Evaluarea capturii de carbon în arbori cu ajutorul inteligenței artificiale

Noi cercetări de la IBM urmăresc să cuantifice măsura în care arborii capturează carbonul și îmbunătățesc mediul, folosind doar imagini aeriene și date LiDAR disponibile. Metoda este destinată să evalueze cât de mult inițiativele de plantare a arborilor compensează emisiile de carbon și să furnizeze o matrice funcțională pentru cuantificarea valorii programelor de plantare a arborilor, care sunt din ce în ce mai utilizate de companii și autorități municipale ca o contrapondere la efectele negative ale infrastructurii existente și propuse, dezvoltării și altor activități care produc carbon.

Pentru a demonstra noua metodologie, articolul – scris de cercetătorii IBM Levente Klein, Conrad Albrecht și Wang Zhou – evaluează imagini aeriene pentru districtul Manhattan din New York și calculează că arborii din această zonă reprezintă 52.000 de tone de carbon sechestrat.

Estimarea capturii de carbon pentru partea de vest a zonei Manhattan din New York. Source: https://arxiv.org/pdf/2106.00182.pdf

Piața emergentă de tranzacționare a carbonului este în prezent deservită de o varietate de metode pentru a estima compensarea carbonului. Modelele diverse utilizate sunt greu de comparat, deoarece nu au metrici sau metode comune. În plus, multe dintre modelele utilizate extrapolează principii din zone de studiu mici la o aplicare prea largă în alte zone, care nu pot avea aceleași caracteristici sau nu pot oferi aceeași estimare a beneficiilor de carbon.

Mai mult, multe dintre metodologiile mai detaliate și mai puțin generice necesită o investiție notabilă în tehnologii de monitorizare și programe, ceea ce exacerbează tentația de a baza modele statistice ample pe analize de scară mică, riscând rezultate imprecise sau înșelătoare.

Monitorizarea Arborilor din Sol și Aer

În schimb, articolul IBM propune o abordare în două etape pentru identificarea speciei și biomasei arborilor: în primul rând, tehnici de analiză a viziunii computerizate care pot deriva specia unui arbore din fotografii aeriene; și, în al doilea rând, corelarea acestei informații cu date LiDAR, capabile să adauge estimări de înălțime, lățime și volum la “imagistica plată” extrasă din imagini aeriene.

În partea superioară stângă a imaginii de mai sus, vedem fotografii multispectrale furnizate de Programul Național de Imagini Agricole din SUA (NAIP); partea superioară dreaptă, date de segmentare pentru arborii identificați în imagini; partea inferioară stângă, relația alometrică dintre diametrul coroanei arborelui și înălțimea arborelui, stabilită de date LiDAR anterioare; și partea inferioară dreaptă, biomasa totală estimată pentru zona acoperită de imagine.

Utilizarea LiDAR pentru a cartografia înălțimea arborilor este răspândită și poate fi implementată chiar și prin funcționalitatea nativă recentă din iOS.

Utilizarea LiDAR nativ în iOS pentru a măsura înălțimea arborilor. Source: https://www.youtube.com/watch?v=k5DNlvq2hdE

Harta LiDAR a arborilor. Source: https://towardsdatascience.com/applications-of-lidar-in-forestry-13686e1b15a7

Cu toate acestea, cartografierea arborilor cu LiDAR este scumpă, așa că proiectul IBM a utilizat date LiDAR acumulate pentru borough-ul Staten în timpul capturii LiDAR din 2017 a orașului New York, împreună cu date despre specia arborilor, acumulate pentru toate cele cinci borough-uri într-un proiect de date din 2015, care a identificat 689.227 de arbori în zona studiată, reprezentând 234 de specii de arbori.

Evaluarea Încărcăturii de Carbon a Arborilor din NYC

Capacitatea estimată de carbon a unui arbore tipic este de aproximativ 50% din biomasa totală, iar pentru analiza exemplară, proiectul IBM a luat în considerare doar primele patru specii identificate din imaginile multispectrale NAIP.

Capacitatea de stocare a principalelor specii de arbori din NYC.

Regressia liniară a fost utilizată pentru a genera un set de date de antrenament, pe baza estimării coroanei arborelui (LiDAR) și a diametrului arborelui (NAIP). Capacitatea de carbon a diferitelor specii de arbori a fost luată în considerare în calculele finale, care arată că arborii din pădurea urbană a borough-ului Manhattan reprezintă 52.000 de tone de carbon stocat.

Creearea unui Model Consistent de Captură a Carbonului Arborilor pentru Viitor

Generarea de statistici anuale consistente rămâne o problemă, având în vedere lipsa actuală a unui standard general pentru evaluarea capacității de carbon a arborilor. Cercetătorii propun această metodologie ca o posibilă standardizare viitoare, iar metoda ar putea fi aplicată și rafinată prin studii ulterioare care utilizează date LiDAR existente în alte municipalități sau care colectează date în mod special pentru acest scop.

Inițiative precum proiectul Glasgow de a compensa emisiile de carbon prin plantarea a 18 milioane de arbori urbani ar fi de un beneficiu mai mare pentru eforturile de cercetare și analiză statistică națională și internațională dacă un astfel de standard ar putea fi stabilit. Arguably, ar fi mai bine să avem un standard accesibil și ușor de implementat, cu aplicabilitate largă și acuratețe acceptabilă, decât “Babel”-ul actual de protocoale de măsurare diverse, sau utilizarea protocoalelor care pot oferi niveluri mai înalte de acuratețe, dar care ar necesita și niveluri mai mari de finanțare.