«Роскосмос»: «Цифровая Земля» – объективные данные о Земле и ресурсах

Москва. 9 марта. ТЕРРА ТЕХ – Спутниковые снимки Земли являются ценнейшим источником информации. Обратить их на пользу людям призван комплекс «Цифровая Земля – сервисы», реализуемый по заказу Госкорпорации «Роскосмос» компанией «Терра Тех» (оператор по геотехнологиям «Роскосмоса», дочернее предприятие АО «Российские космические системы»). «Цифровая Земля» – это фабрика для обработки и анализа космических снимков с использованием искусственного интеллекта, которая позволяет передавать контролирующим органам и бизнесу на всех уровнях аналитику на основе космической съемки в разы быстрее и удобнее, чем когда-либо до этого. Использование нейросетевых технологий дает существенный прирост в плане быстроты и качества распознавания снимков, позволяет идентифицировать и классифицировать различные объекты и изменения на местности, вовремя уведомлять пользователей о критичных событиях на объектах мониторинга.

О реализации этого проекта рассказывают номинанты премии Data Award Андрей Абросимов, заместитель генерального директора «Терра Тех» по науке, и Алексей Беленов, заместитель генерального директора «Терра Тех» по производству.

- Немного об истории этого проекта. Когда и почему он был начат?

Алексей Беленов: Тут нужно начать с нескольких фундаментальных задач, которые Госкорпорация «Роскосмос» взялась решить по поручению Президента России, инициировав проект «Цифровая Земля» в рамках национальной программы «Цифровая экономика». Первая группа задач связана с модернизацией технологий. Было очевидно, что настало время качественно улучшить механизм поставки данных с российских аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, да и качество их обработки тоже. Эту часть взяли на себя наши коллеги из АО «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), которые создали и внедрили на базе современного комплекса вычислительных ресурсов технологию автоматической потоковой обработки спутниковых данных, чтобы информация со спутников в высоком качестве и в максимально сжатые сроки пополняла информационные системы заказчиков и потребителей данных ДЗЗ. Мы работаем с коллегами в тесном контакте, но сами фокусируемся на высокоуровневой обработке, анализе и применении космических данных.

Андрей Абросимов: Наша задача: разрабатывать и применять технологии, направленные на отраслевое применение материалов космической съемки. Многие потребители имеют недостаточную подготовку и квалификацию, чтобы самостоятельно интерпретировать снимки со спутника. Поэтому родилась идея создать комплекс сервисов, который бы обрабатывал и анализировал снимки и готовил уже сразу цифровые тематические карты, отчеты и инфографику.- Какие задачи требовалось решить?

А.А.: Мы дальше будем говорить только о сервисах «Цифровой Земли», но хотелось бы обратить внимание, что вся эта работа была бы практически невозможна без технологий потоковой обработки снимков. А если говорить о сервисах, то у нас было довольно ясное видение того, какие задачи можно решать по снимкам и что для этого нужно. В России многие компании делают разного рода ГИС-порталы и средства обработки, как на региональном, так и федеральном уровне. Но для нас было важно сформировать такой набор продуктов, который бы максимально универсально закрывал потребности государственных потребителей в масштабах всей страны, коммерческих заказчиков, а в будущем – и наших граждан.

- Какие этапы проходил проект? Что было самым сложным?

А.Б.: Мы начали с анализа потребностей по продуктам и составу информации, который нужен потребителям. Уже до эскизного проектирования нам стало очевидно, что делать такие продукты классическими методами в больших объемах будет непросто. Встал вопрос автоматизации этой работы. Мы начали экспериментировать с алгоритмами искусственного интеллекта (ИИ), поскольку другие подходы не обеспечивали ни достаточной скорости, ни качества обработки. Стояла задача расширить команду специалистами в области data science, ИИ, облачных вычислений и нарастить соответствующие компетенции, чтобы результаты работы алгоритмов соответствовали заданным техническим заданием требованиям.

А.А.: Это верно – я, например, первоначально не был доволен качеством результатов обработки, но по мере увеличения обучающих выборок на различные регионы РФ качество начало резко повышаться. Мы разработали 27 типовых продуктов по 7 основным направлениям народного хозяйства, которые можно отслеживать из космоса. Есть отдельные продукты, формирование которых все же требует экспертного анализа, доработки оператором результатов первичной автоматической аналитики, но многие продукты уже сейчас формируются без экспертного анализа.

- Что на данный момент представляет собой платформа? Из каких частей она состоит?

А.Б.: В комплекс «Цифровая Земля – сервисы» входят 7 геосервисов с 27 информационными базовыми и мониторинговыми продуктами. Сервисы интегрированы с другими подсистемами создаваемой «Цифровой Земли» и опираются на них в части вычислительных ресурсов и исходных данных, которые поступают напрямую из Федерального фонда данных ДЗЗ и других источников. Структура комплекса сервисов включает: подсистему ввода информации; подсистему обработки информации, включающую модуль Искусственного Интеллекта (ИИ); подсистему представления информации, включающую модули личных кабинетов, формирования отчетов, десктопный и мобильный интерфейсы. Разработан API (программный интерфейс приложения), позволяющий передавать результаты анализа непосредственно в сторонние информационные системы.

