NASA科学家们绘制了非洲旱地的100亿棵树的地图 以估计储存的碳

利用商业的高分辨率卫星图像和人工智能，一个包括美国国家航空航天局科学家在内的国际团队绘制了非洲干旱地区近100亿棵树的地图，以评估该大陆茂密的热带森林之外的碳储存量。其结果是对非洲撒哈拉、萨赫勒和苏丹地区的树木碳密度的首次全面评估。该团队于3月1日在《自然》杂志上报告了他们的发现，这些数据是免费的，可以公开获取。

研究人员发现，分布在非洲半干旱地区的树木比以前想象的要多得多，但它们储存的碳也比一些模型预测的要少。在这项新的研究中，研究小组估计非洲旱地中大约有0.84 petagrams的碳被锁住；一个petagram是10亿公吨。

拥有一个准确的树木碳估计对于气候变化预测是至关重要的，因为气候变化受树木和其他植被储存碳的时间影响。科学家们称这种"碳停留时间"对于季节性生长的草和灌木来说非常短，但对于长年生长的树木来说则要长很多。要知道一个景观储存了多少碳，取决于是否确切知道那里生长着什么。

卫星图像中识别的单个树木，根据它们所含的碳量进行颜色映射。深紫色表示碳含量较低；黄白色表示含量较高。资料来源：美国宇航局科学可视化工作室

除了遍布非洲大陆中部的大片热带森林之外，非洲的地貌从有几棵树的干燥草原到有零星树木的大草原，再到有许多零星树木的更潮湿的地区。这种分散的树木覆盖使科学家们难以估计这些地区的树木数量，而且经常出现高估或低估的情况。然而，这种测量对于保护工作和了解我们星球上的碳循环至关重要。

该项目的首席科学家、马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球科学家康普顿-塔克说："我们的团队收集并分析了非洲或其他地方广大的半干旱地区的碳数据，直至每棵树的水平--这在以前只在小规模、局部范围内进行过。以前基于卫星对非洲旱地树木碳的估计常常把草和灌木误认为树木。这带来了对那里的碳的过度预测"。

碳在土地、大气、海洋之间不断循环，然后再回来。树木在光合作用过程中从地球的大气中清除二氧化碳--一种温室气体，并将其储存在它们的根部、树干、树枝和树叶中。由于这个原因，增加树木的覆盖率经常被建议作为抵消不断增加的碳排放的一种方式。

在这项新的研究中，研究小组使用复杂的机器学习和人工智能算法，对来自QuickBird-2、GeoEye-1、WorldView-2和WorldView-3卫星（由Maxar Technologies运营）的326000多张商业卫星图像进行分类。研究人员通过NASA的气候模拟中心获得了这些图像，并利用其Explore/ADAPT科学云来组织和准备用于机器学习处理的图像。

科学家们测量了树木的周长，并进行了其他测量，以帮助将卫星图像中的树冠面积与碳储存的数量联系起来。Credit: Martin Brandt, University of Copenhagen, Denmark

哥本哈根大学的Martin Brandt汇编了来自89000棵树的人工智能训练数据。同在哥本哈根的同事Ankit Kariyaa调整了一个神经网络，以便计算机能够在非洲较干旱、较少绿化的高分辨率50厘米比例的图像中检测出个别树木。

研究人员将"树"定义为具有绿色、多叶树冠和邻近阴影的植物。由此，他们在伊利诺伊大学的蓝水超级计算机上进行了数百万小时的超级计算，训练机器学习软件来计算树木。当该团队将他们的机器学习结果与人类对景观的评估进行比较时，计算机在测量树冠面积方面的正确率为96.5%。

野外科学家测量了每棵树的树冠面积和相关的叶子、根的质量，用于确定在树的不同部分储存了多少碳。为了将树冠面积转化为树木的碳估计值，这项艰苦的工作是必要的。资料来源：丹麦哥本哈根大学的Martin Brandt

从对树冠面积的测量中，科学家们可以利用同位素测量法--研究生物的特征如何随大小变化--得出每棵树的叶子、根部和木材中的碳量。图卢兹大学的Pierre Hiernaux领导的小组检查了30种不同的树木，以测量叶片质量、木材质量和根部质量。他们评估了这些碳的质量，并建立了与树冠面积的统计关系。

非洲树木的碳数据可通过该团队开发的一个查看器应用程序公开获得。它允许人们查看研究区域的每一棵树和它所储存的碳量。

这些数据对于研究碳循环的科学家和学生、试图改善保护工作的政策制定者，以及想要确定其农场所储存的碳的农民来说，可能是有用的。