کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست

در مقاله پیش‌رو قصد داریم تا شما را با اصلی‌ترین کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست آشنا کنیم اما ابتدا تعریفی از محیط‌زیست و بخش‌های مختلف آن را بررسی خواهیم کرد. به طور کلی به تمام محیط‌هایی که زندگی در آن‌ها جریان دارد و موجودات زنده در آن با هم در کنش هستند و بر رشد، نمو و رفتار هم تاثیر می‌گذارند محیط‌زیست می‌گویند.

تاکنون فعالیت‌های انسانی، صدمات بسیار زیادی را به محیط زیست وارد کرده‌ و سبب نابودی بخش وسیعی از مراتع، کوه‌ها، جنگل‌ها، اقیانوس‌ها و همچنین از بین رفتن گونه‌های زیادی از گیاهان و جانوران شده‌است. تغییرات اعمال شده بر روی محیط زیست از سوی انسان‌ها سبب بر هم خوردن شرایط آب‌ و‌ هوایی و زیست‌بوم پایدار در مناطق مختلف می‌شود.

هوش مصنوعی به انسان‌ها کمک می‌کند تا در نظارت و حفاظت از محیط زیست کاراتر عمل کنند. در این خصوص، دانشمندان ابزارهایی را به کمک فناوری‌های کاربردی هوش مصنوعی توسعه داده‌اند که می‌تواند انسان را در مسائلی چون مدیریت پسماند، حراست از جنگل‌ها و پیش‌بینی آب ‌و هوا یاری رساند. در این بخش به معرفی کارکردهای هوش مصنوعی در هر یک از این مسائل پرداخته می‌شود.

دسته‌بندی کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست

محیط‌زیست برای ادامه حیات موجودات زنده بسیار مهم است و هوش مصنوعی تاکنون تأثیرات زیادی در بهبود، حفظ و مدیریت آن داشته است. برای بررسی کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست، سه دسته مورد بررسی قرار گرفته‌است.
۱. مدیریت پسماند
۲. حفاظت از منابع طبیعی
۳. هواشناسی

در ادامه، کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست و بخش‌های مختلف آن شرح داده می‌شود.

کاربردهای هوش مصنوعی در مدیریت پسماند

زباله‌ها منجر به تغییرات قابل توجهی بر روی کره زمین می‌شوند و اگر کشورها و دولت‌ها آن‌ها را مدیریت نکنند در آینده‌ای نه‌چندان دور آثار جبران‌ناپذیری بر جای خواهند گذاشت. به مجموعه فعالیت‌ها و اقدامات لازم برای مدیریت زباله از زمان تولید تا دفع نهایی آن، مدیریت پسماند می‌گویند. زباله در انواع مختلف جامد، مایع و یا گاز وجود دارد که بازیافت هر نوع به شیوه‌ای متفاوت انجام می‌شود. از زباله‌ها با نام طلای سیاه نیز یاد می‌شود چرا که اگر به‌درستی تفکیک و بازیافت شوند، علاوه بر درآمدزایی، آسیب‌های زیست‌محیطی کمتری نیز خواهند داشت.

از همین رو در دهه اخیر، شرکت‌ها و استارتاپ‌های زیادی بر روی کاربردهای هوش مصنوعی در جهت تفکیک و بازیافت صحیح زباله‌ها فعالیت می‌کنند. هوش مصنوعی با فناوری‌هایی چون اینترنت اشیا، رباتیک و بینایی ماشین توانسته در جداسازی سریع‌تر و بهتر زباله‌ها تأثیرات شایان توجهی بر جای بگذارد. در ادامه به برخی از کاربردهای هوش مصنوعی در مدیریت پسماند پرداخته‌ایم.

ربات‌های جداکننده انواع بازیافت

سطل زباله‌های هوشمند

در ادامه به تشریح موارد بالا پرداخته شده است.