А.А.: Авторизация происходит по единой учетной записи доступа к ресурсам «Роскосмоса». Существует несколько групп пользователей с разными правами. Пользователь размещает заказ на определенный тип продукта, уточняет параметры подбора – например область на карте, по которой нужно получить аналитическую информацию, период дат, которые интересуют, уровень детализации и так далее. Затем заявка попадает в электронную очередь, где проверяется на корректность. Если что-то не так, мы связываемся с потребителем для уточнения. Далее происходит подбор космической съемки, удовлетворяющей заданным критериям, и далее ее автоматическая обработка в модуле ИИ. Пользователь получает уведомления по мере прохождения заказом этапов обработки и анализа. Все результаты доступны для просмотра и скачивания в интерфейсе пользователя.

- На каких платформах реализована система?

А.Б.: В основе лежат облачные технологии. Для хранения, обработки, визуализации, управления данными используются протоколы AWS, докер-контейнеры, средства Postgres SQL, REST API, MongoDB, WMS, Flask, Nginx, uWSGI. С точки зрения нейросетевых технологий применяются фреймоворки сверточных нейронных сетей Tensorflow, Keras, Pytorch.

- В чьих интересах система работает, как осуществляется взаимодействие между заинтересованными сторонами?

А.Б.: «Цифровая Земля» — это сложный проект с множеством составных частей, не все из которых пока готовы. Составная его часть – комплекс геосервисов – сейчас работает для пилотных регионов и ряда федеральных органов власти. В случае с федеральными органами у нас очень активное сотрудничество, поскольку мы проводим взаимную интеграцию информационных систем. Например, с НИИ «Восход» (подведомственное учреждение Минцифры России) мы интегрировались для выявления объектов капитального строительства, требующих проверки в части постановки на кадастр. Их система ТОР КНД получает из «Цифровой Земли» информацию о вновь выявленных на снимках объектах капитального строительства в муниципальном образовании и выдает сигнал надзорным органам, если информация в реестре и на снимке разная.

А.А.: Очень плодотворно мы сотрудничаем с ФГБУ «Рослесинфорг», подведомственным учреждением Рослесхоза. Они проводят квалифицированную оценку результатов выделения вырубок на снимках и формируют требования по модернизации алгоритмов ИИ. Совместными усилиями удалось повысить точность выделения лесоизменений более чем на 10%, даже при использовании разносезонных снимков, данных с облачностью, снегом. Перспективной выглядит возможность предоставления организациям Рослесхоза интерактивных инструментов для дальнейшего дообучения алгоритмов нейросетей на большом массиве «лесных» данных. В рамках промышленной эксплуатации геосервисов «Цифровой Земли» запланированы работы по массовой выдаче типовых тематических продуктов, в процессе мы будем собирать обратную связь и планировать дальнейшую модернизацию системы. Сейчас «Роскосмос» рассматривает расширение охвата субъектов РФ.

- Как проходила отработка сервисов? Исходя из чего выбирались тестовые регионы и сервисы?

А.А.: В числе пилотных регионов у нас было 8 субъектов. Отработка сервисов проводилась в Республике Татарстан, Самарской области, Нижегородской области, Тверской, Кемеровской область, Свердловской области, Республике Крым и Красноярском крае. Суммарно в ходе пилотной эксплуатации комплекса «Цифровая Земля» представителями профильных министерств и ведомств субъектов РФ было отработано 1552 кейса по объектам интереса общей площадью более 3 млн кв. км. Были выполнены масштабные полевые работы не территории всех указанных субъектов, направленные на сбор информации о наземных эталонах распознаваемых объектов и проверку результатов автоматической аналитики. Поскольку продукты построены на применении технологий ИИ, очень важно правильно подбирать обучающие выборки. У нас очень большая страна с разными климатическими поясами, природными ресурсами и территориальными активами, поэтому мы очень хотели, чтобы это были максимально разнообразные субъекты. Понятно, что 8 эталонных субъектов – пока маловато для репрезентативной обработки всей территории РФ, но прелесть технологии как раз в том, что чем больше ее применять, тем лучше постепенно становятся результаты, потому что нейросети дообучаются по мере увеличения объемов «скормленных» им космических снимков.

- Приведите самые интересные и показательные примеры использования геосервисов.

