NASA folosește supercalculatoare puternice și AI pentru a mapa copacii de pe pământ și descoperă miliarde de copaci în regiunile aride din Africa de Vest

Un astronaut la bordul Stației Spațiale Internaționale (ISS) a făcut această fotografie oblică, care arată cea mai mare parte a țării din Africa de Vest, Guineea-Bissau, precum și Guineea vecină, Gambia și Senegal, precum și partea de sud a Mauritaniei. Această scenă se întinde de la vegetația pădurii verzi și climatul umed de pe coasta Atlanticului până la peisajele aproape fără vegetație din Sahara. Credit foto: NASA

Oamenii de știință din NASACentrul de zbor spațial Goddard din Greenbelt, Maryland și personalul internațional au demonstrat o nouă metodă de cartografiere a locației și dimensiunilor copacilor care cresc în afara pădurilor, descoperind miliarde de copaci în regiuni aride și semi-aride și punând bazele pentru un accent global mai precis, măsurați stocarea carbonului pe uscat.

Folosind supercalculatoare puternice și algoritmi de învățare automată, echipa a cartografiat diametrul copertinei – lățimea unui copac privit de sus – de peste 1,8 miliarde de copaci pe o suprafață de peste 500.000 de mile pătrate sau 1.300.000 de kilometri pătrați. Echipa a cartografiat modul în care diametrul, capacul și densitatea baldachinului variau în funcție de precipitații și de utilizarea terenului.

Cartarea arborilor non-forestieri la acest nivel de detaliu ar dura luni sau ani folosind metode analitice tradiționale, comparativ cu câteva săptămâni pentru acest studiu. Utilizarea imaginilor de înaltă rezoluție și a inteligenței artificiale puternice reprezintă o descoperire tehnologică pentru cartografierea și măsurarea acestor copaci. Acest studiu este de așteptat să fie primul dintr-o serie de lucrări care vizează cartarea nu numai a copacilor non-forestieri pe o zonă largă, ci Calculați cantitatea de carbon stocată – informații importante pentru înțelegerea ciclului carbonului Pământului și modul în care acesta se schimbă în timp.


Oamenii de știință de la Centrul de zbor spațial Goddard al NASA din Greenbelt, Maryland, și personalul internațional au demonstrat o nouă metodă de cartografiere a locației și mărimii copacilor care cresc în afara pădurilor. Au descoperit un număr surprinzător de copaci în regiunile semi-aride și au pus bazele unei reprezentări mai precise a măsurătorilor globale ale stocării carbonului pe uscat. Credit foto: Centrul de zbor spațial Goddard al NASA

Măsurați carbonul în copaci

Carbonul este unul dintre principalele elemente de bază pentru toată viața de pe pământ, iar acest element circulă prin ciclul carbonului între pământ, atmosferă și oceane. Unele procese naturale și activități umane eliberează carbonul în atmosferă, în timp ce alte procese îl extrag din atmosferă și îl stochează pe uscat sau în ocean. Copacii și alte plante verzi sunt chiuvete de carbon, ceea ce înseamnă că folosesc carbonul pentru a-l crește și a-l depozita în trunchiuri, ramuri, frunze și rădăcini în afara atmosferei. Activitățile umane, cum ar fi arderea copacilor și combustibililor fosili sau tăierea zonelor forestiere, eliberează carbon în atmosferă ca dioxid de carbon, iar concentrațiile crescânde de dioxid de carbon atmosferic sunt un factor major al schimbărilor climatice.

Experții în conservare care lucrează pentru a reduce schimbările climatice și alte amenințări asupra mediului au vizat defrișările de ani de zile. Cu toate acestea, aceste eforturi nu includ întotdeauna copaci care cresc în afara pădurilor, a spus Compton Tucker, om de știință în biosferă în cadrul Departamentului de Științe al Pământului Goddard al NASA. Nu numai că acești copaci ar putea fi chiuvete semnificative de carbon, dar ar putea contribui și la ecosistemele și economiile populațiilor umane, animale și vegetale din apropiere. Cu toate acestea, multe metode actuale pentru studierea conținutului de carbon al copacilor implică numai păduri, nu copaci care cresc individual sau în grupuri mici.

Zonele aride din Africa de Vest

Echipa s-a concentrat pe regiunile aride din Africa de Vest, inclusiv pe partea aridă de sud a Saharei, care se extinde prin Sahel semi-arid până la subtropicile umede. Studiind o mare varietate de peisaje, de la câțiva copaci până la condiții aproape împădurite, echipa și-a instruit algoritmii de calcul pentru a detecta copaci în diferite tipuri de teren, de la deșerturi din nord până la savane de copaci din sud. Credit foto: NASAs Scientific Visualization Studio; Datele de marmură albastră au fost furnizate cu amabilitate de Reto Stockli (NASA / GSFC).

Tucker și colegii săi de la NASA, împreună cu o echipă internațională, au folosit imagini comerciale prin satelit DigitalGlobe suficient de înaltă pentru a identifica copacii individuali și a măsura dimensiunea copertinei. Imaginile provin de la sateliții comerciali QuickBird-2, GeoEye-1, WorldView-2 și WorldView-3. Echipa s-a concentrat pe zonele aride – zone care primesc mai puține precipitații decât ceea ce se evaporă din plante în fiecare an – inclusiv partea sudică aridă a Saharei, care se extinde prin Sahel semi-arid până la subtropicele umede din Africa de Vest. Studiind o mare varietate de peisaje, de la câțiva copaci până la condiții aproape împădurite, echipa și-a instruit algoritmii de calcul pentru a detecta copaci în diferite tipuri de teren, de la deșerturi din nord până la savane de copaci din sud.