ربات‌های جداکننده انواع بازیافت

یکی از کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست، استفاده از آن در مراکز بازیافت و مدیریت پسماند است. در مراکز بازیافت لازم است انواع مختلف زباله از هم جدا شوند و در بخش‌های مربوط به خود قرار گیرند. به طور سنتی، زباله‌ها معمولا پس از ورود به مراکز بازیافت بر روی نوار نقاله‌هایی ریخته می‌شده و افراد به‌صورت دستی آن‌ها را جدا می‌کردند. انجام این کار توسط انسان، دشوار و غیربهداشتی است و با سرعت بسیار پایین انجام می‌شود.

بنابراین هوش مصنوعی در این زمینه به یاری مراکز بازیافت آمده است. در این راستا می‌توان به شرکت M machine اشاره کرد که محصولی به نام SamurAI ساخته که با کمک گرفتن از فناوری-های بینایی ماشین و رباتیک (بازوهای مکانیکی)، می‌تواند پس از اسکن زباله‌ها و تشخیص نوع آن، زباله را توسط بازوهای مکانیکی در محل مورد نظر قرار دهد. بدین ترتیب فرآیند جداسازی زباله‌ها سریع‌تر و دقیق‌تر انجام می‌پذیرد.

سطل زباله‌های هوشمند

راحت‌ترین حالت برای تفکیک زباله‌ها، هنگام دور ریختن آن‌هاست. برای انجام این کار چندین استارتاپ هوش مصنوعی، انواع مختلفی از سطل زباله‌های هوشمند را ساخته‌اند. سطل زباله شرکت Intutive با نام Oscar دارای ۴ مخزن آشغال برای پلاستیک، شیشه، فلز و کاغذ به همراه یک مانیتور و دوربین است. پس از این‌که فرد، زباله خود را در مقابل دوربین قرار می‌دهد، سیستم به کمک فناوری بینایی ماشین، نوع زباله را تشخیص داده و در صفحه مانیتور نحوه درست بازیافت آن را نشان می‌دهد.

نوع دیگری از سطل زباله‌های هوشمند، مراحل بازیافت را به صورت خودکار انجام می‌دهد. در این سطل‌ها زباله در یک مخزن ریخته می‌شود. سپس به محفظه‌ای انتقال یافته و به‌وسیله یک دوربین مجهز به فناوری بینایی ماشین، نوع آن مشخص می‌گردد. در نهایت، بازوهای رباتیکی، زباله را به مخزن مربوطه هدایت می‌کنند.

کاربردهای هوش مصنوعی در حفاظت از منابع طبیعی

حفاظت و حراست از منابع طبیعی، اهمیت بسیار زیادی دارد چرا که انسان با بی‌توجهی خود در دهه‌های اخیر منجر به نابودی بخش زیادی از منابع طبیعی شده است؛ اما اکنون می‌توان از هوش مصنوعی برای مدل‌سازی، پیش‌بینی تغییرات زیست محیطی و پیشگیری از نابودی منابع طبیعی استفاده کرد. همچنین با پردازش تصاویر هوایی به کمک فناوری بینایی ماشین می‌توان شناخت بهتری از تغییرات کره زمین پیدا نمود.

جنگل‌ها و اقیانوس‌ها از جمله مهم‌ترین منابع طبیعی هستند که باید در حفظ و حراست آن‌ها کوشید. در دهه‌های اخیر عواملی از جمله گرمایش کره زمین، آتش‌سوزی‌ها، جنگل‌خواری و ساخت‌ و سازهای انسانی موجب نابودی بخش زیادی از سطح جنگل‌ها شده است. امروزه محققین در تلاشند تا به کمک هوش مصنوعی، آتش‌سوزی‌ها را پیش‌بینی کرده و از نابودی گونه‌های گیاهی و جانوری جلوگیری کنند. علاوه بر این به دلیل مساحت بسیار زیاد جنگل‌ها، کنترل و مدیریت آن‌ها توسط انسان‌ها بسیار سخت و حتی در بیشتر مواقع ناکارآمد است. هوش مصنوعی با بهره‌گیری از فناوری‌هایی چون بینایی ماشین، داده‌کاوی و اینترنت اشیا می‌تواند در زمینه‌های بسیاری از جمله مدیریت و نظارت بر منابع جنگل به انسان کمک کند تا ضمن حفظ و حراست بتوان به احیای جنگل‌ها نیز پرداخت.

