Как исследовать ландшафты в эпоху больших данных

© iStock

Международная лаборатория ландшафтной экологии НИУ ВШЭ изучает явления, определяющие функционирование окружающей среды. Эти исследования важны для прогнозирования динамики окружающей среды в разных регионах России, реализации природно-климатических проектов, охраны редких видов животных и растений, развития лесного и сельского хозяйства. О работе лаборатории «Вышке.Главное» рассказали ее руководитель Роберт Сандлерский и декан факультета географии и геоинформационных технологий НИУ ВШЭ Николай Куричев.

— Когда и по чьей инициативе была создана лаборатория?

Роберт Сандлерский: Концепция лаборатории была разработана мной в 2021 году в рамках заявки на конкурс НИУ ВШЭ по созданию международных лабораторий с участием ведущих мировых ученых и поддержана факультетом географии и геоинформационных технологий.

— Одним из требований в проекте «Международные лаборатории» было приглашение ведущих зарубежных исследователей.

Роберт Сандлерский: Изначально мы планировали привлечь немецких коллег, затем удалось заинтересовать израильских. С 2025 года ведущим ученым стал Ан Ли — ассоциированный профессор Института ботаники Китайской академии наук (КАН). Ан Ли — один из учеников известного китайско-американского ученого, главного идеолога современной ландшафтной экологии Джанго Ву, мы рассчитываем на взаимодействие с ним в долгосрочной перспективе.

Роберт Сандлерский и Ан Ли

Фото из личного архива

— Как можно описать предметы исследований ландшафтной экологии?

Роберт Сандлерский: В классической ландшафтной экологии главный вопрос — во влиянии структуры ландшафта на потоки вещества и энергии, на виды и сообщества и, наоборот, на то, какие процессы формируют ландшафт. Ландшафт — терминологический зонтик: он помогает разным научным школам говорить на общем языке. Для нас это аналитическая единица, позволяющая связать неоднородность пространства среды с происходящими в ней процессами. На практике речь идет о взаимном влиянии человека и природной среды, устойчивости экосистем и возможности ими разумно управлять. Яркий актуальный пример — проекты преобразования природы, например создания защитных лесных поясов в КНР: без точных экологических расчетов эффект слабее ожидаемого. Часть посадок погибла, а искусственные монокультуры не заменили природных экосистем. Это и изучает лаборатория: как пространственная организация экосистем связана с их функционированием и устойчивостью. Мы соединяем эксперименты и полевые наблюдения, спутниковые материалы и моделирование, чтобы количественно оценивать, как работают и меняются ландшафты.

— Каковы главные направления деятельности лаборатории?

Роберт Сандлерский: Работа лаборатории направлена на создание методов обработки дистанционной информации, максимально эффективного ее использования как источника данных о структуре и организации ландшафтного покрова. Ключевое здесь — геоданные: спутниковые снимки, цифровые модели рельефа, климатические данные, результаты полевых и экспериментальных наблюдений. Мы стремимся извлечь из них максимум информации. Понимание работы ландшафта позволяет точнее оценить изменения, строить прогнозы и решать прикладные задачи, в частности оценивать экосистемные услуги — материальные и нематериальные блага, получаемые человеком от природы: от плодородия почв до влияния зеленых зон на качество жизни в городе.

По спутниковым данным можно понять не все. Поэтому мы собираем полевые материалы. Особенно важна роль эколого-климатических станций (ЭКС) — специальных измерительных комплексов (их менее 1000 в мире), дающих уникальную информацию о состоянии экосистем, например балансе углекислого газа, влаги и энергии между экосистемой и атмосферой. Эта часть исследований у нас связана с Центрально-лесным заповедником в Тверской области, где ведутся многолетние наблюдения на нескольких ЭКС, а также многолетние работы по изучению структуры лесных ландшафтов. Они позволяют перейти к количественному анализу экосистем, к их лучшему пониманию и надежным мониторингам и прогнозам, более осмысленным решениям для конкретных территорий.

Роберт Сандлерский

— Деятельность лаборатории — это преимущественно фундаментальные или прикладные исследования? Насколько сложно поддерживать их баланс?

