Группа ученых разработала алгоритм обнаружения бобровых прудов на спутниковых снимках, который может помочь таким засушливым районам, как Калифорния, восстановиться.
Хотя польза бобров неоспорима, наши знания по-прежнему полны пробелов. Мы не знаем, сколько их там, в каком направлении движется их популяция и какие водосборные бассейны наиболее остро нуждаются в бобровом вливании. Лишь немногие штаты проводят их систематический учет; кроме того, многие бобровые пруды находятся в отдаленных ручьях вдали от населенных пунктов, где их практически невозможно сосчитать. "Мы многого не понимаем о бобрах, в том числе и потому, что у нас нет базовых данных о том, где они водятся", - говорит Эмили Фэйрфакс, исследователь бобров из Университета Миннесоты.
Но ситуация начинает меняться. В течение последних нескольких лет команда ученых, изучающих бобров, и инженеры Google обучали алгоритм, позволяющий обнаруживать инфраструктуру грызунов на спутниковых снимках. Их разработка способна изменить наше представление об этих веслохвостых инженерах и помочь таким климатически напряженным штатам, как Калифорния, способствовать их возвращению. И хотя модель еще не стала достоянием общественности, исследователи уже слюной исходят от ее потенциала. "Все наши усилия в штате должны быть направлены на использование этого мощного картографического инструмента", - говорит Кристен Уилсон, ведущий научный сотрудник по лесам природоохранной организации The Nature Conservancy. "Это действительно захватывающе."
Модель картографирования бобров - детище Эдди Корвина, бывшего сотрудника группы Google по устойчивому развитию недвижимости. Примерно в 2018 году Корвин начал размышлять о том, как его компания могла бы лучше заботиться о воде, особенно о многочисленных прибрежных ручьях, которые протекают мимо ее офисов в районе залива. В ходе своих исследований Корвин прочитал книгу "Вода: Естественная история", написанную автором по имени Элис Аутуотер. В одной из глав речь шла о бобрах, чьи обильные болота, как писала Аутвотер, "могут удерживать миллионы галлонов воды" и "уменьшают наводнения и эрозию в нижнем течении". Корвин, очарованный, прочел другие книги и статьи о бобрах и вскоре начал проповедовать своему другу Дэну Акерштейну, консультанту по устойчивому развитию, который работает в Google. "Мы оба влюбились в бобров", - говорит Корвин.
Одержимость Корвина бобрами встретила восприимчивую корпоративную культуру. Известно, что сотрудники Google поощряются к тому, чтобы уделять время проектам по интересам - именно такая политика привела к созданию Gmail; Корвин решил, что его страсть - это бобры. Но как лучше всего помочь этим зубастым архитекторам? Корвин знал, что инфраструктура бобров - их извилистые плотины, разросшиеся пруды и паучьи каналы - часто настолько эпична, что ее можно увидеть из космоса. В 2010 году канадский исследователь обнаружил самую длинную в мире бобровую плотину - оплот из камней и грязи, протянувшийся более чем на полмили через парк в Альберте, - изучив Google Earth. Корвин и Акерштейн задумались о том, смогут ли они внести свой вклад в изучение бобров, обучив алгоритм машинного обучения автоматическому обнаружению бобровых плотин и прудов на спутниковых снимках - не по одной, а тысячами, по всей территории штата.
Обсудив концепцию с инженерами и программистами Google, Корвин и Акерштейн решили, что это технически осуществимо. Далее они обратились к Фэрфаксу, который прославился благодаря эпохальному исследованию 2020 года, показавшему, что бобровые пруды служат влажными, пожаробезопасными убежищами, в которых другие виды могут укрыться во время лесных пожаров. В некоторых случаях, как выяснил Фэрфакс, бобровые болота даже останавливали пожары. Эти животные были настолько талантливыми пожарными, что она полушутя предложила Лесной службе США сменить талисман из млекопитающих - прощай, дымчатый медведь, и здравствуй, дымчатый бобер.
Фэрфакс с энтузиазмом отнеслась к идее картографирования прудов. Она и ее студенты уже использовали Google Earth, чтобы найти бобровые плотины для изучения на выгоревших территориях. Но это был трудоемкий процесс, который требовал бесконечных часов прослеживания горных ручьев по экранам в поисках луковицы бобрового пруда. По ее словам, автоматизированный инструмент поиска бобров мог бы "на порядок увеличить количество пожаров, которые я могу анализировать".
С благословения Фэрфакса Корвин, Акерштейн и команда программистов приступили к созданию своей модели. Они решили, что для этой задачи лучше всего подходит конволюционная нейронная сеть - тип алгоритма, который, по сути, пытается выяснить, включает ли данный фрагмент геопространственных данных определенный объект - скажем, содержит ли участок горного ручья бобровую плотину. Фэрфакс и несколько услужливых боброведов из Университета штата Юта предоставили тысячи координат подтвержденных плотин, прудов и каналов, которые гуглеры сопоставили со своими собственными изображениями высокого разрешения, чтобы научить модель распознавать характерный внешний вид бобровых сооружений. Команда также скормила алгоритму негативные данные - изображения ручьев и болот без бобров, чтобы он знал, чего искать не нужно. Они назвали свою модель Earth Engine Automated Geospatial Elements Recognition, или EEAGER - да, как "жаждущий бобра".
