NASA využívá výkonné superpočítače a umělou inteligenci k mapování pozemských stromů a zkoumá miliardy stromů v suchých oblastech západní Afriky

Astronaut z Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) pořídil tuto šikmou fotografii zachycující většinu západoafrické země Guinea-Bissau, stejně jako jižní část sousední Guineje, Gambie a Senegalu a Mauretánie. Tato scéna sahá od zelené lesní vegetace a vlhkého podnebí na pobřeží Atlantiku po téměř bez vegetace krajiny Saharské pouště. Uznání: NASA

vědci NASAGoddardovo vesmírné letové centrum v Greenbeltu v Marylandu a jeho mezinárodní spolupracovníci předvedli novou metodu mapování polohy a velikosti stromů rostoucích mimo lesy, zkoumání miliard stromů ve vyprahlých a polosuchých oblastech a položení základů pro přesnější globální systém. měření ukládání uhlíku na souši.

Pomocí výkonných superpočítačů a algoritmů strojového učení tým zmapoval průměr koruny více než 1,8 miliardy stromů (šířka stromu při pohledu shora) na ploše více než 500 000 čtverečních mil nebo 1300 000 čtverečních kilometrů. Tým mapoval, jak se průměr koruny stromu, rozsah a hustota měnily v závislosti na srážkách a využití půdy.

Tým uvedl, že mapování nelesních stromů na této úrovni podrobností pomocí tradičních metod analýzy bude trvat měsíce nebo roky, ve srovnání s několika týdny pro tuto studii. Použití obrázků s velmi vysokým rozlišením a výkonné umělé inteligence představuje průlom technologie pro mapování a měření těchto stromů. Tato studie si klade za cíl být první v řadě článků, jejichž cílem je nejen mapovat velkou plochu nelesních stromů, ale také vypočítat, kolik uhlíku ukládají – důležité informace pro pochopení uhlíkového cyklu Země a jak to je. změny v čase.


Vědci a mezinárodní spolupracovníci z Goddardova vesmírného letového střediska NASA v Greenbeltu v Marylandu předvedli novou metodu pro mapování polohy a velikosti stromů rostoucích mimo lesy, objevování překvapivě vysokého počtu stromů v polosuchých oblastech a přípravu přesnější půdy. globální měřítko ukládání uhlíku na souši. Uznání: Goddard Space Flight Center NASA

Měření uhlíku na stromech

Uhlík je jedním ze základních stavebních kamenů všeho života na Zemi a tento prvek prochází cyklem uhlíku mezi zemí, atmosférou a oceány. Některé přírodní procesy a lidské činnosti uvolňují uhlík do atmosféry, zatímco jiné procesy ho vytahují z atmosféry a ukládají ho na souši nebo v oceánu. Stromy a jiné zelené rostliny jsou „propadáky“ uhlíku, to znamená, že jej používají k pěstování a ukládání mimo atmosféru ve svých stoncích, větvích, listech a kořenech. Lidské činnosti, jako je spalování stromů a fosilních paliv nebo vyklízení lesních pozemků, uvolňování uhlíku do atmosféry ve formě oxidu uhličitého a zvyšování atmosférických koncentrací oxidu uhličitého je hlavní příčinou změny klimatu.

Compton Tucker, vedoucí vědecký pracovník v oblasti biosféry z NASA Goddard’s Department of Earth Sciences, uvedl, že odborníci na ochranu přírody, kteří pracují na zmírnění změny klimatu a dalších environmentálních hrozeb, se již léta zaměřují na odlesňování, ale tyto snahy ne vždy zahrnují stromy rostoucí mimo lesy. Tyto stromy jsou nejen důležitými propady uhlíku, ale také přispívají k ekosystémům a ekonomikám nedaleké populace lidí, zvířat a rostlin. Mnoho stávajících metod pro zkoumání obsahu uhlíku ve stromech však zahrnuje pouze lesy, nikoli stromy rostoucí jednotlivě nebo v malých shlucích.

Západoafrická území

Tým se zaměřil na suché oblasti západní Afriky, včetně suché jižní strany pouště Sahara, podél polosuchého regionu Sahel a do vlhkých subtropů. Tým trénoval výpočetní algoritmy pro rozpoznávání stromů v různých typech pevnin, od pouští na severu po savany na jihu, studoval různé krajiny od několika stromů až po téměř zalesněné podmínky. Uznání: NASA’s Visual Visualization Studio; Data Blue Marble poskytla Reto Stockli (NASA / GSFC).

Tucker a kolegové z NASA společně s mezinárodním týmem použili komerční satelitní snímky z DigitalGlobe, které měly dostatečně vysoké rozlišení, aby jednotlivě detekovaly stromy a měřily rozměry korun. Snímky pocházely z komerčních satelitů QuickBird-2, GeoEye-1, WorldView-2 a WorldView-3. Tým se zaměřil na suché oblasti v celém polosuchém regionu Sahel, včetně suché jižní strany pouště Sahary, která se táhne do vlhkých subtropických oblastí západní Afriky, s každoročním menším množstvím srážek než odpařováním. . Tým trénoval výpočetní algoritmy pro rozpoznávání stromů v různých typech pevnin, od pouští na severu po savany na jihu, studoval různé krajiny od několika stromů až po téměř zalesněné podmínky.

Učení v práci

Tým spustil výkonný výpočetní algoritmus zvaný plně konvoluční neurální síť („deep learning“) na jednom z nejrychlejších superpočítačů na světě, Blue Waters z Illinoisské univerzity. Tým model vyškolil tak, že ručně označil kolem 90 000 jednotlivých stromů v různých terénech a poté mu umožnil „zjistit“, které tvary a stíny naznačují přítomnost stromů.