Роберт Сандлерский: В основе нашей работы — фундаментальные исследования, их цель — понять, как устроены и действуют экосистемы. Но у них часто есть прикладные элементы. Например, методы оценки пригодности местообитаний могут быть полезны для практических задач, например охраны редких видов, оценки условий выращивания сельскохозяйственных культур. Наши разработки в обработке спутниковых и других геоданных применялись для картографирования потенциальных местообитаний редких видов (амурский тигр, дальневосточный леопард) или охотничьих ресурсов для регионального охотоустройства. Баланс между фундаментальными и прикладными задачами непрост. Последние подразумевают работу под запрос с четкими техзаданием, сроками и результатом. Для лаборатории университета это особая логика работы, мы осваиваем этот формат.

— Расскажите о применении ИИ в исследовательской работе.

Роберт Сандлерский: В нашей тематике это способ масштабировать работу с данными: быстрее обрабатывать их большие массивы, находить закономерности там, где вручную это займет месяцы. ИИ очень полезен при переходе от отдельных площадок и кейсов к региональному уровню при сохранении сопоставимости результатов. Ограничения принципиальны и довольно очевидны. Качество работы ИИ почти целиком зависит от качества исходных данных и разметки: если они «шумные», неполные или несопоставимые, модель быстрее воспроизводит ошибки. Также ИИ плохо переносит выход за пределы условий, на которых обучался: другой регион, иной тип ландшафта, аномальные условия погоды. Ему нельзя доверять без независимой проверки и полевой валидации. Также ряд моделей остаются «черным ящиком», а нам важны и механизмы формирования их работы. Мы считаем ИИ инструментом, помогающим масштабировать сильные стороны лаборатории, но никак не заменой полевой экологии.

— Насколько современные природно-климатические проекты способны оздоровить окружающую среду, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу? Какие проекты, на ваш взгляд, наиболее эффективны и перспективны?

Роберт Сандлерский: Вопрос, о каких проектах речь. Меры снижения расхода топлива в энергетике и на транспорте эффективнее по загрязнителям воздуха, а природно‑климатические проекты (ПКП) результативнее через углерод и сопутствующие экосистемные выгоды. ПКП, связанные с лесоразведением и агролесомелиорацией, сфокусированы на изменении баланса углерода — рост поглощения или предотвращение выбросов — и управлении землепользованием. Часто они дополнительно оздоровляют окружающую среду. Но в целом ПКП могут играть в ее улучшении вспомогательную локальную роль. Наша задача — четко отделить климатический эффект от сопутствующих экологических благ и не обещать того, что проекты не могут дать.

В российской практике наиболее перспективными выглядят направления, где сочетаются большой потенциал углеродного эффекта и возможность прозрачного цикла «измерение — отчетность — верификация» на базе дистанционного зондирования и моделей, принятых как стандарты отрасли. Сейчас это лесоразведение и проекты в лесном секторе.

Николай Куричев

Николай Куричев: На практике эффективность многих ПКП упирается в возможность быстро ответить на три вопроса: где делать проект; что можно делать по методологии и по закону; наконец, масштаб вложений и будущих доходов. Под ответы на них построена наша цифровая платформа поддержки климатических проектов (веб‑ГИС + углеродная модель + финансовая модель), на ней реализована аналитическая поддержка проектов по лесоразведению, делающая их понятными инвесторам и регуляторам. Ее развивает созданный на факультете при поддержке Минобрнауки РФ Центр цифровых технологий для природно-климатических проектов. Для факультета это важное направление роста: на основе научных знаний об экосистемах и углеродных рынках мы создаем инструменты, понятные инвесторам, регуляторам и пользователям территорий. Сейчас мы активно работаем также над агроклиматическими проектами, увеличивающими накопление углерода в почвах сельскохозяйственных земель, чтобы вывести их на нашу платформу. В этой работе активно участвуют сотрудники лаборатории. При ряде условий от них можно получить двойной эффект — климатический и хозяйственный, повысив устойчивость урожаев к неблагоприятной погоде.

— Какую роль лаборатория играет на факультете географии и геоинформационных технологий? Как результаты научной работы применяются в учебном процессе?

Роберт Сандлерский: Мы стремимся быть научной площадкой, задающей исследовательскую повестку и поддерживающей ее полный цикл — от постановки задач и сбора данных до анализа и публикаций. Лаборатория работает и как точка сборки научного сотрудничества внутри и вне университета, и как среда для подготовки молодых исследователей. Сотрудники лаборатории разработали несколько учебных курсов.

