ESA WorldCereal

Період виконання: Червень – Грудень 2022

Виконавець: Anhalt University of Applied Science, НТУУ КПІ

Основною метою WorldCereal є розробка ефективної, гнучкої та надійної системи на основі супутникових спостережень з відкритим вихідним кодом для своєчасного моніторингу глобальних масштабів орних земель, спираючись на існуючі ініціативні спільноти, відкриті та безкоштовні джерела супутникових зображень, нові алгоритми, інфраструктуру ICT та довідкові набори даних.

Наша участь у флагманському проекті ESA WorldCereal стала можливою завдяки створеному українсько-німецькому центру ключових компетенцій – Center for Artificial Intelligence for Big Data and Telecommunications (AIDA-TI), який сформували спільно 4 установи– Anhalt University of Applied Sciences (Німеччина), University of Konstanz, Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського” та Інститут космічних досліджень НАНУ та ДКАУ. Цей проект відбувся завдяки можливості участі в європейських проектах Anhalt University (в Україні таких передумов немає), а також 6-річному досвіду НТУУ КПІ у сфері машинного навчання та супутникових даних.

Нас підключили на фінальній стадії проекту, коли вже були отримані всі продукти (карти посівів зернових культур і класифікація сільськогосподарських угідь) і постало питання оцінки їх якості та валідації.

Основною метою нашої участі в проекті є валідація історичних та сучасних карт класифікації зернових культур, які були створені в проекті WorldCereal для території України. Для валідації використовуються наземні дані, які зібрані експертами вздовж доріг, власні карти класифікації на основі алгоритмів нейронної мережі та часових рядів супутникових даних для території України, інформація Державної служби статистики України, а також дані фермерів. Карти класифікації, на основі яких валідується продукти WorldCereal, вже активно використовуються на державному рівні та знаходяться у відкритому доступі, зокрема на публічній Кадастровій карті України та в системі Державного аграрного реєстру України.

Планування маршрутів для збору наземних даних базувалося на аналізі часових рядів супутникових даних та офіційних статистичних даних. Маршрут для збору даних на місці орієнтований на накопичення максимальної кількості культур, а також їх максимального різноманіття. Збір даних на місці виконується відповідно до вказівок JECAM щодо збору наземних даних, наведених у “JECAM Guidelines for cropland and crop type definition and field data collection” & François Waldner et. все. “Roadside collection of training data for cropland mapping is viable when environmental and management gradients are surveyed”. Зокрема, наведені в розділі III рекомендації «Збір польових даних для орних земель і типів культур» були використані для розробки кампанії збору наземних даних.

Відповідно до цих рекомендацій було побудовано 2 маршрути для збору польових даних у 2019 році. Один з них для збору даних озимих культур (рис. 1-а), а інший для ярих культур (рис. 1-б). Вони рівномірно охоплюють територію України з урахуванням різноманітності культур (сільськогосподарські території) та наявності доріг. Маршрут по озимих у 2019 році склав близько 1700 км, по ярих у 2019 році – 4400 км. Відповідно на рис.2-а,б наведені машрути для 2020 року.

Рис. 1-a Маршрут збору даних про озимі культури вздовж доріг у 2019 році

Рис. 1-б Маршрут збору даних про літні культури вздовж доріг у 2019 році

Рис. 2-a Маршрут збору даних про озимі культури вздовж доріг у 2020 році

Рис. 2-б Маршрут збору даних про літні культури вздовж доріг у 2020 році

Додатковим способом валідації карт класифікації є порівняння площ зернових та кукурудзи, отриманих з карт WorldCereal, з картами, отриманими НТУУ КПІ (A. Shelestov et al., N. Kussul et al., K. Deininger et al.). Для цього були використані карти класифікації за 2019 та 2020 роки. На рис. 3 представлено карти класифікації за 2019 р. (рис. 3-а) та 2020 р. (рис. 3-б). Карти WorldCereal за 2019 (рис. 4-а) та 2020 (рис. 4-б) також представлені нижче.