Umelá inteligencia vyfarbila 70-ročný obrázok Slovenska

Najprv si predstavme pôvodnú, čiernobielu historickú ortofotomapu Slovenska. Kedy a kde vznikla?

Približne pred 10 rokmi. Ešte pred rokom 2010 v Českej informačnej agentúre životného prostredia začali vytvárať historickú ortofotomapu Česka. S nápadom urobiť niečo podobné aj pre Slovensko prišiel Jaroslav Jankovič z Národného lesníckeho centra o dva roky neskôr. Treba povedať, že poskladať historickú ortofotomapu z pôvodných leteckých snímok je pomerne náročná záležitosť. Úloha obstarať ju pripadla Technickej univerzite vo Zvolene, ktorá bola hlavným riešiteľom projektu Centra excelentnosti pre podporu rozhodovania v lese a krajine.

Na aké obdobie sa pozeráme?

Sú to originálne pohľady na naše územie na začiatku 50. rokov minulého storočia, ešte pred kolektivizáciou a industrializáciou. Väčšina leteckých snímok je síce z rokov 1949 a 1950, no sú tam aj staršie snímky z medzivojnového obdobia. A potom s dlhým odstupom novšie snímky z pohraničných oblastí, kde letecké snímkovanie bolo dlhý čas obmedzené.

Čím je táto mapa cenná?

Zachytáva pôvodnú podobu krajiny. Vidno na nej, ako prebiehala povojnová výstavba. Pozorujete rozostavané obce, ktoré sa ešte len obnovovali. Vidíte územia, ktoré ešte neboli zatopené priehradami. Budovali sa nové cesty a železnice. Okolo každej obce sa rozkladajú pôvodné úzke pásy políčok, na ktorých sa kedysi hospodárilo. Je to materiál, ktorý je veľmi zaujímavý nielen pre historikov, ekológov, lesníkov, ale aj pre širokú verejnosť. Keď dnes zadáte do vyhľadávača „historická ortofotomapa,“ vybehne množstvo článkov. Je zaujímavé sledovať, čo všetko ľudia na historickej ortofotomape dokážu objaviť. Nájdete veľa odkazov na obce a mestá, ktoré si pripomínajú svoju históriu.

Čo z toho, čo mapa ukazuje, dnes nevidieť?

Dajú sa vyhľadať staré pamiatky, ktoré sú dnes zničené alebo pokryté lesom, ale vtedy ich ešte bolo vidieť. Napríklad staré lesné železnice alebo tajchy. Je tam naozaj veľa zaujímavých vecí. Historická ortofotomapa sa používa aj pri identifikácii majetku, pretože vidno staré stavby a pôvodné políčka.

Ako prebiehalo vaše úplne prvé „stretnutie“ s touto mapou?

Bolo to priam neuveriteľné. Strávil som dlhé dni prezeraním celých oblastí. Spolu s touto mapou sme dostali aj aktuálnu ortofotomapu. Dnes pravidelné letecké snímkovanie územia Slovenska zabezpečuje Úrad geodézie, kartografie a katastra SR v spolupráci s Ministerstvom pôdohospodárstva a rozvoja vidieka SR. To je takisto unikátny a kvalitný materiál. Máme zachytené obdobia rokov 2010, 2017, 2020 a teraz si to viete s historickou ortofotomapou porovnať. Pri tom sa vám ukáže odlesnenie niektorých území, ale rovnako aj to, ako boli mnohé územia v porovnaní s minulosťou zalesnené. Hospodárska činnosť v minulosti siahala do vyšších nadmorských polôh. Postupne však odtiaľ odchádzalo pastierstvo, poľnohospodárstvo a územia boli postupne zalesnené. Keď sa pozeráte na Demänovskú dolinu alebo Smokovce, vidíte zas obrovskú premenu pôvodnej krajiny na rekreačné a športové účely.

Prečo sa kedysi robilo snímkovanie z lietadla?

Prvotný dôvod bol jednoduchý – mapovanie a obnova štátu po druhej svetovej vojne. Boli potrebné podkladové materiály. Archív leteckých snímok Slovenska spravuje vojenský Topografický ústav plukovníka Jána Lipského v Banskej Bystrici. Letecké snímkovanie v minulosti robili hlavne vojaci v rámci plánovaných a cvičných letov.

Čítajte aj Kde sa skryli pralesy Európy?

Kedy vám úplne po prvý krát zišlo na um, žeby sa pri kolorovaní mohla uplatniť umelá inteligencia?

