Ανάπτυξη ευφυών προτύπων και αντίστοιχων πληροφοριακών συστημάτων, εμπνευσμένων από βιολογικά αντίστοιχα, με στόχο την αξιολόγηση περιβαλλοντικών προβλημάτων και κινδύνων

Abstract

The disturbances in the Earth's biosphere and the natural environment originating from irrational human activities have created serious environmental problems which are equivalent to an extensive and prolonged ecological crisis. The disturbances in the Earth's biosphere and the natural environment originating from irrational human activities have created serious environmental problems, which is equivalent to an extensive and prolonged ecological crisis.Climate change is revealed clearly, by the increase in global average air and ocean temperatures, through the widespread melting of snow and ice and by the rising of the global average sea level. It is an additional pressure on ecosystems, resulting in very dangerous situations with negative effects on human health and it damages agriculture, forestry, energy, tourism and infrastructure in general.One of the most serious potential impacts of climate change lies in the complex interaction of species in relation to climatic survival factors, and particularly in the spread of invasive species, which constitute a serious and rapidly worsening threat to natural biodiversity of the native environment and generally a threat to flora, fauna, and even to the human population.The critical stage for the adoption and implementation of a specific policy to address the elimination, control or containment of the species, is the process of their recognition, given that these species are usually unknown to the new installation environment. The process of recognition and safe identification is an extremely difficult, complicated and dangerous process as neither the large differences in morphology, nor the significant similarities, reflect the affinity or not between biological organisms.The necessity of a comprehensive and absolutely valid identification of these species is more than evident in the cases of treatment programs design the identification process depends on a multitude of information required and the constant monitoring of the status quo.So, after recognizing climate change as the root cause of the very major environmental problems, the objective of this PhD thesis is the employment of intelligent analysis of phenomena that enhance climate change (such as air pollution). It is especially crucial to apply and combine methods (in a hybrid mode) that can predict or model the potential effects of climate change such as increasing the frequency of extreme weather phenomena, extensive forest fires and the spread of invasive species.Specifically, this thesis proposes the development of a Hybrid Combined Computational Intelligence Information System, which is based exclusively on innovative methods of Biologically Inspired Computational Intelligence. This information system considers the quality of the atmosphere and can predict the extent of air pollution, which is a catalyst and a major factor in maximizing the effects of climate change.It also can make timely and accurate prediction for the occurrence of extreme weather events, which are associated with anthropogenic climate change and in particular with the continuous increase in average temperatures and with the rainfall reduction due to global warming.Additionally, the system can perform an analysis of the factors that significantly affect the forest fires, including the increasing frequency and intensity favored by drought, prolonged periods of high temperatures and extreme weather events, namely the impacts of climate change.Also this system can conduct a study of the spatiotemporal conditions of occurrence of harmful invasive species, in relation to climatic factors of survival and to the overall impact of climate change on habitat structure and ecological function.It can therefore analyze the changes observed in the populations of the species, changes in the way of their spread and to identify a series of phenological and ecological changes identified in the wider natural living and breeding environment.Finally, another very important and innovative process of automated identification of invasive species, either with phenotypic processes or with analysis of the species DNA, is effectively achieved by the proposed scheme.Specifically, the phenotypic identification is achieved through computer vision and through Machine Hearing. The recognition by DNA analysis is accomplished by the identification of the genetic barcode material (DNA barcoding) of every species and through an innovative identification system which is based on environmental DNA analysis (Metagenomics).To demonstrate the validity and reliability of the methods used, specific case studies were performed, in particularly difficult scenarios of decision making and forecasting. The whole process yielded extremely high accuracy results, which reinforces the view for adoption and widespread use of Biologically Inspired intelligent digital information systems.