از طرفی جنگل‌ها محل زندگی میلیون‌ها گونه حیوانی است که برخی از آن‌ها به دلیل رفتار نادرست انسان‌ها در حال انقراض می‌باشند. سه عامل اصلی نابودی حیوانات؛ تخریب زیستگاه، شکار بی‌رویه و تغییرات اقلیمی است. امروزه شرکت‌ها و استارتاپ‌های فعال در زمینه هوش مصنوعی در تلاشند تا از انقراض گونه‌های حیوانی به کمک ابزارهای هوش مصنوعی جلوگیری کنند. آن‌ها می‌کوشند تا به جنگلبانان در حراست از جنگل و حیوانات کمک نمایند.

یکی دیگر از کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست، کمک به حفظ و حراست از اقیانوس‌ها است. اقیانوس‌ها نیز از جمله منابع طبیعی بسیار مهم هستند که زندگی میلیون‌ها گونه حیوانی به آن‌ها وابسته است. آلودگی‌های نفتی، پلاستیکی و صید بی‌رویه انواع ماهی‌ها از جمله مهم‌ترین علل نابودی اقیانوس‌هاست. در راستای حفظ و حراست اقیانوس‌ها، دریاها و رودخانه‌ها می‌توان از هوش مصنوعی و فناوری‌های آن مانند بینایی ماشین استفاده کرد. کاربردهای هوش مصنوعی در حفاظت از منابع طبیعی، بسیار زیاد است که در این‌جا به برخی از آن‌ها اشاره می‌گردد.

شناسایی آلودگی پلاستیکی در آب اقیانوس‌ها و دریاها به کمک بینایی ماشین

جلوگیری از فرسایش خاک

پیش‌بینی آتش‌سوزی در جنگل

شناسایی افراد به دام افتاده در آتش و یا گم ‌شده در جنگل

دستیار هوشمندجنگلبانان

نقشه‌برداری از جنگل و شناسایی تخلفات و تغییرات

تشخیص و شمارش انواع پوشش گیاهی و نظارت بر سلامت آن‌ها

ردیابی حیوانات و جلوگیری از انقراض حیوانات

مطالعه رفتار حیوانات با هوش مصنوعی

در ادامه به تشریح هر یک از کاربردهای هوش مصنوعی در زمینه حفاظت از منابع طبیعی پرداخته می‌شود.

شناسایی آلودگی پلاستیکی در آب اقیانوس‌ها و دریاها به کمک بینایی ماشین

هر سال میلیون‌ها تن پلاستیک وارد آب اقیانوس‌ها، دریاها و رودخانه‌ها می‌شود و مطالعات نشان می‌دهد که حدود یک ‌میلیون پرنده دریایی و ۱۰۰.۰۰۰ پستاندار دریایی بر اثر بلعیدن پلاستیک، جان خود را از دست می‌دهند. شرکت هلندی The Ocean Cleanup با کمک گرفتن از فناوری بینایی ماشین و پردازش تصاویر ماهواره‌ای، محل تجمع زباله‌ها را در آب مشخص کرده سپس فرآیند پاکسازی را انجام می‌دهد.

جلوگیری از فرسایش خاک

هر ساله بیش از ۷۵ میلیارد تن خاک از سطح کره زمین، فرسوده می‌شود. خاک یک منبع تجدیدناپذیر است و فرسایش آن یک فرآیند زمین‌شناختی است که باعث نابودی مواد خاکی مانند کوه‌ها یا مراتع یک منطقه شده و در نهایت خاک فرسوده شده توسط باد یا آب جابه‌جا می‌شود. از جمله عوامل مؤثر در فرسایش خاک می‌توان به عبور آب، وزش باد، عوامل جوی مانند تغییرات دما، باران، برف و عوامل انسانی اشاره کرد.

دانشمندان در تلاشند تا با استفاده از فناوری‌های داده‌کاوی و بینایی ماشین در پردازش تصاویر ماهواره‌ای، انواع مختلف فرسایش خاک و تأثیرات آن‌ها را ارزیابی و مقایسه کرده و مناطقی را که در خطر فرسوده ‌شدن هستند، مشخص کنند. بنابراین می‌توان به اطلاعاتی از قبیل نوع فرسایش و علل پدید آمدن آن دست یافت که منجر به اتخاذ سیاست‌های درست جهت جلوگیری از نابودی خاک می‌شود.