Martin Brandt, náměstek profesora geografie na univerzitě v Kodani a hlavní autor studie, uvedl, že proces kódování údajů o vzdělávání trval déle než rok. Samotný Brandt označil všech 89 899 stromů a pomohl model trénovat a provozovat. Ankit Kariryaa z University of Bremen propagoval vývoj počítačového zpracování v hlubokém učení.

“Na jednom kilometru půdy, řekněme v poušti, často nejsou žádné stromy, ale program chce strom najít,” řekl Brandt. Najde kámen a bude si myslet, že je to strom. Jižněji najde domy, které vypadají jako stromy. Zní to jednoduše – myslíte si, že existuje strom, proč by model neměl vědět, že je to strom? Výzvy však přicházejí s touto úrovní podrobností. Čím více podrobností bude, tím více potíží bude. “

Stanovení přesného počtu stromů v této oblasti poskytuje důležité informace pro výzkumné pracovníky, tvůrce politik a ochránce přírody. Kromě toho měření toho, jak se velikost a hustota stromů mění s deštěm – s vlhčími a hustě osídlenými oblastmi podporujícími stále větší stromy – poskytuje důležitá data pro úsilí ochrany půdy.


Vizualizace začíná v globálním měřítku a poté se posune dovnitř, aby se zobrazil pracovní prostor. Aby se ukázalo, že se jedná o suchou oblast, jsou klimatické zóny zobrazeny pomocí ročních průměrů srážek od roku 1982 do roku 2017: extrémně suché (srážky 0–150 mm / rok), suché (150–300 mm / rok), polosuché (300–600 mm / rok), vlhké (600-1000 mm / rok). Dále zvětšujeme polosuchou oblast v Senegalu na místo, kde můžeme vidět jednotlivé stromy. Vizualizace poté ukazuje oblast obrazů stromů s vysokým rozlišením, poté překrývá výsledky strojového učení s vyplněnými oblastmi korun stromů pro každý strom na obrázku. Stromy se poté počítají. Pole stromů se také shromažďují pomocí oblastí korun stromů. Poté oddálíme, abychom viděli celou pracovní plochu a celkový počet a plochu stromů. Uznání: NASA’s Visual Visualization Studio

„Existují důležité ekologické procesy nejen v lesích, ale i mimo lesy,“ řekl programátor NASA Goddard Jesse Meyer, který řídí zpracování na Blue Waters. Z hlediska ochrany, obnovy, změny klimatu a dalších účelů jsou takové údaje zásadní pro vytvoření nadace. Za rok nebo dva nebo deset let může být studie opakována s novými údaji a porovnána s dnešními údaji, aby se zjistilo, zda jsou snahy o obnovení a omezení odlesňování účinné. Má to velmi praktické důsledky. “

Po změření programu přesnost Tým spustil program napříč celým pracovním prostorem a porovnal jej s ručně kódovanými daty i daty z oblasti. Meyer a Tucker uvedli, že neurální síť popisuje více než 1,8 miliardy stromů – často se předpokládá, že překvapivá čísla regionu podporují malou vegetaci.

„Budoucí články v této sérii budou stavět na základě počítání stromů, rozšíří studované oblasti a budou hledat způsoby, jak vypočítat obsah uhlíku,“ řekl Tucker. Mise Global Ecosystem Dynamics Investigation nebo mise NASA jako GEDI a ICESat-2 nebo Ice, Cloud and Land Elevation Satellite-2 již shromažďují údaje, které budou použity k měření výšky a biomasy lesů. V budoucnu může kombinace těchto zdrojů dat se silou umělé inteligence otevřít nové možnosti výzkumu.

“Naším cílem je zjistit, kolik uhlíku je přítomno v izolovaných stromech v rozsáhlých suchých a polosuchých oblastech světa,” řekl Tucker. “Musíme tedy pochopit mechanismus, který řídí ukládání uhlíku ve suchých a polosuchých oblastech.” Možná by tato informace mohla být použita k ukládání více uhlíku v rostlinách odstraněním více oxidu uhličitého z atmosféry. “

“Z pohledu uhlíkového cyklu nejsou tyto suché oblasti dobře zmapovány, pokud jde o hustotu stromů a uhlíku,” řekl Brandt. Bílá oblast na mapách. Tyto suché oblasti jsou v zásadě maskované. Je to proto, že normální satelity nevidí stromy – vidí les, ale pokud je strom izolovaný, nemohou ho vidět. Nyní jsme na cestě k vyplnění těchto bílých teček na mapách. A to je docela vzrušující. “

Odkaz: „Neočekávaně velký počet stromů v západoafrické Sahaře a Sahelu“, autor: Martin Brandt, Compton J. Tucker, Ankit Kariryaa, Kjeld Rasmussen, Christin Abel, Jennifer Small, Jerome Chave, Laura Vang Rasmussen, Pierre Hiernaux, Abdoul Aziz , Laurent Kergoat, Ole Mertz, Christian Igel, Fabian Gieseke, Johannes Schöning, Sizhuo Li, Katherine Melocik, Jesse Meyer, Scott Sinno, Eric Romero, Erin Glennie, Amandine Montagu, Morgane Dendoncker a Rasmus Fensholt, 14. října 2020, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2824-5

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naneste na krém Deep Heat

Podle Experimentální biologie 6. května 2021 Studie odhalila zvýšení aerobního výkonu u sportovců, kteří používali krém s hlubokým teplem bez lékařského předpisu. Hluboké tepelné krémy, které sportovci...

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Byly vyvinuty ploché nudle, které se při vaření transformují do tvaru

CMU Lab vede vývoj nudlí, které se při vaření transformují do tvaru. Fotografický kredit: Carnegie Mellon University Ploché nudle zajišťují udržitelnější balení, přepravu a...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Newsletter

Subscribe to stay updated.