В июне этого года мы проводим международную конференцию «Ландшафтная экология: адаптация, управление ресурсами и рисками», куда приглашаем специалистов и интересующихся возможностями ландшафтной экологии. С информацией можно ознакомиться на сайте факультета.

Николай Куричев: Лаборатория — пока единственное подразделение факультета, чьим фокусом являются фундаментальные исследования. Очень важно, что студенты наших программ бакалавриата и магистратуры могут участвовать в исследованиях мирового уровня. Мы также опираемся на наработки и кадровый потенциал лаборатории в реализации наших прикладных проектов, в первую очередь в Центре цифровых технологий для природно-климатических проектов, где мы решаем задачи консолидации данных карбоновых полигонов и развития цифровой платформы поддержки ПКП. Экспертиза их данных, научный задел для разработки методологий ПКП, верификация результатов — во всех этих направлениях работы мы привлекаем лабораторию.

© iStock

— Насколько активно в деятельности лаборатории участвуют студенты и аспиранты?

Роберт Сандлерский: Нам важно, что лаборатория — среда, где студенты включены в реальную научную работу. Мы активно привлекаем их к участию в исследованиях. Постоянно в штате у нас три стажера-исследователя, в прошлом году их было шестеро. Они участвуют в грантах и прикладных проектах, выступают на конференциях с результатами наших работ. И конечно, наши сотрудники руководят курсовыми работами студентов.

— Каким вам представляется оптимальный баланс между опытными и известными учеными и молодыми исследователями?

Роберт Сандлерский: Я вижу это как систему, в которой опытный исследователь ведет направление и организует в его рамках молодых коллег: магистрантов, аспирантов или постдоков. Такой опытный ученый обычно занимает позицию ведущего научного сотрудника. У нас в лаборатории сейчас их не хватает. Средний возраст научных сотрудников — менее 40 лет. С одной стороны, это хорошо, но у коллег немного опыта в организации небольших исследовательских команд, выполняющих полный цикл — от идеи до статьи. В ближайшие годы одна из задач — дорастить лабораторию до структуры, где молодая сильная команда будет опираться на двух-трех опытных лидеров.

— Расскажите о сотрудничестве внутри Вышки и с российскими коллегами, с которыми плотно взаимодействуете.

Роберт Сандлерский: Кроме Центра цифровых технологий для природно-климатических проектов, внутри факультета мы взаимодействуем с Центром геоданных. Второй год реализуем совместный проект с МИЭМ: разрабатываем автоматический классификатор описаний растительности российской Арктики — Russian Arctic Vegetation Archive. Это уникальная база данных с тысячами описаний разных исследователей, стандартизированных по единому протоколу в ходе работы наших коллег из Института проблем экологии и эволюции (ИПЭЭ) РАН. Коллеги из МИЭМ в 2025 году разработали на основе LLM классификатор, расширивший возможности ученых в работе с архивом. Тесты алгоритма показали высокую точность. В этом году мы планируем «прикрутить» его на сайт с базой данных. Дальше в планах реализация разных инструментов моделирования объектов базы: можно будет онлайн строить модели распространения видов и сообществ с учетом климата, рельефа и дистанционных данных.

Ключевыми российскими партнерами нашей лаборатории являются ряд лабораторий ИПЭЭ РАН и Института географии РАН, Российско-монгольская комплексная биологическая экспедиция РАН и АНМ (работает в рамках ИПЭЭ РАН), Центрально-лесной заповедник.

— Как развиваются международные связи?

Роберт Сандлерский: Прежде всего это наши монгольские коллеги из Исследовательского сада-института АНМ, китайские коллеги из Института ботаники КАН, Академии сельскохозяйственных наук Китая, Университета Внутренней Монголии. Пока мы подаем совместные заявки на гранты, совершаем взаимные визиты и не заключили партнерских соглашений. Для нас важно, что такие партнерства дают обмен опытом и возможность собирать сильные междисциплинарные команды под конкретные задачи. Это позволяет лаборатории постепенно расширять исследовательскую повестку и сферу практического применения наших разработок.