Οι διαταραχές στη γήινη βιόσφαιρα και στο φυσικό περιβάλλον οι οποίες προέρχονται από την αλόγιστη ανθρώπινη δραστηριότητα, έχουν δημιουργήσει σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα, τα οποία ισοδυναμούν με μία εκτεταμένη και παρατεταμένη οικολογική κρίση.Η κλιματική αλλαγή η οποία αποτυπώνεται ευδιάκριτα, στην αύξηση της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας του αέρα και των ωκεανών, στην εκτεταμένη τήξη του χιονιού και του πάγου και στην άνοδο του παγκόσμιου μέσου επιπέδου της θάλασσας, αποτελεί την πρόσθετη πίεση στα οικοσυστήματα, οδηγώντας σε εξαιρετικά επικίνδυνες καταστάσεις, με αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία αλλά και την γεωργία, τη δασοκομία, την παραγωγή ενέργειας, τον τουρισμό και τις υποδομές γενικότερα. Μια από τις σοβαρότερες δυνητικές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής εντοπίζεται στην σύνθετη αλληλεπίδραση των ειδών σε σχέση με τους κλιματικούς παράγοντες επιβίωσης τους και ιδιαίτερα στην εξάπλωση χωροκατακτητικών ειδών, τα οποία συνιστούν μια σοβαρότατη και ταχέως επιδεινούμενη απειλή για τη φυσική βιοποικιλότητα του γηγενούς περιβάλλοντος, αλλά και γενικότερα της χλωρίδας, της πανίδας, ακόμα και του ανθρώπινου πληθυσμού ενός τόπου.Κρίσιμο στάδιο για την υιοθέτηση και εφαρμογή συγκεκριμένης πολιτικής για την αντιμετώπιση, την εξάλειψη, τον έλεγχο ή και τη συγκράτηση των ειδών αυτών, αποτελεί η διαδικασία αναγνώρισης τους, με δεδομένο το ότι τα είδη αυτά είναι συνήθως άγνωστα στο νέο περιβάλλον εγκατάστασης τους και είναι εξαιρετικά δύσκολη, πολύπλοκη και επικίνδυνη η διαδικασία αναγνώρισης και ασφαλούς ταυτοποίησης τους, καθώς ούτε οι μεγάλες διαφορές στη μορφολογία, αλλά ούτε και οι σημαντικές ομοιότητες, αντανακλούν τη συγγένεια ή όχι των βιολογικών οργανισμών. Ακόμη σοβαρότατη, κρίνεται η ανάγκη εμπεριστατωμένης και απόλυτα έγκυρης ταυτοποίησης των εν λόγω ειδών, στις περιπτώσεις σχεδιασμού προγραμμάτων αντιμετώπισης τους, καθώς η διαδικασία αναγνώρισης εξαρτάται από ένα πλήθος απαιτούμενων πληροφοριών και την διαρκή παρακολούθηση της υφιστάμενης κατάστασης. Αναγνωρίζοντας λοιπόν την κλιματική αλλαγή ως την γενεσιουργό αιτία σημαντικότατων περιβαλλοντικών προβλημάτων, τέθηκε ως στόχος της παρούσας Διδακτορικής διατριβής, η αναζήτηση ευφυών μεθόδων ανάλυσης φαινομένων που ενισχύουν τις μεταβολές του κλίματος (όπως η ρύπανση της ατμόσφαιρας) και κυρίως μεθόδων που μπορούν να προβλέψουν ή να μοντελοποιήσουν τις δυνητικές επιπτώσεις της κλιματική αλλαγής όπως: Η αύξηση της συχνότητας εμφάνισης ακραίων καιρικών φαινομένων, οι εκτεταμένες δασικές πυρκαγιές και η διασπορά χωροκατακτητικών ειδών. Συγκεκριμένα στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται η ανάπτυξη ενός Υβριδικού Πρότυπου και Πληροφοριακού Συστήματος Υπολογιστικής Νοημοσύνης, το οποίο