Научить EEAGER находить бобровые пруды было нелегко. Американский Запад изобилует объектами, построенными людьми, которые, казалось бы, практически созданы для того, чтобы обмануть модель, ищущую бобра. Извилистые дороги напоминали EEAGER извилистые плотины; края искусственных водоемов были похожи на пруды, построенные бобрами. Но больше всего смущали соседские тупики, чьи асфальтовые круги, окруженные серыми полосками тротуара, имели жуткое сходство с бобровым прудом, окаймленным плотиной. "Я не думаю, что кто-то предполагал, что пригородная Америка полна того, что компьютер примет за бобровые плотины", - говорит Акерштейн.
По мере того как исследователи закачивали в EEAGER все больше данных, он все лучше отличал бобровые пруды от самозванцев. В мае 2023 года команда Google вместе с исследователями бобров Фэрфаксом, Джо Уитоном и Уолли Макфарлейном опубликовала в журнале Journal of Geophysical Research Biogeosciences работу, демонстрирующую эффективность модели. Группа предоставила EEAGER более 13 000 изображений ландшафтов с бобровыми плотинами из семи западных штатов, а также около 56 000 мест без плотин. Модель безошибочно определяла, есть бобровые плотины или нет, в 98,5 % случаев.
Эта статистика, конечно, преувеличивает совершенство EEAGER. Команда Google решила сделать модель достаточно либеральной, то есть, когда она предсказывает, содержит ли пиксель спутникового снимка бобровую плотину, она с большей вероятностью может ошибиться в сторону ложного срабатывания. Иными словами, EEAGER все еще требует, чтобы человек проверял ее ответы, но она может значительно ускорить работу ученых вроде Фэрфакса, указывая им на тысячи вероятных бобровых участков.
"Мы не собираемся заменять опыт биологов", - говорит Аккерштейн. "Но успех модели позволяет сделать человеческую идентификацию гораздо более эффективной".
По словам Фэрфакса, вариантов использования EEAGER множество. Модель можно использовать для оценки численности бобров, отслеживания тенденций развития популяции и расчета экосистемных услуг, предоставляемых бобрами, таких как хранение воды и предотвращение пожаров. Она может помочь государствам определить, где можно реинтродуцировать бобров, где нужно восстанавливать ручьи и водно-болотные угодья, а где создавать природоохранные зоны. Это может позволить исследователям отслеживать распространение бобров в Арктике, поскольку грызуны продвигаются на север в связи с изменением климата, или их перемещения в Южной Америке, где бобры были завезены в 1940-х годах и с тех пор размножились. "Мы буквально не можем справиться со всеми поступающими запросами", - говорит Фэрфакс, который является научным консультантом EEAGER.
Самое перспективное применение алгоритма может найтись в Калифорнии. У Золотого штата мучительные отношения с бобрами: На протяжении десятилетий штат вообще отрицал, что этот вид является местным, что является побочным продуктом промышленной торговли мехом, которая уничтожила бобров с западного побережья до того, как биологи смогли должным образом изучить их. Хотя недавние исторические исследования доказали, что бобры обитают практически повсюду в Калифорнии, многие управляющие водными ресурсами и фермеры по-прежнему считают их неприятными существами и часто убивают за засорение дорожных водопропускных труб и вмешательство в ирригационную инфраструктуру.
И все же эти глубоко укоренившиеся взгляды меняются. В конце концов, ни один штат не нуждается в услугах бобров по хранению воды так остро, как огнеопасная, страдающая от засухи и наводнений Калифорния. В последние годы благодаря неустанной лоббистской деятельности кампании под названием "Верните бобра" Калифорнийский департамент рыб и дикой природы начал пересматривать свою устаревшую политику в отношении бобров. В 2022 году штат выделил более 1,5 миллиона долларов на восстановление бобров и объявил о найме пяти ученых для изучения и поддержки грызунов. Штат также пересмотрел свой официальный подход к конфликтам с бобрами, отдав предпочтение сосуществованию, а не смертельному отлову. А этой осенью департамент дикой природы переселил семью бобров на исконные земли народа горных майду - это первый выпуск бобров в штате за почти 75 лет.
Вполне уместно, что именно в Калифорнии EEAGER получит свое первое серьезное испытание. Консерватория природы и Google планируют запустить модель по всему штату в 2024 году, чтобы найти все до единой бобровые плотины и пруды. Это должно дать департаменту дикой природы штата хорошее представление о том, где живут бобры, сколько их в штате и где их можно было бы увеличить. Модель также предоставит Калифорнии надежные исходные данные, с которыми можно будет сравнивать будущие популяции, чтобы понять, помогает ли новая политика штата восстановить бобров. "Когда у вас есть снимки, которые часто повторяются, это дает вам возможность понять изменения во времени", - говорит Кристен Уилсон из Консерватории.
Что будет дальше с EEAGER после калифорнийских испытаний? Главное, говорит Акерштейн, - научить его определять бобровые заводи в новых местах. (Хотя бобровые плотины и пруды во всех штатах выглядят довольно похоже, модель также полагается на контекстные подсказки из окружающего ландшафта, а шалфейное плато в Вайоминге выглядит совсем иначе, чем лиственный лес в Массачусетсе). Команде также предстоит определить долгосрочную судьбу EEAGER: Останется ли он инструментом, размещенным в Google? Выделится в отдельный продукт? Станет сервисом, управляемым университетом или некоммерческой организацией?
"Это задача на будущее - как сделать ее более доступной и удобной для всех?" говорит Корвин. Возможно, революция бобров не будет показана по телевидению, но она точно будет задокументирована с помощью спутника.