Проекты

Описание инициативы (проектной идеи)

Проект направлен на совершенствование природоохранного мониторинга морских экосистем российской Арктики: оценку состояния морской среды по фораминиферам и определение участков, требующих дополнительного обследования и природоохранного внимания. За 18 месяцев будет разработана и апробирована методика автоматизированного анализа изображений фораминифер с применением прикладного искусственного интеллекта и экспертной проверкой.

Фораминиферы — широко распространённые в Мировом океане одноклеточные организмы, раковины которых сохраняются в донных отложениях. Состав их сообществ и состояние раковин отражают условия среды и их изменения. По донным (бентосным) фораминиферам можно оценивать изменения температуры, солёности, кислородных условий и поступления органического вещества, выявлять признаки воздействия тяжёлых металлов и стойких органических загрязнителей. Интерпретация этих признаков требует сопоставления с независимыми данными о среде. Раковины в осадке сохраняют информацию и о предшествовавших состояниях экосистем.

Определение и подсчёт раковин под микроскопом трудоёмки, а подготовка специалистов занимает годы. Это ограничивает объём обработки проб и применение биоиндикации в регулярном мониторинге. Проект отвечает потребности исследовательских и природоохранных организаций в доступной и воспроизводимой оценке состояния среды по биологическим признакам. Его задача — ускорить получение экологически значимой информации, сохранив достоверность экспертного анализа.

Стартовой основой проекта станет имеющаяся коллекция проб донных отложений российской Арктики. На первом этапе коллекция будет систематизирована, обобщены сведения о местах, времени и условиях отбора проб, возрасте отложений и характеристиках среды. При участии команды в арктических экспедициях предусмотрен дополнительный отбор проб для пополнения коллекции и проверки выводов. Основные результаты будут получены на имеющемся материале. Будет модернизирована разработанная коллективом установка автоматической фотосъёмки раковин (Golikov et al., 2023), согласованы правила подготовки образцов и сформирована цифровая коллекция изображений.

Будут разработаны алгоритмы выделения раковин на изображениях и группировки по морфологическому сходству. Самоконтролируемое обучение позволит использовать изображения без предварительного ручного определения каждого экземпляра, а кластеризация — объединять сходные объекты для экспертной интерпретации. Специалисты установят таксономическую принадлежность групп и проверят произведенное автоматическое разделение на кластеры. Будут рассчитаны соотношения таксонов, размерные характеристики и показатели сохранности раковин с отдельной оценкой их диагностического значения. Неуверенные и пограничные определения проверят и отработают эксперты из состава коллектива проекта.

Экологические заключения будут основаны на совместной интерпретации полученных показателей и независимых данных о среде с учётом природных различий участков, возраста и условий формирования отложений. Это необходимо для разграничения естественной изменчивости, особенностей сохранности раковин и признаков неблагополучия. Проверка методики будет проведена на независимых пробах, не использованных при обучении и настройке алгоритмов. Будут сопоставлены автоматизированные и ручные определения, подсчёты и экологические выводы, измерены ошибки и затраты времени на полный цикл обработки. Критерий результативности — сокращение трудоёмкости при согласованности с экспертным анализом в заранее установленных пределах.

К завершению проекта будут подготовлены апробированная методика, программные средства, цифровая коллекция с экспертными определениями, оценки состояния участков и рекомендации по повторным наблюдениям и углублённому обследованию. Результаты будут представлены профильным исследовательским и природоохранным организациям и опубликованы в открытых источниках. Природоохранный эффект состоит в обосновании приоритетов мониторинга и информационной поддержке выбора мер сохранения морских экосистем. Методика и цифровые материалы обеспечат сопоставимость последующих наблюдений.

Команда объединяет специалистов по морским донным отложениям, фораминиферам, прикладному искусственному интеллекту и анализу изображений. Руководитель имеет опыт разработки автоматизированных методов морского экологического мониторинга.

Для знакомства общественности с задачами и результатами проекта планируется выставка научно точных моделей раковин арктических фораминифер, увеличенных в 2000 раз, до размеров более метра. Предполагается провести её в одном из ведущих выставочных пространств Москвы. Модели будут созданы по данным компьютерной микротомографии при поддержке ООО «Деко-сервис» (письмо-гарантия поддержки приложено). Выставка на стыке науки и искусства познакомит посетителей с биоиндикацией и задачами сохранения арктических экосистем. Команда имеет опыт изготовления подобных моделей: https://www.nkj.ru/open/60374/