βασίζεται αποκλειστικά σε καινοτόμες μεθόδους Βιολογικά Εμπνευσμένης Υπολογιστικής Νοημοσύνης. Το σύστημα αυτό, μελετά την ποιότητα της ατμόσφαιρας και μπορεί να προβλέψει την έκταση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, η οποία αποτελεί καταλύτη και δραστικότατο παράγοντα στην μεγιστοποίηση των συνεπειών της κλιματικής αλλαγής. Επίσης, μπορεί να πραγματοποιήσει έγκαιρη και έγκυρη πρόβλεψη για την εμφάνιση ακραίων καιρικών φαινομένων, τα οποία συνδέονται με την ανθρωπογενή αλλαγή του κλίματος και ιδιαιτέρως, με την συνεχή αύξηση της μέσης θερμοκρασίας, λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου και την αντίστοιχη μείωση της κατανομής των βροχοπτώσεων, ως άμεση συνέπεια της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Επιπρόσθετα, το σύστημα αυτό μπορεί να πραγματοποιήσει ανάλυση των παραγόντων που ουσιαστικά επιδρούν στην εκδήλωση δασικών πυρκαγιών , των οποίων η αύξηση της συχνότητας και της έντασης ευνοείται από τις συνθήκες ξηρασίας, τις παρατεταμένες περιόδους υψηλών θερμοκρασιών και τα ακραία καιρικά φαινόμενα, δηλαδή από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Επίσης το σύστημα αυτό μπορεί να πραγματοποιήσει μελέτη των χωροχρονικών συνθηκών ευόδωσης της εμφάνισης επιβλαβών χωροκατακτητικών ειδών, σε σχέση με τους κλιματικούς παράγοντες επιβίωσης τους και με τις γενικότερες επιπτώσεις της αλλαγής του κλίματος στη δομή των ενδιαιτημάτων και στην οικολογική λειτουργία τους. Κατά συνέπεια μπορεί να αναλύσει τις αλλαγές που παρατηρούνται στους πληθυσμούς των ειδών, τις αλλαγές του τρόπου εξάπλωσης τους και να εντοπίσει μια σειρά από φαινολογικές και οικολογικές αλλαγές που εντοπίζονται στο ευρύτερο φυσικό περιβάλλον διαβίωσης και αναπαραγωγής τους. Τέλος, μια ακόμα πολύ σημαντική όσο και καινοτόμος διαδικασία αυτοματοποιημένης αναγνώρισης χωροκατακτητικών ειδών με διαδικασίες φαινοτυπικής αναγνώριση ή αναγνώρισης μετά από ανάλυση του DNA του εξεταζόμενου είδους, επιτυγχάνεται από το προτεινόμενο σύστημα. Συγκεκριμένα, η φαινοτυπική αναγνώριση επιτυγχάνεται μέσω Μηχανικής Όρασης και μέσω Μηχανικής Ακοής, ενώ όσον αφορά στην αναγνώριση μέσω ανάλυσης DNA, αυτό υλοποιείται με την αναγνώριση του γενετικού υλικού ραβδοκώδικα (DNA barcoding) κάθε είδους και μέσω ενός καινοτόμου συστήματος ταυτοποίησης βάσει ανάλυσης περιβαλλοντικού DNA (Metagenomics).Για την απόδειξη της εγκυρότητας και αξιοπιστίας των χρησιμοποιούμενων μεθόδων, πραγματοποιήθηκαν εξειδικευμένες μελέτες περιπτώσεων, σε ιδιαίτερα επίπονα σενάρια πρόβλεψης και λήψης απόφασης, αποδίδοντας εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας αποτελέσματα, γεγονός που ενισχύει την άποψη για υιοθέτηση και ευρεία χρήση ψηφιακών πληροφοριακών συστημάτων Βιολογικά Εμπνευσμένης Υπολογιστικής Νοημοσύνης, στην αντιμετώπιση των σύγχρονων περιβαλλοντικών προβλημάτων.