Αξιολόγηση της Απομόνωσης Ανθρακα σε Δέντρα με Μηχανική Μάθηση

Νέα έρευνα από την IBM αποσκοπεί στο να ποσοτικοποιήσει το βαθμό στον οποίο τα δέντρα απομονώνουν άνθρακα και βελτιώνουν το περιβάλλον, χρησιμοποιώντας μόνο εναέριες εικόνες και διαθέσιμα δεδομένα LiDAR. Η μέθοδος προορίζεται να αξιολογήσει πόσο远 τα προγράμματα φυτεύσεων δέντρων αντισταθμίζουν τις εκπομπές ανθρακα και να παρέχει ένα λειτουργικό πλέγμα για την ποσοτικοποίηση της αξίας των προγραμμάτων φυτεύσεων δέντρων που χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από εταιρείες και δημοτικές αρχές ως αντίβαρο στις αρνητικές επιπτώσεις των υφιστάμενων και προτεινόμενων υποδομών, αναπτύξεων και άλλων δραστηριοτήτων που παράγουν άνθρακα.

Για να αποδείξουν τη νέα μεθοδολογία, το έγγραφο – από τους ερευνητές της IBM Levente Klein, Conrad Albrecht και Wang Zhou – αξιολογεί εναέριες εικόνες για την περιοχή του Μανχάταν της Νέας Υόρκης και υπολογίζει ότι τα δέντρα που κατοικούν σε αυτήν την περιοχή αντιπροσωπεύουν 52.000 τόνους απομονωμένου ανθρακα.

Εκτίμηση απομόνωσης ανθρακα για την περιοχή Γουέστ Σάιντ του Μανχάταν της Νέας Υόρκης. Πηγή: https://arxiv.org/pdf/2106.00182.pdf

Η emerγente αγορά ανταλλαγής ανθρακα εξυπηρετείται目前 από μια ποικιλία μεθόδων για την εκτίμηση της απομόνωσης ανθρακα. Τα διαφορετικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται είναι δύσκολο να συγκριθούν, поскольку δεν μοιράζονται κοινά μέτρα ή μεθόδους. Επιπλέον, πολλά από τα μοντέλα εξαπλώνονται αρχές από μικρές περιοχές μελέτης σε ότι μπορεί να είναι μια υπερβολικά ευρεία εφαρμογή σε άλλες περιοχές, οι οποίες μπορεί να μην μοιράζονται τις ίδιες ιδιότητες ή να παρέχουν την ίδια εκτίμηση των οφελών του ανθρακα.

Ωστόσο, η χαρτογράφηση των δέντρων με LiDAR είναι ακριβή, οπότε το πρόγραμμα της IBM χρησιμοποίησε δεδομένα LiDAR δεδομένα που αποκτήθηκαν για την περιοχή Staten Borough κατά τη διάρκεια της λήψης LiDAR του 2017 στη Νέα Υόρκη, μαζί με δεδομένα ειδών δέντρων που αποκτήθηκαν για όλες τις πέντε περιοχές για ένα έργο δεδομένων του 2015, το οποίο ταυτοποίησε 689.227 δέντρα στην περιοχή που μελετήθηκε, καλύπτοντας 234 είδη δέντρων.

Επιφάνεια και Αέρος Επιτήρηση Δέντρων

Αντίθετα, η εργασία της IBM προτείνει μια διπλή προσέγγιση για την αναγνώριση του είδους και της βιομάζας των δέντρων: πρώτον, τεχνικές ανάλυσης εικόνας που μπορούν να εξαγάγουν το είδος του δέντρου από εναέριες φωτογραφίες και δεύτερον, η συσχετίση αυτής της πληροφορίας με δεδομένα LiDAR, ικανά να προσθέσουν εκτιμήσεις ύψους, πλάτους και όγκου στο “επίπεδο” που εξάγεται από τις εναέριες εικόνες.

Στην πάνω αριστερή γωνία της εικόνας, βλέπουμε πολυφασματικές φωτογραφίες που παρέχονται από το πρόγραμμα εναέριων εικόνων της Εθνικής Γεωργικής Υπηρεσίας (NAIP), πάνω δεξιά, δεδομένα διαχωρισμού για τα δέντρα που αναγνωρίστηκαν στις εικόνες, κάτω αριστερά, η αλλομετρική σχέση μεταξύ διαμέτρου στέμματος δέντρου και ύψους δέντρου όπως καθορίστηκε από προηγούμενα δεδομένα LiDAR και κάτω δεξιά, η εκτιμώμενη συνολική βιομάζα για την περιοχή που καλύπτεται από την εικόνα.