پیش‌بینی آتش‌سوزی در جنگل

یکی از کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست که با استقبال بسیاری مواجه شد و از سوی شرکت‌های بزرگی چون گوگل و آمازون نیز در حال توسعه است، پیش‌بینی آتش سوزی جنگل‌ها قبل از وقوع آن است. در دهه‌های اخیر افزایش دما در سطح کره زمین سبب به وجود آمدن آتش‌سوزی‌های مهیب در جنگل‌ها شده است. در کنار مسائل مربوط به آب و هوا، بررسی‌ها بر روی میزان آب موجود در برگ گیاهان در مناطق گوناگون، نشان از وقوع آتش‌سوزی در مناطق مختلف جنگل‌هاست.

فناوری هوش مصنوعی با کمک ماهواره‌های مستقر در مدار زمین، جمع‌آوری اطلاعاتی مانند میزان رطوبت در جنگل‌ها و آگاهی از جریان‌های بلند مدت گرما و خشکسالی را بسیار آسان‌تر می‌کند؛ لذا می‌توان با پردازش تصاویر دریافت شده از ماهواره‌ها وقوع آتش‌سوزی را از قبل پیش‌بینی کرد.

شناسایی افراد به دام افتاده در آتش و یا گم‌ شده در جنگل

به کمک ماهواره‌ها، پهباد‌ها و دوربین‌های نوری و با بهره گرفتن از فناوری بینایی ماشین می‌توان افراد به دام افتاده در آتش و یا گم شده در جنگل را شناسایی و ردیابی کرد. شرکت Raytheon با همکاری مرکز داده‌ای شرکت فیسبوک، ابزاری را توسعه داده که می‌توان از آن برای پیدا کردن افراد گم‌شده در هنگام بروز طوفان سهمگین و یا آتش‌سوزی کمک گرفت.

دستیار هوشمند جنگلبانان

وظیفه مهم جنگلبانان حفاظت از بافت گیاهی و جانوری جنگل و جلوگیری از شکار غیرقانونی است. آن‌ها باید هر روز مناطق بسیاری را بررسی کرده تا تله‌هایی را که شکارچیان برای شکار حیوانات در جنگل قرار داده‌اند پیدا و آن‌ها را جمع‌آوری کنند. به همین دلیل جنگلبانان، نیازمند یک برنامه هوشمند برای مسیریابی و ثبت مسیرهای رفته شده هستند.

مسیریابی در جنگل‌های بزرگ، تنها توسط جنگلبانان ماهر امکان‌پذیر است چرا که علاوه بر شناخت مسیرها، رودها و تپه‌ها، باید مسیر عبور حیوانات وحشی و یا مکان‌های محتمل بر تله‌های شکارچیان غیر مجاز را نیز شناخت. در این خصوص، نرم‌افزار PAWS، بر اساس الگوریتم‌های یادگیری ماشین، توسعه داده ‌شده است که برای کشف مسیرها به جنگلبانان کمک می‌کند. این نرم‌افزار تمام‌ مسیرها، رودخانه‌ها و صخره‌ها را می-شناسد و به جنگلبانان برای کشف مسیرها کمک می‌کند.

در این سیستم تمام اطلاعات در خصوص مکان‌هایی با بیشترین احتمال تله و دام به جنگلبانان گزارش داده می‌شود و اگر جنگلبان مسیری را برای اولین بار طی کند، این نرم‌افزار تمام اطلاعات در خصوص مکان شکارچیان غیر مجاز، مسیر حیوانات وحشی، تله‌ها و دام‌های ممکن را بر اساس داده‌های گذشته به آن‌ها می‌دهد. همچنین می‌توان اطلاعات جدید کشف شده در مسیر را در آن ثبت کرد تا داده‌ها به روزرسانی شوند.