А.А.: Скажем так, сегодня очень большое внимание к лесу и экологии. Буквально на днях (11 февраля 2022 года) «Терра Тех» посетили с рабочим визитом Заместители Председателя Правительства РФ Виктория Абрамченко и Юрий Борисов вместе с генеральным директором «Роскосмоса» Дмитрием Рогозиным. По итогам рабочего совещания принято решение о проведении в 2022 году Рослесхозом совместно с «Роскосмосом» пилотного проекта в двух субъектах — Иркутской и Архангельской области по применению геотехнологий в целях повышения скорости получения и точности информации о вырубке лесов на основе анализа материалов космической съемки с использованием нейросетей.  Также мы проводили много работ по выявлению и мониторингу карьеров добычи общераспространенных полезных ископаемых, мониторингу промышленного и жилого строительства, определению степени зарастания сельскохозяйственных земель. Нужно понимать, что у «Цифровой Земли» здесь чисто информационная и аналитическая функция. Наша задача – идентифицировать, подготовить отчет и предоставить информацию соответствующим надзорным органам, далее именно они принимают решение, было или нет нарушение, проводят необходимые контрольные мероприятия. Фактически шок-эффект произвел кейс с пожарами в Якутии и Иркутской области прошлым летом, когда нейросети за несколько часов с очень высокой точностью обработали миллионы квадратных километров территории чрезвычайной ситуации.

- Какое направление геосервисов приносит наибольшую пользу уже сейчас?

А.А.: Мы в последнее время особенно фокусировались на вырубках, здесь наиболее очевидная польза. О результатах пока говорить преждевременно, но мы готовы предоставить Рослесхозу имеющиеся у нас технологии и решения для цифровизации лесного хозяйства страны. Тут важно повышать частоту выявления рубок, это зависит от доступности данных, числа спутников и их характеристик. Но даже с теми данными, что имеются сейчас, можно многого добиться. Космические инструменты нужны и коммерческим предприятиям, которые ведут лесозаготовку и инвестируют в лесопромышленный комплекс страны. Например, по космосу можно выявлять наиболее перспективные лесные участки на основе знаний о породном и возрастном составе. Большим спросом пользуется контроль соблюдения темпов строительства – особенно для масштабных проектов строительства линейной инфраструктуры, а также когда у заказчика одновременно строится множество объектов в разных концах страны и нужно отслеживать их все одновременно.

- Нацелен ли проект на окупаемость? И вообще насколько эти сервисы могут быть востребованы бизнесом?

А.Б.: Прямой эффект от внедрения технологий ДЗЗ оценить непросто. Это уже много лет пытаются делать ведущие консалтинговые агентства мира. Можно посчитать хотя бы число нарушений и объем штрафов, которые будут выставлены на основе космической аналитики. Данные ДЗЗ применяются, когда рассчитывается объем причиненного экономического и экологического ущерба (например, почвам). Тогда всего нескольких крупных экологических взысканий хватит, чтобы окупить разработку. Но ведь, помимо этого, есть еще вся инфраструктура, ее содержание, спутники и т.д. В то же время, нельзя забывать, что один снимок можно использовать сразу для целого комплекса задач, и не один раз: например, у нас 27 продуктов (не все делаются по одинаковым данным). Вот и консалтинговые агентства также дружно делают вывод, что, хотя прямой эффект оценить сложно, но польза очевидна на всех уровнях и рынках для широкого спектра задач.

Тем не менее, можно отметить, что «Роскосмос» нацелен на развитие коммерческого применения данных и сервисов. Поэтому проект изначально создавался для обеспечения государственных потребителей с замыслом потенциального масштабирования и для бизнеса, польза для которого от такой системы тоже неоспорима. К нам регулярно поступают запросы от коммерческих компаний, которые хотят тоже применять возможности системы. Но тут сейчас есть ряд нюансов, как нормативно-правовых, так и технологических. Для бизнеса нужны несколько другие продукты, хотя изначальный состав информации может быть похожим. А над решением нормативно-правовых вопросов сейчас работают специалисты «Роскосмоса», чтобы, когда система будет готова к масштабированию, иметь возможность предоставить коммерческий доступ. Поэтому сейчас бизнесу мы оказываем услуги на базе наших коммерческих разработок, не связанных с «Цифровой Землей».

- Каковы направления развития платформы?

А.Б.: Мы прежде всего видим необходимость дальнейшего повышения автоматизации. Ближайшие месяцы покажут, какие направления приоритетны. Сделать шаг с 8 регионов на 20 и далее до 85 — это большой вызов. Здесь нужно понимать, что космические снимки — это очень объемная информация, обработка которой требует достаточно больших мощностей, соответствующей инфраструктуры. Поэтому мы не исключаем, что потребуется доработка системы оптимизации ресурсов.

А.А.: К тому же, не для всех регионов РФ прошли обучение алгоритмы, нужно увеличивать объем выборки. Будем дообучать имеющиеся и разрабатывать новые нейросети. У нас даже есть специальный инструмент, который автоматизирует сам процесс обучения. А далее – будем расширять номенклатуру геосервисов, делать их доступными для коммерческих потребителей, работать над повышением гибкости системы для пользователя. В итоге хотелось бы создать возможность прямого доступа пользователей различной квалификации к облачному «конструктору» алгоритмов и продуктов.

Заглавное фото: «Наша задача – разработать простые и удобные инструменты, которые позволят даже малоподготовленному пользователю извлекать из космических снимков полезную и наглядную информацию»