Спутниковое обнаружение загрязнения воздуха стало точнее, чем когда-либо

Исследователи из Университета Дьюка разработали метод оценки качества воздуха на небольших участках суши, используя только спутниковые снимки и данные о погодных условиях. Эта информация может помочь выявить скрытые очаги опасного загрязнения, значительно улучшить исследования влияния загрязнения на здоровье человека и потенциально оценить воздействие непредсказуемых событий, таких как вспышка глобальной пандемии, на качество воздуха.

Результаты, опубликованные в журнале Atmospheric Environment, имеют большое значение для мониторинга и охраны окружающей среды. Учёные смогли оценить загрязнение на уровне земли с рекордно высоким пространственным разрешением, используя новое поколение снимков с микроспутников и подход на основе искусственного интеллекта для интерпретации данных изображений и наземных станций.

"Наземные станции дороги в строительстве и обслуживании, поэтому даже в крупных городах их, как правило, всего несколько", — пояснил профессор гражданского и экологического строительства Майк Берджин. "К тому же их почти всегда размещают вдали от дорог и других крупных локальных источников, поэтому они не дают реальной картины распределения загрязнения по разным районам города". Новый метод фокусируется на измерении концентрации опасных для здоровья мелкодисперсных частиц PM2.5.

Ключевым прорывом стало применение свёрточной нейронной сети и алгоритма "случайный лес" к массиву ежедневных спутниковых снимков Пекина за три года с разрешением 3 метра на пиксель, в сочетании с метеорологическими данными. "Изображения с высоким уровнем загрязнения определенно более туманные и размытые, но человеческий глаз не может точно определить уровень загрязнения по этим деталям, — отметил доцент Дэвид Карлсон. — А алгоритм может уловить эти различия и точно преобразовать их в оценки качества воздуха".

Модель, обученная на 10 400 изображениях, показала точность в пределах 24% от фактических уровней PM2.5, измеренных на референтных станциях, при этом её пространственное разрешение составило 40 000 м² (размер примерно восьми футбольных полей), что значительно превосходит стандартные методы с разрешением около 1 км². "Мы считаем, что это огромный прорыв в спутниковом мониторинге качества воздуха, который ляжет в основу множества будущих исследований", — заключил Берджин.