蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 EcoVision Lab 研究人員的一項(xiàng)新研究首次提出了交互式全球冠層高度圖 。 研究 使用一種新開發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法處理公開的衛(wèi)星圖像，可以幫助科學(xué)家確定生態(tài)系統(tǒng)退化和森林砍伐的地區(qū)。這項(xiàng)工作還可以通過確定主要碳儲(chǔ)存區(qū)域來(lái)指導(dǎo)可持續(xù)森林管理，這是緩解氣候變化的基石。

“可持續(xù)管理陸地生態(tài)系統(tǒng)、緩解氣候變化和防止生物多樣性損失需要全球高分辨率的植被特征數(shù)據(jù)。通過這個(gè)項(xiàng)目，我們的目標(biāo)是在深度學(xué)習(xí)的幫助下，通過合并來(lái)自兩次太空任務(wù)的數(shù)據(jù)來(lái)填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)空白，”土木工程、環(huán)境與工程系教授康拉德·辛德勒說(shuō)，以及蘇黎世 ETH 的地理信息工程。

從雨林到北方林地，森林在減緩氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，每年吸收多達(dá) 20 億噸二氧化碳。地上生物量，包括樹干、樹皮或樹枝等樹木的所有部分，與森林中儲(chǔ)存的碳量相關(guān)。

樹高通常是生物量的一個(gè)指標(biāo)，這意味著精確的測(cè)量可以幫助獲得更精確的碳吸收數(shù)據(jù)和氣候科學(xué)模型。這些信息還可以通過確定需要保護(hù)、恢復(fù)和重新造林的地區(qū)來(lái)指導(dǎo)森林管理。

有許多研究使用人工智能驅(qū)動(dòng)的遙感模型進(jìn)行森林監(jiān)測(cè)。然而，由于數(shù)據(jù)量巨大，它們通常在區(qū)域內(nèi)工作，并構(gòu)成計(jì)算挑戰(zhàn)。模型在測(cè)量超過 30 米的高度時(shí)也不成功，導(dǎo)致對(duì)高檐篷的低估。

目前的一些研究正在部署衛(wèi)星從太空捕獲和測(cè)量植被。其中一項(xiàng)任務(wù) NASA 全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查 （ GEDI ）旨在使用星載激光掃描儀監(jiān)測(cè)全球森林結(jié)構(gòu)。然而，它只捕獲了不到全球陸地面積 4% 的稀疏樣本。

其他全球遙感任務(wù)提供了完整的覆蓋范圍。 Copernicus Sentinel-2 衛(wèi)星以每像素 10 × 10 米的分辨率拍攝圖像，每 5 天拍攝一次整個(gè)地球。然而，它只能鳥瞰植被，不能測(cè)量高度。

研究人員利用這些獨(dú)立遙感任務(wù)的數(shù)據(jù)開發(fā)、訓(xùn)練和部署了深度學(xué)習(xí)算法，創(chuàng)建了第一個(gè) 全球植被高度圖 。該團(tuán)隊(duì)根據(jù) GEDI 數(shù)據(jù)對(duì)樹冠頂部高度訓(xùn)練了一組完全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ CNN ）。該算法使用一個(gè)包含 6 億個(gè) GEDI 足跡的數(shù)據(jù)集，以及相應(yīng)的 Sentinel-2 圖像塊，學(xué)習(xí)從光譜和紋理圖像模式中提取冠層高度。

圖 1 。 GEDI 激光雷達(dá)稀疏監(jiān)督下的模型訓(xùn)練過程說(shuō)明。 CNN 將 Sentinel-2 圖像和編碼的地理坐標(biāo)作為輸入，以估計(jì)密集的樹冠頂部高度及其不確定性（方差）。

當(dāng)模型啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)處理超過 250000 張圖像，并在 10 米的地面采樣距離上估計(jì)地圖的樹冠高度。使用高性能集群覆蓋全球需要 10 天時(shí)間，該集群配備 NVIDIA RTX 2080 GPU 根據(jù)辛德勒的說(shuō)法，蘇黎世 ETH 的高性能計(jì)算系統(tǒng) Euler 包含多種 GPU ，運(yùn)行超過 1500 個(gè)圖形卡。

通過對(duì)數(shù)據(jù)中的不確定性進(jìn)行建模，并使用由五個(gè)單獨(dú)訓(xùn)練的 CNN 組成的集合，這些模型具有深度學(xué)習(xí)算法中不常見的透明度。每個(gè)像素估計(jì)值的不確定性都是量化的，這可以讓研究人員和森林管理人員在根據(jù)信息做出決策時(shí)充滿信心。

研究人員發(fā)現(xiàn)，俄勒岡州海岸山脈和婆羅洲烏盧坦布隆國(guó)家公園等保護(hù)區(qū)的植被通常較高。大約 34% 的高于 30 米的樹冠生長(zhǎng)在這些地區(qū)。

圖 2 。密集的樹冠高度圖顯示了俄勒岡州魔鬼梯荒野保護(hù)區(qū)（左）和婆羅洲烏盧坦布隆國(guó)家公園（右）的空間格局。

根據(jù)這項(xiàng)研究，該模型可以每年部署一次，以跟蹤冠層高度隨時(shí)間的變化。研究人員還指出，這些地圖可用于評(píng)估發(fā)生野火的地區(qū)，從而提供更準(zhǔn)確的損失地圖。

“我們希望這項(xiàng)工作將推動(dòng)未來(lái)在氣候、碳和生物多樣性建模方面的研究。我們還希望我們免費(fèi)提供的地圖能夠在實(shí)踐中支持自然資源保護(hù)主義者的工作。在未來(lái)，我們希望擴(kuò)大我們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)繪制生物量以及時(shí)間變化的方法，” EcoVision 實(shí)驗(yàn)室的主要作者 Nico Lang 說(shuō)， ETH Z ü rich 攝影測(cè)量和遙感小組成員。

EcoVision 還計(jì)劃很快發(fā)布該代碼。 lab 由蘇黎世 ETH 教授 Konrad Schindler 和蘇黎世大學(xué)教授 揚(yáng)·德克·韋格納 于 2017 年創(chuàng)立，致力于開發(fā)用于大規(guī)模環(huán)境數(shù)據(jù)分析的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱他們的項(xiàng)目頁(yè)面 地球高分辨率冠層高度模型 。

關(guān)于作者

Michelle Horton 是 NVIDIA 的高級(jí)開發(fā)人員通信經(jīng)理，擁有通信經(jīng)理和科學(xué)作家的背景。她在 NVIDIA 為開發(fā)者博客撰文，重點(diǎn)介紹了開發(fā)者使用 NVIDIA 技術(shù)的多種方式。

審核編輯：郭婷