Počas vianočného obdobia sa zvyknú v televízii pozerať klasické rozprávky. Dnes už boli staršie filmy digitalizované a upravené. Odstráni sa šum, zlepší zvuk, zvýraznia sa obrysy, zjasnia farby. Takisto sa kolorujú fotografie. Sú dostupné aplikácie, ktoré to spravia. A ak sa to dnes dá urobiť s dynamickým materiálom, ako je film, prečo by sme to neskúsili aj s leteckou snímkou? Aj keď je tu trochu iný problém.

V čom?

Krajina je špecifická. Nemáte v nej osoby, technické objekty. Nie je tam síce pohyb, čo prácu zjednodušuje. Ale rozpoznávať objekty na čiernobielej leteckej snímke a priradiť im farby je zložitý proces. Dá sa to robiť aj manuálne, postupne pomocou filtrov a prekladaním farebných vrstiev.

A bolo by vôbec v silách človeka také niečo urobiť?

(Smeje sa) Slovensko má rozlohu 49-tisíc štvorcových kilometrov, je to vyše 10-tisíc mapových listov v mierke 1 : 5 000. Takže nie, nedokážem si to predstaviť. A práve na takúto úlohu je ideálna umelá inteligencia. Bolo potrebné naučiť ju rozpoznávať základné objekty a štruktúry, aby vedela priradiť správne farby.

Ako ste ju to učili?

Prvé pokusy prebehli v polovici januára. Skúšal som, čo sa dá využiť z dostupných softvérových knižníc spracovania obrazu a umelej inteligencie. Bolo treba veľa experimentovať, skúšať rôzne algoritmy, filtre. Sú rôzne metódy učenia, vzorkovania obrazov. To všetko vytvára množstvo kombinácií, ktoré bolo treba overiť. Je to zaujímavá a tvorivá činnosť.

A na ktorých kútoch Slovenska ste ju to učili?

Ako prvé to boli Vysoké Tatry, Liptovská kotlina, Nízke Tatry. Územie, ktoré poznám a ktoré ma zaujíma. Keď farbenie začne fungovať na jednom, dvoch mapových listoch, skúšate na väčšom území. Ale tam nastáva technický problém. Aj počítaču trvá nejaký čas, než spracuje 10-tisíc mapových listov. Pri prostriedkoch, ktoré máme k dispozícii, trvá jeden mapový list zhruba polhodinu.

A celé Slovensko?

Niečo vyše 5 000 hodín strojového času, to je viac ako 200 dní na jednom počítači. Takmer rok by sme čakali na výsledok. Takže ideálne je robiť paralelné výpočty. Spracovanie každého mapového listu sa dá spustiť na samostatnom procesore alebo samostatnom počítači a tak spracúvate viac údajov súčasne. Keď využijeme voľné počítačové kapacity, tak sa výpočty dajú podstatným spôsobom urýchliť. Lenže objaví sa ďalší problém. Zistíte, že Bratislavu musíte robiť trochu inak ako Vysoké Tatry.

Prečo?

Zastavané územia a poľnohospodárska krajina v okolí Bratislavy sa musia farbiť iným spôsobom ako liptovské lesy a kotliny. Umelú inteligenciu musíme naučiť prispôsobovať sa územiu, ktoré má spracúvať. Treba ju trénovať pre rôzne situácie. Často zistíme, že pôvodný spôsob farbenia nie je ideálny a treba ho modifikovať. Takže zastavíme výpočty, upravíme postupy a všetko spustíme od začiatku. Spracovanie je náročné na objem údajov aj na čas, ktorý tomu treba venovať. Chvíľu trvá, kým sa človek dopracuje ku konečnému výsledku. Od januárových experimentov po prvú pripravenú verziu to bolo šesť týždňov. A ešte je tu jeden problém, ktorý pri prezeraní historickej ortofotomapy nemusí byť na prvý pohľad zjavný – ročné obdobie. Snímky sa robili v rôznom čase. V každom ročnom období sú trochu iné farby. A napokon – umelá inteligencia stále nedokáže spoľahlivo rozoznať všetky objekty. Niektoré budovy môže identifikovať ako cesty. Políčka pridá k lúkam. Nie je to úplne dokonalé, ale vzhľadom na objem údajov a množstvo práce dostali sme celkom prijateľný výsledok.

Ak ste už raz naučili umelú inteligenciu kolorovať, využijete to aj pri iných projektoch?

