Ocena pochłaniania węgla przez drzewa z wykorzystaniem uczenia maszynowego

Nowe badania przeprowadzone przez IBM mają na celu ilościową ocenę stopnia, w jakim drzewa pochłaniają węgiel i poprawiają środowisko, wykorzystując tylko zdjęcia lotnicze i dostępne dane LiDAR. Metoda ta ma na celu ocenę, w jakim stopniu inicjatywy związane z nasadzaniem drzew kompensują emisję węgla, oraz dostarczenie funkcjonalnej macierzy do ilościowej oceny wartości programów nasadzania drzew, które są coraz częściej wykorzystywane przez firmy i władze miejskie jako przeciwwaga dla negatywnych skutków istniejącej i planowanej infrastruktury, rozwoju oraz innych działalności emitujących węgiel.

W celu zademonstrowania nowej metody, artykuł – przygotowany przez badaczy IBM Levente Klein, Conrad Albrecht i Wang Zhou – ocenia zdalnie zdjęcia Nowego Jorku, dzielnicy Manhattan, i oblicza, że drzewa w tym obszarze reprezentują 52 000 ton pochłoniętego węgla.

Szacowany pochłonięty węgiel dla zachodniej strony nowojorskiego Manhattanu. Źródło: https://arxiv.org/pdf/2106.00182.pdf

Występujący rynek handlu węglem jest obecnie obsługiwany przez różne metody szacowania zrównoważonej emisji węgla. Różnorodne modele są trudne do porównania, ponieważ nie posiadają wspólnych miar ani metod. Ponadto wiele modeli ekstrapoluje zasady z małych obszarów badawczych do szerokiej aplikacji w innych obszarach, które mogą nie posiadać tych samych cech, lub nie dawać takich samych szacunków korzyści węglowych.

Jednakże, mapowanie drzew z wykorzystaniem LiDAR jest drogie, więc projekt IBM wykorzystał dane LiDAR danych pozyskanych dla Staten Borough w 2017 roku w ramach inicjatywy Nowojorskiego Przechwytywania LiDAR, wraz z danymi gatunków drzew pozyskanymi dla wszystkich pięciu dzielnic w ramach projektu z 2015 roku, który zidentyfikował 689 227 drzew w badanym obszarze, obejmując 234 gatunki drzew.

Monitorowanie drzew z powietrza i ziemi

Zamiast tego, artykuł IBM proponuje dwuetapowe podejście do identyfikacji gatunku i biomasy drzew: po pierwsze, techniki analizy wizyjnej komputera, które mogą wywnioskować gatunek drzewa z zdjęć lotniczych; po drugie, korelacja tych informacji z danymi LiDAR, które mogą dodać szacunki wysokości, szerokości i objętości do “płaskich” obrazów wyodrębnionych z lotniczych zdjęć.

W lewym górnym rogu powyższego obrazu widzimy wielospektralne zdjęcia dostarczone przez amerykański program zdjęć rolniczych (NAIP); w prawym górnym rogu, dane segmentacji dla drzew zidentyfikowanych na zdjęciach; w lewym dolnym rogu, alometryczne relacje między średnicą korony drzewa a wysokością drzewa ustalone na podstawie wcześniejszych danych LiDAR; oraz w prawym dolnym rogu, szacowaną łączną biomasę dla obszaru objętego zdjęciem.

Użycie LiDAR do mapowania wysokości drzew jest powszechne i jest nawet możliwe za pomocą funkcjonalności LiDAR w systemie iOS.

Użycie natywnego LiDAR w aplikacji do pomiaru wysokości drzew. Źródło: https://www.youtube.com/watch?v=k5DNlvq2hdE

Mapowanie wysokości drzew z wykorzystaniem LiDAR. Źródło: https://towardsdatascience.com/applications-of-lidar-in-forestry-13686e1b15a7

Jednakże, mapowanie drzew z wykorzystaniem LiDAR jest drogie, więc projekt IBM wykorzystał dane LiDAR danych pozyskanych dla Staten Borough w 2017 roku w ramach inicjatywy Nowojorskiego Przechwytywania LiDAR, wraz z danymi gatunków drzew pozyskanymi dla wszystkich pięciu dzielnic w ramach projektu z 2015 roku, który zidentyfikował 689 227 drzew w badanym obszarze, obejmując 234 gatunki drzew.

Ocena ładunku węgla w drzewach Nowego Jorku

Szacowany pochłonięty węgiel przez typowe drzewo wynosi około 50% jego całkowitej biomasy, a dla przykładowej analizy projekt IBM uwzględnił tylko cztery najczęstsze gatunki drzew zidentyfikowane na zdjęciach NAIP.

Pojemność magazynowa dominujących gatunków drzew w Nowym Jorku.

Regresja liniowa została wykorzystana do wygenerowania zbioru danych szkoleniowych, opartych na szacowanej wysokości korony drzewa (LiDAR) i średnicy drzewa (NAIP). Pojemność węglowa różnych gatunków drzew została uwzględniona w końcowych obliczeniach, które wykazują, że drzewa w lesie miejskim na terenie Manhattanu reprezentują 52 000 ton pochłoniętego węgla.

Tworzenie spójnego modelu pochłaniania węgla przez drzewa na przyszłość

Generowanie spójnych, rokrocznych statystyk pozostaje problemem, biorąc pod uwagę brak ogólnie przyjętego standardu oceny pochłaniania węgla przez drzewa. Badacze proponują tę metodę jako możliwy przyszły standard, a metoda ta mogłaby być zastosowana i udoskonalona przez dalsze badania, które albo wykorzystują istniejące dane LiDAR w innych gminach, albo gromadzą dane specjalnie do tego celu.

Inicjatywy takie jak projekt Glasgow, który ma na celu zrównoważenie emisji węgla przez nasadzenie 18 milionów drzew miejskich, będą bardziej korzystne dla podobnych krajowych i międzynarodowych badań i analiz statystycznych, jeśli taki standard może być ustanowiony. Można argumentować, że lepiej jest mieć przystępny i łatwy do wdrożenia standard o szerokiej stosowalności i akceptowalnej dokładności, niż obecny bałagan różnorodnych protokołów pomiarowych, lub użycie protokołów, które mogą zapewnić wyższe poziomy dokładności, ale wymagałyby również większych nakładów finansowych.