Η χρήση του LiDAR για χαρτογράφηση του ύψους των δέντρων είναι ευρέως διαδεδομένη και είναι ακόμη και εφαρμόσιμη μέσω πρόσφατης εγγενικής λειτουργικότητας στο iOS της Apple.

Χρήση του LiDAR του iOS σε μια εφαρμογή για μέτρηση του ύψους των δέντρων. Πηγή: https://www.youtube.com/watch?v=k5DNlvq2hdE

Χαρτογράφηση του ύψους των δέντρων με LiDAR. Πηγή: https://towardsdatascience.com/applications-of-lidar-in-forestry-13686e1b15a7

Ωστόσο, η χαρτογράφηση των δέντρων με LiDAR είναι ακριβή, οπότε το πρόγραμμα της IBM χρησιμοποίησε δεδομένα LiDAR δεδομένα που αποκτήθηκαν για την περιοχή Staten Borough κατά τη διάρκεια της λήψης LiDAR του 2017 στη Νέα Υόρκη, μαζί με δεδομένα ειδών δέντρων που αποκτήθηκαν για όλες τις πέντε περιοχές για ένα έργο δεδομένων του 2015, το οποίο ταυτοποίησε 689.227 δέντρα στην περιοχή που μελετήθηκε, καλύπτοντας 234 είδη δέντρων.

Αξιολόγηση της Φορτίου Ανθρακα των Δέντρων της Νέας Υόρκης

Η εκτιμώμενη ικανότητα αποθήκευσης ανθρακα ενός τυπικού δέντρου είναι περίπου 50% της συνολικής βιομάζας του, και για την εξemplαρική ανάλυση, το πρόγραμμα της IBM έλαβε υπόψη μόνο τα τέσσερα πρώτα είδη που αναγνωρίστηκαν από τις πολυφασματικές εικόνες του NAIP.

Ικανότητα αποθήκευσης των κυρίαρχων ειδών δέντρων στη Νέα Υόρκη.

Χρησιμοποιήθηκε γραμμική παλινδρόμηση για να δημιουργηθεί ένα σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης, βασισμένο στην εκτιμώμενη ύψος του στέμματος του δέντρου (LiDAR) και του διαμέτρου του δέντρου (NAIP). Η ικανότητα αποθήκευσης ανθρακα των διαφορετικών ειδών δέντρων λήφθηκε υπόψη στις τελικές υπολογισμοί, οι οποίοι βρίσκουν ότι τα δέντρα στο αστικό δάσος της περιοχής Μανχάταν αντιπροσωπεύουν 52.000 τόνους αποθηκευμένου ανθρακα.

Δημιουργία ενός Συνεπούς Μοντέλου Απομόνωσης Ανθρακα για το Μέλλον

Η γεννήτρια συνεπούς στατιστικών ετησίως παραμένει ένα πρόβλημα, λαμβάνοντας υπόψη την τρέχουσα έλλειψη ενός γενικού προτύπου για την αξιολόγηση της ικανότητας αποθήκευσης ανθρακα στα δέντρα. Οι ερευνητές προτείνουν αυτή τη μεθοδολογία ως πιθανό μελλοντικό πρότυπο, και η μέθοδος θα μπορούσε να εφαρμοστεί και να βελτιωθεί από περαιτέρω μελέτες που θα χρησιμοποιήσουν既 existing δεδομένα LiDAR σε άλλες δήμους ή θα συλλέξουν δεδομένα ειδικά για αυτόν τον σκοπό.

Προγράμματα όπως το πρόγραμμα της Γλασκώβης για να αντισταθμίσει τις εκπομπές ανθρακα με φυτεύοντας 18 εκατομμύρια αστικά δέντρα θα ήταν πιο ωφέλιμα για παρόμοιες εθνικές και διεθνείς ερευνητικές και στατιστικές προσπάθειες αν ένα τέτοιο πρότυπο θα μπορούσε να καθοριστεί. Επιχειρηματικά, θα ήταν καλύτερο να υπάρχει ένα προσιτό και εύκολα εφαρμόσιμο πρότυπο με ευρεία εφαρμοσιμότητα και αποδεκτή ακρίβεια, παρά το τρέχον Babylon των διαφορετικών πρωτοκόλλων μέτρησης, ή η χρήση πρωτοκόλλων που μπορεί να παρέχουν υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας, αλλά θα απαιτούσαν επίσης μεγαλύτερα επίπεδα χρηματοδότησης.