков для слежения за очагами союзного короеда / Ю. И. Гниненко, В. А. Иванов. – Текст : непосредственный // Актуальные проблемы лесного комплекса. – 2022. – № 62. – С. 137-142.Gninenko YuI, Ivanov VA. The possibilities of using satellite images to track the foci of the Allied bark beetle. Actual problems of the forest complex, 2022;62:137-142. In RussiaКархова, С. А. Оценка лесопатологического состояния кедровых лесов Иркутской области / С. А. Кархова, Е. Б. Никитенко. – Текст : непосредственный // Известия Байкальского государственного университета. – 2023. – Т. 33, № 2. – С. 380-393.Karkhova SA, Nikitenko EB. Assessment of the forest-pathological condition of cedar forests of Irkutsk region. Bulletin of Baikal state university, 2023;33(2):80-393. In RussiaКолтунов, Е. В. Спектральный анализ многолетней динамики вспышек массового размножения непарного шелкопряда (Lymantria dispar L.) на Урале / Е. В. Колтунов, Л. Н. Ердаков. – Текст : непосредственный // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2. – С. 399.Koltunov EV, Erdakov LN. Spectral analysis of the long-term dynamics of outbreaks of mass reproduction of the unpaired silkworm (Lymantria dispar L.) in the Urals. Modern problems of science and education, 2013;2:399. In RussiaМаслов, А.Д. Размножение стволовых вредителей ели в очагах корневых гнилей / А. Д. Маслов. – Текст : непосредственный // Защита леса от вредителей и болезней: сборник трудов ВНИИЛМ. Москва : Лесная промышленность. – 1973. – C. 84–10.Maslov AD. Reproduction of spruce stem pests in foci of root rot. Forest protection from pests and diseases: proceedings of VNIILM. Moscow: Forest Industry, 1973:84–10. In RussiaКолганихина, Г. Б. К изучению проблемы усыхания вязов в Москве и Подмосковье / Г. Б. Колганихина, В. В. Синькевич. – Текст : непосредственный // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. – 2021. – № 3. – С. 67-85.Kolganikhina GB, Sinkevich VV. To the study of the problem of drying of elms in Moscow and the Moscow region. Proceedings of the Saint Petersburg forestry research institute, 2021;3:67-85. In RussiaОценка роли насекомых и дендропатогенных организмов в усыхании древостоев Ленинградской области и Республики Татарстан / А. В. Селиховкин, Р. В. Глебов, Н. Г. Магдеев [и др.]. – Текст : непосредственный // Лесоведение. – 2016. – № 2. – С. 83–95.Selikhovkin AV, Glebov RV, Magdeev NG, et al. Assessment of the role of insects and dendropathogenic organisms in the drying of stands of the Leningrad region and the Republic of Tatarstan. Forestry, 2016.;2:83-95. In RussiaСингатуллин, И. К. Состояние осинников Республики Татарстан после засухи 2010 года / И. К. Сингатуллин. – Текст : непосредственный // Вестник Казанского ГАУ. – 2016. – № 3 (41). – С. 40–45.Singatullin IK. The state of the aspen trees of the Republic of Tatarstan after the drought of 2010. Bulletin of the Kazan State Agrarian University, 2016;3(41):40-45. In RussiaВлияние климатических изменений на распространение бактериальной водянки березы / Е. А. Богдан, Р. Г. Камалова, Л. Н. Белан, И. О. Туктарова. – Текст : непосредственный // Географический вестник. – 2024. – № 1(68). – С. 151-165.Bogdan EA. Kamalova RG, Belan LN, Tuktarova IO. The influence of climatic changes on the spread of bacterial dropsy of birch. Geographical Bulletin, 2024;1(68):151-165. In RussiaБондаренко-Борисова, И. В. Бактериальная водянка – опасное заболевание березы в Донецком регионе / И. В Бондаренко-Борисова. – Текст : непосредственный // Промышленная ботаника. – 2020. – Вып. 20. – № 2. – С. 62-65.Bondarenko-Borisova IV. Bacterial dropsy – a dangerous disease