Určite, dalo by sa to uplatniť, ak by sme mali ortofotomapu zo 70. alebo 80. rokov. Ten proces sa dá zopakovať. Lenže historická orotofotosnímka celého Slovenska z tohto obdobia ešte nebola urobená. Sú k dispozícii pôvodné letecké snímky z archívu Topografického ústavu plukovníka Jána Lipského, ale urobiť z nich ortofotomapu predstavuje dlhý proces. Letecké snímky treba kvalitne naskenovať, referencovať a ortorektifikovať. Keď lietadlo letí, má rôzne náklony. A je rozdiel, či snímkujete vrchol kopca, alebo údolie. Obraz sa musí vyrovnať do roviny a rovnakej mierky, aby vznikla ortofotosnímka.

Do akých zákutí na tejto mape sa rád vraciate?

Každý región má svoju zvláštnosť. Keď ideme od západu, pozrite sa najskôr na borovicové lesy Záhorskej nížiny. Pod nimi sú viate piesky. Na digitálnom modeli terénu máte pocit, akoby sa tie pieskové vlny hýbali, prelievali sa. Keď prejdete na stredné Slovensko, nájdete malebné dolinky a roztrúsené polia okolo bývalých lazov a usadlostí. Na Liptove dediny pred zatopením Liptovskou Marou. A trochu ďalej na Spiši pestrú mozaiku lesov, pasienkov a lúk, polia oddelené medzami a chránené vetrolamami. Pozdĺž ciest je krásne vidno stromoradia, každý jeden strom sa dá rozpoznať. Potom idete ďalej na východ, cez historický Bardejov až do Košíc, kde podobne ako v Bratislave lepšie rozpoznáte jednotlivé historické budovy, ulice, námestia. Bratislavský hrad bol ešte pred rekonštrukciou, budovalo sa dnešné Námestie slobody i Slavín. Medzi Hronskou Breznicou a Banskou Štiavnicou dokončievali Trať mládeže, vidieť rozostavané násypy a mosty.

Objavili sa na mape vďaka kolorovaniu niektoré veci, ktoré vás prekvapili?

Farba nám dáva dodatočnú informáciu. Pre mňa bolo veľmi zaujímavé vidieť štruktúru lesov v období, keď sa v nich hospodárilo. Farba zvýrazní, či išlo o mladý, alebo starý les. Ak sa upravil, zanechalo to na ňom stopu. Dajú sa pekne oddeliť lesy od lúk a kosodreviny, čo na čiernobielej snímke nie je až také možné. Určite to pomôže k lepšiemu mapovaniu toho, ako lesy vyzerali v minulosti.

Dajú sa rozlíšiť pralesy?

To asi nie. Vidíte, že tam je les, ale už je napríklad problém rozlíšiť, čo je ihličnatý strom. Čiastočne sa to dá na základe tvaru koruny. Listnaté sú pekne okrúhle, ihličnaté sú viac končisté. Ale rozpoznať smrek od jedle, dub od buka, to sa z týchto snímok dá len veľmi ťažko.

Mení kolorovaná mapa pohľad na niektoré historické súvislosti, na premenu krajiny?

Práve dynamika krajiny je na leteckých snímkach z rôznych období veľmi dobre viditeľná. Na historickej ortofotomape vidieť pôvodné korytá riek predtým, ako boli zregulované. Polia pred scelením a rekultiváciami, pôvodnú rozlohu lesov. Je to zaujímavé aj z pohľadu dynamiky rastu miest a obcí. Ak prekryjete historické snímky so súčasnými, vidíte, ako sa obce rozrástli a ktorým smerom. Dajú sa identifikovať pôvodné budovy, ktoré dodnes stoja.

V akých ďalších projektoch ste využili umelú inteligenciu?

Strojové učenie je veľmi vhodné na modelovanie niektorých prírodných procesov. Na Technickej univerzite vo Zvolene sme ho použili vo dvoch väčších výskumných úlohách. Spolu s Ing. Slavomírom Finďom z Národného lesníckeho centra sme pomocou genetického algoritmu vytvorili priestorový model habitatu medveďa, ktorý vyjadruje vhodnosť podmienok pre jeho život na území Slovenska. Druhý projekt sme riešili v spolupráci s Ústavom ekológie lesa SAV vo Zvolene a Českou zemědelskou univerzitou v Prahe. Bol zameraný na modelovanie šírenia podkôrneho hmyzu. Porovnali sme vhodnosť desiatich rôznych metód strojového učenia na prognózu šírenia lykožrúta smrekového, ktorý patrí medzi najvážnejšie problémy súčasného lesníctva. Výsledky obidvoch štúdií boli publikované v zahraničných vedeckých časopisoch.