— Любой горожанин может невооруженным глазом видеть барельефы, статуи, скульптурные группы, надгробные плиты и другие виды памятников, покрытые, как правило, зеленым или черным налетом. Это так называемые биопленки, состоящие из микроскопических грибов, водорослей, лишайников, мхов. Они не только портят внешний вид памятников, но и повреждают их, что ускоряет разрушение.

Биообрастание памятников — серьезная проблема, которая актуальна во всем мире. Конечно, в Петербурге она стоит острее, поскольку мы находимся в климатических условиях, которые способствуют ускоренным процессам биологической колонизации объектов на открытом воздухе.

Стоит отметить, что это естественный процесс. Его полностью остановить невозможно. В природе всё так устроено, что колонизация открытых поверхностей различными микроорганизмами происходит независимо от человека и несмотря на все усилия противостоять этому. Мы можем только замедлить эти процессы, чтобы сохранить объекты культурного наследия для будущих поколений. Это одна из важнейших задач современности. Помочь в этом могут биологи.

— Начиная с мониторинга биопленок, которыми обрастают памятники. Долгое время это происходило следующим образом: ученые делали описания того, что видят на поверхности памятника, затем отбирали пробы, в лаборатории переносили частицы биопленок на питательные среды в чашки Петри, в дальнейшем проводили анализ под микроскопом, чтобы выяснить, какие организмы были на памятнике. Результаты работы передавались реставраторам и специалистам, которые осуществляют уход за памятниками. Это очень трудоемкий процесс. Он требует большой и кропотливой лабораторной работы. На анализ различных типов биопленок только одного памятника уходит очень много времени. А ведь есть необходимость одновременно фиксировать, что происходит со множеством культурных объектов.

Поэтому возникла потребность в создании экспресс-метода оценки состояния памятника. Решить эту задачу взялась междисциплинарная группа ученых СПбГУ. В нее входили трое программистов (Валерий Михайлович Гришкин, Алексей Петрович Жабко, Александр Михайлович Ковшов), биолог (ваш покорный слуга), а также реставратор высшей категории Станислав Борисович Щигорец.

— Многие биологические объекты обладают своими спектральными характеристиками. Каждый гриб, лишайник, водоросль, которые растут на памятнике, имеют свои спектральные параметры. Мы решили использовать эту особенность, чтобы быстро идентифицировать объекты и оценить степень их развития на памятнике. Этот принцип и положен в основу нашей разработки — «Программы визуализации распределения биологических загрязнителей на памятниках культурного наследия».

— Для начала нужно сделать серию изображений объектов. Их необходимо получить в видимом спектре излучения и в ближней части инфракрасного излучения. Затем, когда у нас есть серия этих изображений, они обрабатываются с помощью компьютерной программы. Она же рассчитывает показатели, которые используются в мониторинге. В частности, нормализованный вегетационный индекс (Normalized difference vegetation index — NDVI). По сути, это числовой показатель качества и пространственного распределения биологических объектов на определенном участке. Загружая снимки в программу, мы в итоге получаем информацию о всех типах биологических объектов на памятнике и, что очень важно, какую площадь поверхности они занимают.

Чтобы это так работало, программисты написали программу. Ее нужно было обучить распознавать биологические объекты. Хотя разработкой программы мы занимались еще до взрывного развития технологии искусственного интеллекта, работает она по его законам.

— Благодаря быстроте получения сведений о составе биопленок мы, во-первых, можем проводить мониторинг с определенной, нужной специалистам периодичностью. Во-вторых, мы можем накапливать материал для проведения сравнительного анализа: какие объекты колонизировали памятник и какую площадь занимали, например, год, полгода назад и сейчас. Программа позволяет строить картограммы биологических обрастаний. В Петербурге картина биообрастаний памятников изменяется очень быстро даже в течение одного вегетационного сезона (весна — осень). Эти процессы важно отслеживать, чтобы не допустить уже непоправимых последствий для памятника. Картограммы как раз наглядно показывают, что может происходить с развитием биообрастаний, они могут служить хорошим аргументом для музейных работников при принятии решений, когда и какие памятники в первоочередном порядке требуют ухода и консервации.

