Движение деревьев может предупредить о засухе и пожарах

Ученые из Desert Research Institute разрабатывают способ определять, испытывает ли дерево нехватку воды, по тому, как оно раскачивается на ветру. Исследователь Джо Аммателли вместе с коллегами из University of Connecticut тестирует систему, которая анализирует движение деревьев на обычных видеозаписях. Если метод подтвердит свою эффективность, существующие дорожные камеры в США можно будет использовать для удаленного мониторинга состояния лесов, оценки риска лесных пожаров и падения деревьев на линии электропередачи.

Идея строится на довольно простом наблюдении: количество воды внутри дерева влияет на его массу, устойчивость и движение. Когда дерево испытывает водный стресс, меняются характеристики его колебаний. Исследователи хотят научиться замечать эти изменения с помощью видеокамер, не устанавливая на каждом растении дорогостоящие датчики.

«Водный стресс влияет на количество воды в дереве и, в свою очередь, на то, как дерево движется на ветру», — объясняет Аммателли. По его словам, если научиться измерять характер движения, можно получить информацию о том, сколько воды содержится в дереве и насколько оно устойчиво.

Лес стал лабораторией

Сейчас команда проводит испытания на территории Harvard Forest в Массачусетсе. Исследователи используют экспериментальный участок, где можно контролировать количество воды, доступное части деревьев, и сравнивать их состояние с естественным участком леса.

На деревьях устанавливают контактные датчики, которые фиксируют едва заметные изменения угла наклона ствола. Одновременно камеры записывают движение растений. Это позволяет сопоставить данные непосредственных измерений с тем, что способна увидеть камера со стороны.

Ученые также используют датчики движения воды внутри ствола, приборы для измерения изменения диаметра дерева, данные об осадках и влажности почвы. Такой набор показателей нужен, чтобы проверить, действительно ли изменения в движении дерева можно надежно связать именно с нехваткой воды.

Исследователи уже опираются на предыдущие работы, согласно которым более сухие деревья в определенных условиях раскачиваются с меньшей частотой. Теперь задача заключается в том, чтобы превратить это наблюдение в работающий инструмент мониторинга.

Камера вместо датчика

Во время работы над магистерской диссертацией Аммателли разработал алгоритм, который извлекает частоту колебаний дерева непосредственно из видеозаписи. Программа анализирует изменения изображения и определяет, с какой частотой движется дерево.

Наиболее хорошо система работает с высокими и относительно тонкими деревьями, у которых движение ствола заметнее, чем хаотичные перемещения многочисленных ветвей. С деревьями с густой кроной задача сложнее: их движение распределяется между множеством ветвей, и алгоритму труднее выделить единый сигнал.

Исследователь описывает дерево в рамках физической модели как своеобразную консольную балку — конструкцию, закрепленную с одного конца. Когда такая конструкция вибрирует, характер колебаний зависит от ее массы и жесткости. Именно эти физические свойства ученые пытаются «считать» с видео.

Зачем это нужно в реальной жизни

Потенциальная польза технологии выходит далеко за пределы лаборатории. Запад США сталкивается с продолжительными периодами засухи и высокой температуры, которые усиливают нагрузку на растения и повышают риск крупных лесных пожаров.

Если камера сможет заметить, что дерево постепенно меняет характер движения, специалисты потенциально получат дополнительный показатель его водного стресса. В будущем такие данные можно будет использовать вместе с информацией о погоде, влажности почвы и состоянии растительности.

Есть и еще один практический сценарий. Деревья, которые теряют устойчивость и падают на линии электропередачи, способны повреждать инфраструктуру и в некоторых случаях становиться источником возгораний. Поэтому технология может помочь коммунальным и энергетическим компаниям заранее выявлять потенциально опасные участки.

Особенно привлекательным исследователи считают возможность использовать уже существующие камеры. В западных штатах США работают разветвленные сети дорожного видеонаблюдения. Теоретически часть таких систем могла бы одновременно собирать экологические данные без создания отдельной сети наблюдений.

Технологию хотят применять и в городах

Еще одно направление — городские деревья. В условиях повышения температуры растения в городах испытывают дополнительную нагрузку из-за жары, недостатка влаги и особенностей городской среды.

По задумке ученых, анализ движения деревьев может помочь понять, какие участки города сильнее страдают от теплового стресса и где растениям требуется дополнительный уход. Такие данные потенциально пригодятся при выборе мест для новых посадок и планировании зеленой инфраструктуры.

Пока технология остается исследовательским проектом. В конце летнего сезона команда планирует собрать камеры и датчики, после чего ученые смогут проанализировать данные за весь период наблюдений. Ожидается, что результаты исследования будут опубликованы в 2027 году.

При этом разработчики уже рассматривают возможность коммерческого применения метода. Проект получил поддержку Knowledge Fund — инициативы, связанной с экономическим развитием Невады и поиском перспективных технологий для дальнейшего внедрения.

Если система пройдет испытания, привычное движение деревьев на ветру может превратиться в дополнительный источник экологической информации. Камера, установленная ради контроля дороги, в перспективе сможет рассказать не только о происходящем на трассе, но и о состоянии леса вокруг нее.