نقشه‌برداری از جنگل و شناسایی تخلفات و تغییرات

جنگل‌زدایی به ریشه‌کنی درختان یک منطقه گفته می‌شود که در نتیجه آن، تمام یا بخش بزرگی از درختان از بین می‌روند. این عمل توسط سودجویان برای تولید کاغذ و یا محصولات چوبی صورت می‌گیرد که از نتایج فاجعه‌بار این عمل، می‌توان به افزایش سیل و نابودی گونه‌های گیاهی و جانوری در منطقه اشاره کرد. متخصصین توسط پهپاد‌ها و ماهواره‌ها نقشه‌های هوایی از تمام جنگل تهیه می‌کنند. این امر در بازه‌های دوره-ای مشخص، تکرار می‌شود. سپس هوش مصنوعی تصاویر جدید را با نقشه قبلی از جنگل تطبیق داده و در صورت بروز هرگونه تغییر، هشدار می‌دهد و منطقه مورد نظر را مشخص می‌نماید.

تشخیص و شمارش انواع پوشش گیاهی و نظارت بر سلامت آن‌ها

برای کشف انواع پوشش گیاهی و تعداد آن و همچنین شناسایی مناطق آفت زده، می‌توان از فناوری بینایی ماشین کمک گرفت. کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست این امکان را فراهم می‌کنند که بتوان برآورد نسبتا دقیقی از انواع بافت گیاهی به دست آورد. شمارش گونه‌های مختلف گیاهی و درختی به‌صورت دستی، بسیار زمان‌بر، پرهزینه و همراه با خطاست؛ اما به کمک پردازش تصاویر هوش مصنوعی در زمان کم و با صرف هزینه پایین می‌توان به عملکردی قابل ‌قبول در این زمینه دست یافت. علاوه ‌بر این، سیستم‌های مبتنی بر این فناوری با پردازش تصاویر گرفته شده از پوشش گیاهی جنگل‌ها، مناطق آلوده شده به آفات را شناسایی کرده و اطلاع می‌دهند. سپس مسئولان مربوطه برای سم‌پاشی منطقه، به اقدامات لازم می‌پردازند.

ردیابی حیوانات و جلوگیری از انقراض حیوانات

دو شرکت بزرگ گوگل و ماکروسافت در حال تلاش برای شمارش و شناسایی گونه‌های حیوانی هستند. آن‌ها با کمک گرفتن از فناوری هوش مصنوعی در تلاشند تا گونه‌های جانوری در حال انقراض را شناسایی و از انقراض آن‌ها جلوگیری کنند. به‌عنوان نمونه Google Cloud به کمک دوربین‌ها و سنسورهایی که در سراسر جنگل کار گذاشته، از تمام حیواناتی که از مسیر دوربین رد می‌شوند، عکس‌برداری می‌کند. به‌طور تقریبی هر یک از این دوربین‌ها حدود ۱۵۰.۰۰۰ عکس از حیوانات گوناگون تهیه می‌کند.

پردازش و تجزیه‌ و‌ تحلیل این عکس‌ها توسط انسان، بسیار زمان‌بر است. به همین دلیل از فناوری بینایی ماشین کمک گرفته شده تا این تصاویر را پردازش و انواع گونه‌های حیوانی در آن‌ها شناسایی شود. بدین ترتیب اگر شما به دنبال تصاویری باشید که در آن‌ها میمون لمور وجود دارد با کمک مدلWildlife insight می‌توانید تمام تصاویر مربوط به آن را پیدا کنید. بدین ترتیب، این سیستم در حال بهبود و توسعه است تا بتوان به کمک هوش مصنوعی، مسیر حرکت حیوانات در حال انقراض را شناسایی و در صورت بروز هرگونه خطری برای آن‌ها هشداری به جنگلبانان صادر شود.

مطالعه رفتار حیوانات با هوش مصنوعی

بررسی و مطالعه بر روی رفتار حیوانات، اطلاعات خوبی را در خصوص نحوه مهاجرت، زندگی و شیوع بیماری-ها در بین آن‌ها مشخص می‌کند. محققین هوش مصنوعی در مقالات مختلف از تلاش خود برای درک رفتار حیوانات صحبت کرده‌اند. آن‌ها تاکنون توانسته‌اند حالت رفتاری و سرعت حرکت حیوانات را به کمک مدل‌های یادگیری عمیق، مدل‌سازی کنند.