Învățarea la locul de muncă

Echipa a rulat un algoritm computerizat puternic cunoscut sub numele de rețea neuronală pliată complet („învățare profundă”) pe Blue Waters de la Universitatea din Illinois, unul dintre cele mai rapide supercalculatoare din lume. Echipa a instruit modelul marcând manual aproape 90.000 de copaci individuali în diferite terenuri și apoi „învățând” care forme și umbre indicau prezența copacilor.

A durat mai mult de un an pentru a codifica datele de instruire, a declarat Martin Brandt, profesor asistent de geografie la Universitatea din Copenhaga și autor principal al studiului. Brandt a marcat el însuși toți cei 89.899 de copaci și a contribuit la supravegherea instruirii și funcționării modelului. Ankit Kariryaa de la Universitatea din Bremen a condus dezvoltarea procesării computerizate de învățare profundă.

„Într-un kilometru de teren, să spunem că este un deșert, adesea nu există copaci, dar programul dorește să găsească un copac”, a spus Brandt. „Va găsi o piatră și va crede că este un copac. Mai la sud sunt case care arată ca niște copaci. Sună simplu, s-ar putea crede – există un copac, de ce nu ar trebui modelul să știe că este un copac? Cu toate acestea, provocările vin odată cu acest nivel de detaliu. Cu cât este mai detaliat, cu atât apar mai multe provocări. “

Numărul exact de arbori în această zonă oferă informații vitale cercetătorilor, factorilor de decizie politici și conservatorilor. În plus, măsurarea variației dimensiunii și densității copacilor în funcție de precipitații – cu regiuni mai umede și mai populate care susțin mai mulți copaci și mai mari – oferă date importante pentru eforturile de conservare la fața locului.


Vizualizarea începe la nivel global și apoi arată zona de studiu. Pentru a ilustra faptul că este o zonă uscată, zonele climatice sunt reprezentate utilizând mediile anuale de precipitații din 1982 până în 2017, inclusiv regiunile: hipersecate (precipitații 0-150 mm / an), uscate (150-300 mm / an ), semi-aride (300-600 mm / an), subumede (600-1000 mm / an). Mărim apoi o zonă semi-aridă din Senegal până la un punct în care putem vedea copaci individuali. Următoarea vizualizare arată o zonă cu imagini de înaltă rezoluție a copacilor și apoi suprapune rezultatele învățării automate, care sunt zone umplute de baldachin pentru fiecare copac vizibil. Copacii sunt apoi numărați. Suprafețele copacilor sunt, de asemenea, totalizate pe baza regiunilor de vârf ale copacilor. Apoi mărim pentru a vedea întreaga zonă de studiu, precum și numărul total de copaci și zona. Credit foto: Studiul de vizualizare științifică al NASA

„Există procese ecologice importante, nu doar în interiorul pădurilor, ci și în afara lor”, a spus Jesse Meyer, programator la NASA Goddard, care a condus procesarea Apelor Albastre. „Pentru conservare, restaurare, schimbări climatice și alte scopuri, astfel de date sunt foarte importante pentru stabilirea unei linii de bază. Într-un an sau doi sau zece ani, studiul ar putea fi repetat cu date noi și comparat cu datele de astăzi pentru a vedea dacă eforturile de revitalizare și reducere a defrișărilor sunt eficiente sau nu. Acest lucru are implicații foarte practice. “

După măsurarea programului precizie Prin compararea acestuia cu datele codificate manual și cu datele din câmp din regiune, echipa a rulat programul în întreaga zonă de studiu. Rețeaua neuronală a identificat mai mult de 1,8 miliarde de copaci – numere surprinzătoare pentru o regiune despre care se crede adesea că are puțin sprijin pentru vegetație, au spus Meyer și Tucker.

„Lucrările viitoare din serie se vor baza pe numărarea arborilor, vor extinde suprafețele studiate și vor căuta modalități de a calcula conținutul lor de carbon”, a spus Tucker. Misiunile NASA, cum ar fi Global Ecosystem Dynamics Investigation Mission (GEDI) și ICESat-2 sau Ice-Cloud and Land Elevation Satellite-2, colectează deja date care sunt utilizate pentru a măsura înălțimea și biomasa pădurilor. Combinarea acestor surse de date cu puterea inteligenței artificiale ar putea deschide noi oportunități de cercetare în viitor.

„Scopul nostru este să vedem cât de mult carbon este în copacii izolați din marile părți aride și semi-aride ale lumii”, a spus Tucker. „Atunci trebuie să înțelegem mecanismul care determină stocarea carbonului în zonele aride și semi-aride. Poate că aceste informații pot fi folosite pentru a stoca mai mult carbon în vegetație prin îndepărtarea mai multor dioxid de carbon din atmosferă. “

“Din perspectiva ciclului carbonului, aceste zone aride nu sunt bine cartografiate în ceea ce privește densitatea copacilor și carbonul”, a spus Brandt. „Este o zonă albă pe cărți. Aceste zone uscate sunt în general ascunse. Acest lucru se datorează faptului că sateliții normali nu văd copacii – văd o pădure, dar când copacul este izolat, nu-l pot vedea. Acum suntem pe cale să umplem acele puncte albe de pe cărți. Și asta e destul de interesant. “

Referință: „Un număr neașteptat de mare de copaci în zona Sahara și Sahel din Africa de Vest” de Martin Brandt, Compton J. Tucker, Ankit Kariryaa, Kjeld Rasmussen, Christin Abel, Jennifer Small, Jerome Chave, Laura Vang Rasmussen, Pierre Hiernaux și Abdoul Aziz Diouf , 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 și Rasmus Fensholt, 14 octombrie 2020, natură.
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

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.