مطالعه ابر رایانه ای ناسا برای نقشه برداری از کربن درختان

دانشمندان مرکز فضایی Goddard ناسا در گرینبلت، مریلند با همکاران بین المللی روش جدیدی را برای نقشه برداری از محل و اندازه درختانی که در خارج از جنگل ها رشد می کنند، کشف کردند.

دانشمندان مرکز پرواز فضایی Goddard ناسا در گرینبلت، مریلند و همکاران بین المللی روش جدیدی را برای نقشه برداری از محل و اندازه درختانی که در خارج از جنگلها رشد می کنند ، نشان دادند ، تعداد زیادی از درختان را در مناطق نیمه خشک کشف کردند و زمینه را برای اندازه گیری دقیق تر ذخیره جهانی کربن در خشکی فراهم کردند. این تیم با استفاده از ابر رایانه های قدرتمند و الگوریتم های یادگیری ماشین، قطر تاج بیش از 1.8 میلیارد درخت را در مساحت بیش از 500000 مایل مربع یا 1.300.000 کیلومتر مربع ترسیم کرد. این تیم نحوه تغییر قطر تاج درخت، پوشش و تراکم آن را بسته به میزان بارندگی و کاربری زمین ترسیم کرد. این تیم گفت، نقشه برداری از درختان غیر جنگلی در این سطح از جزئیات با روش های تجزیه و تحلیل سنتی ماه ها یا سالها طول می کشد، در حالی که برای این مطالعه چند هفته زمان نیاز بود. استفاده از تصاویر با وضوح بسیار بالا و هوش مصنوعی قدرتمند نشان دهنده دستیابی به موفقیت در نقشه برداری و اندازه گیری این درختان است. این مطالعه برای اولین بار در یک مقاله که هدف آنها نه تنها نقشه برداری از درختان غیر جنگلی در یک منطقه وسیع است، چاپ شد. اندازه گیری کربن در درختان: کربن یکی از اصلی ترین عناصر سازنده تمام حیات روی زمین است و این عنصر از طریق چرخه کربن در میان زمین، جو و اقیانوس ها به گردش در می آید. برخی فرایندهای طبیعی و فعالیت های انسانی کربن را در جو آزاد می کنند، در حالی که سایر فرآیندها آن را از جو خارج می کنند و در خشکی یا اقیانوس ذخیره می کنند. درختان و سایر پوشش های گیاهی سبز کربن sinks هستند، به این معنی که آنها از کربن برای رشد استفاده می کنند و آن را خارج از جو در تنه ها، شاخه ها، برگ ها و ریشه های خود ذخیره می کنند. فعالیت های انسانی، مانند سوزاندن درختان و سوخت های فسیلی یا پاکسازی زمین های جنگلی، کربن را به عنوان دی اکسید کربن در جو آزاد می کند و افزایش غلظت دی اکسید کربن اتمسفر دلیل اصلی تغییر آب و هوا است. کامپتون تاکر، دانشمند ارشد زیست کره در بخش علوم زمین در ناسا، گفت: کارشناسان حفاظت از محیط زیست برای کاهش تغییرات آب و هوا و سایر تهدیدات زیست محیطی تلاش می کنند جنگل زدایی را برای سالها هدف قرار دهند، اما همیشه این درختان شامل درختانی نیستند که در خارج از جنگل ها رشد می کنند. این درختان نه تنها می توانند کربن قابل توجهی داشته باشند ، بلکه به اکوسیستم ها و اقتصاد جمعیت های انسانی، حیوانی و گیاهی مجاور نیز کمک می کنند. با این حال، بسیاری از روشهای فعلی برای مطالعه میزان کربن درختان فقط شامل جنگلها است، نه درختانی که به صورت جداگانه یا در خوشه های کوچک رشد می کنند. تاکر و همکارانش در ناسا به همراه یک تیم بین المللی از تصاویر ماهواره ای تجاری DigitalGlobe استفاده کردند که برای تشخیص درختان جداگانه و اندازه تاج آنها از وضوح بالایی برخوردار بودند. این تصاویر از ماهواره های تجاری QuickBird-2 ،GeoEye-1 ، WorldView-2 و WorldView-3 تهیه شده اند. این تیم بر مناطق خشک متمرکز شده است - مناطقی که میزان بارندگی کمتری نسبت به آنچه که هر ساله از گیاهان تبخیر می شود دریافت می کند - از جمله در قسمت جنوبی خشک صحرای صحرا، که از منطقه نیمه خشک ساحل وبه مناطق نیمه گرمسیر مرطوب غرب آفریقا کشیده شده است. این تیم با مطالعه انواع مناظر از چند درخت تا شرایط تقریباً جنگلی، الگوریتم های محاسبات خود را برای شناسایی درختان در انواع مختلف زمین، از بیابان های شمال گرفته تا دشت های درختان در جنوب، ایجاد کردند. یادگیری در کار: این تیم یک الگوریتم محاسباتی قدرتمند به نام شبکه عصبی کاملا کانولوشنال ("یادگیری عمیق") را در دانشگاه ایلینوی، ایجاد کرد. تیم تحقیق این مدل را با علامت گذاری دستی نزدیک به 90،000 درخت جداگانه در مناطق مختلف، آموزش داد و سپس به آن اجازه داد "یاد بگیرد" که شکل ها و سایه ها وجود درختان را نشان می دهد. مارتین برانت، استادیار جغرافیا در دانشگاه کپنهاگ و نویسنده اصلی مطالعه، گفت: فرایند کد گذاری داده های آموزشی بیش از یک سال طول کشید. برندت تمام 89899 درخت را توسط خود علامت گذاری کرد و به نظارت و آموزش و اجرای مدل کمک کرد. ایجاد تعداد دقیق درختان در این منطقه اطلاعات حیاتی را برای محققان، سیاست گذاران و حفاظت از محیط زیست فراهم می کند. علاوه بر این، اندازه گیری اینکه اندازه و تراکم درخت از نظر بارندگی تغییر می کند - با مناطق مرطوب و پرجمعیت که از درختان بیشتر و بزرگتر پشتیبانی می کنند - داده های مهمی را برای اقدامات حفاظت روی زمین فراهم می کند. تاکر گفت: "هدف ما این است که ببینیم چقدر کربن در درختان جدا شده در مناطق خشک و نیمه خشک جهان وجود دارد." وی افزود: "بنابراین ما باید مکانیزم ذخیره سازی کربن را در مناطق خشک و نیمه خشک درک کنیم. شاید بتوان از این اطلاعات برای ذخیره بیشتر کربن در گیاهان با خارج کردن دی اکسید کربن بیشتر از جو استفاده کرد. "