کاربردهای هوش مصنوعی در هواشناسی

یکی از کاربردهای هوش مصنوعی در محیط زیست که به همه افراد از آن بهره می‌برند، پیش‌بینی آب‌و‌هوا در روزهای آینده است. به طور کل استفاده از اصول علمی برای مشاهده، توضیح و پیش‌بینی آب‌ و ‌هوا را علم هواشناسی می‌گویند. هواشناسان با ردیابی الگوهای هوایی، پردازش تصاویر ماهواره‌ای و سایر ابزارهای مربوطه از قبیل ابزارهای اندازه‌گیری سرعت و جهت باد، آب‌ و هوای روزهای آینده را پیش‌بینی می‌کنند؛ اما دقت این پیش‌بینی‌ها به میزان داده مورد بررسی اولیه آن‌ها بستگی دارد.

هوش مصنوعی، قدرت پردازش و سرعت محاسبات بالاتری نسبت به انسان دارد. به همین دلیل امروزه هواشناسان از مدل‌های یادگیری ماشین برای پیش‌بینی وضعیت آب‌و‌هوای روزهای آینده استفاده می‌کنند. همچنین فناوری داده‌کاوی با استناد بر داده‌هایی مانند آب‌ و‌ هوای روزهای آینده، تعطیلات، مناسبت‌ها و ساعت‌های مختلف شبانه‌روز به پیش‌بینی میزان آلاینده‌ها و آلودگی هوا می‏پردازد و این پیش‌بینی‌ها برای مدیریت صحیح شهر و کنترل میزان آلودگی هوا استفاده می‌شود.

پیش‌بینی وضعیت آب ‌و هوا

پیش‌بینی سطح آلودگی هوا

در ادامه، کاربردهای هوش مصنوعی در هواشناسی شرح داده می‏‌شود.

پیش‌بینی وضعیت آب و هوا

بینش در مورد وضعیت آب ‌و‌ هوا در مدیریت و برنامه‌ریزی صنایع بسیاری مانند کشاورزی، حمل‌ و ‌نقل هوایی و صنعت بیمه بسیار اهمیت دارد. سال‌های زیادی است که انسان‌ها با دنبال کردن الگوهای آب‌ و‌ هوایی به پیش‌بینی شرایط جوی می‌پردازند؛ اما این پیش‌بینی‌ها انحراف قابل‌ توجهی نسبت به واقعیت دارند. هر چه دامنه‌ی داده‌هایی که از گذشته بررسی می‌شوند بیشتر باشد و بازه‌ی زمانی طولانی‌تری در بر گرفته شود، نتیجه به‌دست‌آمده دقیق‌تر خواهد بود.
تجزیه‌ و تحلیل داده‌ها، زمانی که حجم آن‌ها بالا می‌رود، کاری سخت و زمان‌بر است. مدل‌های هوش مصنوعی به کمک داده‌های آب و هوایی گذشته و با کمک گرفتن از فناوری بینایی ماشین (جهت بررسی تصاویر ماهواره‌ای) و سایر ابزارهای مربوط به سنجش وضعیت آب و هوا به پیش‌بینی آب و هوای روزهای آینده می‌پردازند. به‌طور کلی مدل‌های هوش مصنوعی پیش‌بینی‌های بهتری را با هزینه‌ی محاسبات کمتر ارائه می-دهند و نتایج حاصل از این مدل‌ها به واقعیت، بسیار نزدیک‌تر هستند.

پیش‌بینی سطح آلودگی هوا

یک گروه تحقیقاتی کامپیوتر از دانشگاه لاگبورو در انگلیس، سیستمی مبتنی بر هوش مصنوعی طراحی کرده-اند که می‌تواند سطح آلودگی را از چند روز قبل پیش‌بینی کند. این سیستم، داده‌های مربوط به هوا را از سنسورهای نصب‌ شده در سطح شهرها می‌گیرد و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهد. سپس از مدل‌های یادگیری ماشین استفاده می‌کنند تا نوع آلاینده و میزان آن را مشخص کنند. در نهایت به کمک داده‌های به‌ دست‌ آمده، سطح آلودگی هوا در روزهای بعد را پیش‌بینی می‌کنند.

انواع کاربردهای هوش مصنوعی در صنایع مختلف را در هوشیو بخوانید