Forskare vid Valencia University (UV) har utvecklat de första globala kartorna över fosfor- och kväveinnehåll i vegetation, samt effektivitet i vattenanvändning, via artificiell intelligens och big data-tekniker. Tillämpningen av dessa kartor kan gynna områden som biologisk mångfald, jordbruk och arternas anpassning till klimatförändringar.

Artificiell intelligens (AI)-tekniker och Googles massobservationsdata från satellit har gjort det möjligt att generera de första globala kartorna över vegetationsvariabler som hittills bara varit tillgängliga lokalt.

Forskargruppen har utvecklat en metod för att generera globala kartor över nyckelparametrar, variabler och egenskaper hos planetens vegetation. AI-tekniken fungerar med Googles moln för att utnyttja tusentals bilder från NASA och ESA, möjliggör generering och övervakning av global vegetation med hög rumslig och tidsmässig upplösning. Studierna har avslöjat mycket intressanta mönster i nyckelparametrar relaterade till klimatförändringar, såsom fosfor- eller kvävehalt och växtblad.

"Tills nu, det var omöjligt att producera dessa kartor eftersom de nödvändiga förutsättningarna inte var tillgängliga. Vi hade inga kraftfulla och exakta statistiska verktyg för maskininlärning, Vi hade inte heller tillgång till stora mängder data eller cloud computing för att bearbeta petabyte av satellitbilder på ett snabbt och korrekt sätt. Nu, med Googles plattform och AI-tekniker, vi kan göra dessa beräkningar med data från ESA eller NASA snabbt och i planetarisk skala, " säger läkaren och elektronikingenjören Álvaro Moreno, ledare för studien och nuvarande forskare för gruppen IPL för bild- och signalbehandling (ISP).

"De matematiska verktygen är maskininlärningsmodeller som lär sig förhållandet mellan bilderna de tar emot från satelliterna och mätningarna tagna från jordens yta. När de har lärt sig detta förhållande för många observation-mätning-par, denna kunskap kan extrapoleras till vilken annan plats och tid som helst för att generera uppskattningskartor över måttet av intresse, " förklarar Manuel Campos-Taberner, forskare vid ERS. "Möjligheterna är enorma, och nu kan vi generera globala kartor från nästan vilken variabel som helst av intresse där det finns in situ-data, eftersom vi har satelliterna i omloppsbana och ger mycket bra tids- och rumsobservationer. I vårat fall, vi genererade globala kartor över biofysiska parametrar som är användbara för att övervaka vegetation (hur mycket vegetation vi har, i vilken utsträckning den är aktiv, och vilka mängder fosfor och kväve det finns), men de kan mycket väl användas för andra variabler av intresse, inte bara på marken, men också i vatten och när det gäller luftens kvalitet, " han säger.

I över 15 år har teamet deltagit i liknande initiativ med European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) för utnyttjande av data från nuvarande och framtida uppdrag inom ett europeiskt program kallat Satellite Application Facility on Land Surface Analysis (LSA) -SAF). "Det är det första europeiska initiativet dedikerat till att producera och distribuera, i realtid, variabler för det terrestra miljösystemets status, erbjuda produkter av stort värde för observation av klimatet och miljön, " säger Javier García Haro, Huvudutredare för ERS-gruppen.

Framtida applikationer

Enligt forskarna, de nya kartorna kommer att få konsekvenser inom andra områden som precisionsjordbruk, biologisk mångfald och arters anpassning till klimatförändringar. "Studien är inte bara ett konceptuellt test av vad som kan uppnås genom att kombinera maskininlärning och fjärranalys, men det öppnar också dörren till framtida vetenskapliga studier som utnyttjar dessa typer av kartor, säger Gustau Camps-Valls, professor i elektronikteknik och forskare vid IPL. "Ansökningarna och konsekvenserna är oändliga, och ännu mer med tanke på det nuvarande trycket på produktionen av livsmedel och biobränsle, till exempel, utan att underskatta studiet av inverkan på ekosystem och arternas anpassning."

Steven W. Kör vid University of Montana, huvudförfattare till den fjärde utvärderingsrapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), som gav honom Nobels fredspris 2007, deltog i dessa studier. "Vad Álvaro Moreno och hans medarbetare har gjort är imponerande, " säger han. "Nu, med en dator ansluten till internet, du kan göra saker som ESA eller NASA aldrig har gjort under sina 50 år av existens."