Ocieplenie oznacza krótsze sezony lodowe dla Inuitów w Sanikiluaq, Nunavut. Równie niepokojąca jest rosnąca nieprzewidywalność pokrywy lodowej wykorzystywanej do podróży i polowań.
Małe polinia, gdzie prądy oceaniczne, wiatr lub inne procesy zapobiegają tworzeniu się lodu, mogą być bardzo niebezpieczne i należy je wypatrzyć przed podróżą. Podczas gdy polinia są znajdowane w podobnych miejscach co roku, zmiany klimatyczne sprawiają, że informacje o coraz bardziej nieprzewidywalnych warunkach lodowych są ważniejsze niż kiedykolwiek.
„Chociaż warunki zawsze zmieniały się każdego roku, sezon lodowy uległ skróceniu, a członkowie społeczności zgłaszają inne skutki, takie jak cieńszy lód, nowe polony, więcej błota pośniegowego i przede wszystkim większą zmienność warunków lodowych” — mówi Becky Segal, menedżerka map w SIKU: Indigenous Knowledge Social Network, platformie społecznościowej stworzonej przez Arctic Eider Society (AES) z siedzibą w Sanikiluaq. „Dlatego informacje o lodzie w SIKU są wykorzystywane przez tak wiele osób w całej Arktyce”. SIKU to aplikacja opracowana przez i dla Inuitów, która zapewnia narzędzia i usługi dotyczące bezpieczeństwa na lodzie, zachowania języka i pogody.
Aby pracować nad udostępnianiem dokładnych i aktualnych danych o lokalizacji polin i uczynić podróżowanie po lodzie bezpieczniejszym, AES rozpoczęło współpracę z VIP Lab Waterloo Engineering. Korzystając z danych zweryfikowanych przez lokalnych Inuitów, laboratorium opracowuje modele uczenia maszynowego w celu identyfikacji potencjalnie niebezpiecznych obszarów otwartych wód w stałym lodzie morskim przy użyciu obrazów radaru z syntetyczną aperturą (SAR). Wyniki tych modeli zostaną połączone z lokalną wiedzą i najnowszymi obserwacjami warunków lodowych w aplikacji mobilnej SIKU i na platformie internetowej.
Segal mówi, że zespół AES został przedstawiony VIP Lab przez kolegów z Canadian Ice Service, którzy mówili o reputacji Waterloo Engineering Lab w zakresie pracy nad komputerowym widzeniem w wykrywaniu celów za pomocą obrazów radarowych. Neil Brubacher z VIP Lab (BASc ’21 i MASc ’24 w inżynierii projektowania systemów), pod nadzorem dr Davida Clausiego, współdyrektora VIP Lab i profesora inżynierii projektowania systemów oraz Andrei Scott, adiunkta inżynierii mechanicznej i mechatronicznej, podjął się projektu przy wsparciu programu Mitacs Accelerate Indigenous Pathways.
Pierwszym zadaniem było stworzenie zbioru danych polynyas, który mógłby zostać użyty do trenowania modeli uczenia maszynowego. Taki zbiór danych został opracowany we współpracy między VIP Lab, AES i SmartICE, organizacją opartą na społeczności, która wspiera produkty informacyjne oparte na danych, tworzone przez Inuitów, związane z lokalnymi warunkami podróży lodu morskiego.
Brubacher mówi, że próba automatycznej identyfikacji lodu morskiego i obszarów otwartej wody na podstawie obrazów SAR jest dobrze ugruntowaną dziedziną badań, a organizacje takie jak Canadian Ice Service rozważają takie algorytmy do produkcji map lodowych na potrzeby nawigacji szlaków żeglugowych. To, co wyróżnia tę pracę od VIP Lab i AES, to niewielki rozmiar polinias, do których jest skierowana, oraz społeczna publiczność tej pracy.
„Nowatorski kąt badawczy tej pracy polega na przyjrzeniu się bardzo małym rozmiarom i rzadkości tych lądowych polinii lodowych na obrazach SAR” – mówi. „To trochę jak problem igły w stogu siana”.
Opracowane przez zespół modele są w stanie wykryć 90% docelowych wielomianów w warunkach wyraźnego obrazowania, a zespół wciąż zwiększa precyzję, obserwując, jak wykrycia zmieniają się w serii obrazów.
Brubacher twierdzi, że możliwość połączenia wiedzy jego kolegów z Waterloo VIP Lab i społeczności Inuitów, z którą ściśle współpracował w Sanikiluaq, okazała się bardzo korzystna.
„Bycie w Waterloo w VIP Lab i przebywanie w otoczeniu ludzi, którzy są na samym czele tych systemów głębokiego uczenia, ugruntowuje pracę na poziomie pewności i wiarygodności” — mówi Brubacher. „Omówienie tych badań z kolegami i mentorami, którzy mają szerokie doświadczenie w zakresie widzenia komputerowego i teledetekcji, ogromnie poprawia jakość badań”.
Po dwóch latach pracy nad projektem Brubacher miał okazję w styczniu tego roku udać się do Sanikiluaq i omówić wyniki badań ze społecznością.
„To była niesamowita głębia wiedzy na temat lodu morskiego, pogody i praktyk bezpieczeństwa podróży, której miałem zaszczyt doświadczyć i posłuchać” — mówi. „Zapewniło to ważny kontekst dla lokalnej wiedzy, z którą łączą się te nowe systemy technologiczne”.
Doświadczenie na żywo obejmowało również Brubachera, który po raz pierwszy zobaczył polynyas z bliska po dwóch latach oglądania ich na ekranie komputera. Doświadczył również osobiście zmieniającej się pogody, z temperaturami wynoszącymi około -5 stopni Celsjusza w porównaniu do typowych -20 stopni, które były typowe dla stycznia w tym regionie.
„Jest więcej zmienności” – mówi Brubacher. „Słyszałem, jak Inuici mówili, że lód, który kiedyś był przewidywalny, nie jest już taki przewidywalny. Ale widziałem też optymizm co do adaptacji do tych zmieniających się warunków, w tym chęć opracowania skutecznych technologii cyfrowych, które mogą uzupełniać lokalną wiedzę rdzennych mieszkańców. Jednym z przykładów jest pozyskiwanie informacji priorytetowych dla społeczności z obrazów teledetekcyjnych”.
Brubacher mówi, że opracowane modele wykrywania polinii potencjalnie zostaną rozszerzone na inne społeczności przybrzeżne w Arktyce i że nadal badane są sposoby łączenia uczenia maszynowego i lokalnej wiedzy w celu tworzenia najskuteczniejszych produktów informacyjnych tworzonych przez społeczności.
Segal zgadza się, mówiąc, że jej zespół chciałby kontynuować współpracę z VIP Lab, z dodatkowymi dyskusjami na temat przyszłych projektów, które obejmują liczenie dzikich zwierząt dla kilku gatunków ważnych dla Sanikiluaq, takich jak kaczka edredon. Jest to powiązane z innymi badaniami w VIP Lab dotyczącymi liczenia wielorybów na zdjęciach lotniczych.
Val Maloney