— В ее быстроте. В течение относительно короткого времени можно собрать и проанализировать данные по достаточно большому количеству памятников. Это именно то, для чего мы ее и создавали. Она действительно достоверно и за короткое время идентифицирует биологические объекты на памятниках и площадь, которую они на нем покрывают. По нашим оценкам, вероятность ошибки не превышает 5 %.

И есть еще одно важное ее достоинство. C помощью этой программы можно оценить эффективность консервационных и реставрационных работ: насколько удалось памятник освободить от наслоений различной природы.

Естественно, как и любой подобный продукт, программа имеет некоторые ограничения. Так, например, очень важно освещение, при котором проводится съемка. Программе сложнее обрабатывать снимки очень рельефных памятников, поскольку на изображениях естественным образом появляются тени и некоторые искажения.

— Она хорошо себя показала, например, в ходе мониторинга разных памятников Государственного музея городской скульптуры. В его ведении находится множество памятников монументального искусства из разных типов камня. Все они пребывают в городской среде и под влиянием климатических условий обрастают различными микроорганизмами. Идеальным местом для проведения исследований и отработки данной технологии оказались памятники музейных некрополей, где наблюдения за памятниками осуществляются более 20 лет при участии специалистов СПбГУ.

— Очевидно, что программа может быть успешно и широко применена для оценки загрязнений фасадов зданий в жилищно-коммунальном хозяйстве. Схожие программные продукты применяются в сельском хозяйстве для оценки состояния посевов, стадии развития растений, их поражения болезнями.

Программа уже была использована в ходе археологических раскопок. Она может быть также полезна при мониторинге растительности полярных экосистем.

Наша разработка может стать подспорьем для специалистов музеев, архивов и библиотек. Очень часто старинные рукописи, исторические документы повреждаются микроорганизмами — преимущественно плесневыми грибами. Они тоже имеют свои спектральные особенности. Программа может быть использована и для мониторинга состояния внутренних помещений (интерьеров) в музеях-усадьбах, где нередко развиваются процессы биоповреждений.

— Самым сложным оказалось обучить программу распознавать различные типы биологических объектов. Между организмами, живущими на памятниках, часто нет четких границ. Они обычно существуют совместно, в виде сообществ, которые нередко переходят одно в другое. Для того чтобы их классифицировать, необходимо было подобрать критерии, что оказалось непросто. Если сам камень и биологический объект имеют разные спектральные характеристики, то в случае биопленки, состоящей из водорослей, грибов, бактерий и лишайников, все усложняется. И водоросль, и лишайник могут быть зелеными, а значит, иметь схожие параметры. Нам же нужно было научить программу дифференцировать их, и нам это во многом удалось.

— Мы проводили мониторинг некоторых мраморных скульптур Екатерининского парка в Царском Селе. Кроме того, использовали эту программу для оценки эффективности защитных обработок в музейных некрополях Санкт-Петербурга. Наша программа также применялась в ходе мониторинга объектов наскального искусства на территории музея-заповедника «Томская Писаница», а также на некоторых археологических памятниках Хакасии.

— Мы обучили программу работать с изображениями в видимом и в ближней части инфракрасного излучения. Есть и другие спектры, в частности ультрафиолетовый, которые тоже очень часто применяются при выявлении и идентификации биологических объектов. Например, ультрафиолет используется для выявления биопленок в пещерах.

Для удобства использования программу можно преобразовать в виде мобильного приложения.

При соответствующем запросе и финансировании мы готовы доработать программу под потребности заказчика.

— Я бы сказал, что существуют продукты, при создании которых был использован похожий подход. Они применяются, как я уже отмечал ранее, в сельском хозяйстве. Мы же были первыми, кто разработал программу визуализации распределения биологических объектов на памятниках культурного наследия, подвергающихся биообрастанию.