of birch in the Donetsk region. Industrial Botany, 2020;20(2):62-65. In RussiaАлексеев, А. С. Выявление ранних стадий повреждения еловых древостоев короедом-типографом на основе совмещенного анализа материалов спутниковой съемки Sentinel-2b и наземных обследований / А. С Алексеев, Д. М. Черниховский. – Текст : непосредственный // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2023. – № 246. – С. 22-43.Alekseev AS, Chernikhovsky DM. Identification of the early stages of damage to spruce stands by bark beetles based on a combined analysis of Sentinel-2b satellite imagery and ground surveys. Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute, 2023;246:22-43. In RussiaДолгачева, Л. Е. Оценка повреждений лесных насаждений Горно-Колыванского лесничества Алтайского края полиграфом уссурийским с применением данных дистанционного зондирования / Л. Е. Долгачева, И. Н. Ротанова. – Текст : непосредственный // Успехи современного естествознания. – 2023. – № 7. – С. 21-26.Dolgacheva LE, Rotanova IN. Assessment of damage to forest plantations of the Gorno-Kolyvan forestry of the Altai territory by the polygraphus proximus blandford using remote sensing data. Advances in current natural sciences, 2023;7:21-26. In RussiaСанников, И. Ю. Выявление и анализ сухостоя при помощи беспилотного летательного аппарата / И. Ю. Санников, Д. Н. Андреев, С. А. Бузмаков. – Текст : непосредственный // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2018. – Т. 15, № 3. – С. 103-113. – DOI 10.21046/2070-7401-2018-15-3-103-113.Sannikov IYu, Andreev DN, Buzmakov SA. Identification and analysis of deadwood using an unmanned aerial vehicle. Сosmic Research, 2018;15(3):103-113. In RussiaИванова, Н. В. Определение характеристик смешанных древостоев по данным аэрофотосъёмки с применением беспилотного летательного аппарата (БПЛА) / Н. В. Иванова, М. П. Шашков, В. Н. Шанин // Вестник Томского государственного университета. Биология. – 2021. – № 54. – С. 158-175. – DOI 10.17223/19988591/54/8.Ivanova NV, Shashkov MP, Shanin VN. Obtaining tree stand attributes from unmanned aerial vehicle (UAV) data: the case of mixed forests. Tomsk State University Journal of Biology, 2021,54:158-175. In RussiaDetection of Norway spruce trees (Picea Abies) infested by bark beetle in UAV images using YOLOs architectures / A. Safonova, Y. Hamad, A. Alekhina, D. Kaplun // IEEE Access. – 2022. – № . 10. – P. 10384-10392. – DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3144433.Safonova A, Hamad Y, Alekhina A, Kaplun D. Detection of Norway spruce trees (Picea Abies) infested by bark beetle in UAV images using YOLOs architectures. IEEE Access, 2022,10:10384-10392.Detection of fir trees (Abies sibirica) damaged by the bark beetle in unmanned aerial vehicle images with deep learning / A. Safonova, S. Tabik, D. Alcaraz-Segura [et al.] // Remote Sensing. – 2019. – Vol. 11, № . 6. – P. 643. – DOI: 10.3390/rs11060643Safonova A, Tabik S, Alcaraz-Segura D [et al.] Detection of fir trees (Abies sibirica) damaged by the bark beetle in unmanned aerial vehicle images with deep learning. Remote Sensing, 2019,11(6):643.Individual tree crown delineation for the species classification and assessment of vital status of forest stands from UAV images / A. Safonova, Y. Hamad, E. Dmitriev [et al.] // Drones. 2021. – Vol. 5, № . 3. – P. 77. – DOI: 10.3390/drones5030077Safonova A., Hamad Y., Dmitriev E. [et al.] Individual tree crown delineation for the species classification and assessment of vital status of forest stands from UAV images. Drones, 2021,5(3):77.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.