In uno studio recentemente pubblicato su Sensori , I ricercatori della Saint Louis University hanno abbinato i dati di imaging satellitare con tecniche di apprendimento automatico per mappare le specie e la salute degli alberi locali. I dati generati dal progetto aiuteranno a informare le migliori pratiche per la gestione di spazi verdi sani e programmi di rifinitura per evitare interruzioni di corrente a seguito di temporali.

Vasit Sagan, dottorato di ricerca, professore associato di Scienze della Terra e dell'Atmosfera presso la Saint Louis University, afferma che la gestione di spazi verdi urbani sani è una strategia chiave per combattere il riscaldamento globale.

"Con questo lavoro, il nostro obiettivo era migliorare la qualità della vita a St. Louis e nel mondo, " Ha detto Sagan. "Gli alberi e gli spazi verdi sono fondamentali per contrastare gli effetti del riscaldamento globale. Generalmente, le città sono circa cinque gradi Celsius più calde delle aree rurali. Per ridurre le isole di calore urbane e gli effetti del cambiamento climatico, possiamo aumentare gli spazi verdi.

"In questo studio, abbiamo mappato otto specie di alberi:cipresso calvo, pioppo, cenere verde, acero d'argento, acero da zucchero, perno rovere, Pino austriaco e sicomoro. Avere una varietà di specie arboree è fantastico. D'altra parte, alcune specie sono più suscettibili alle tempeste poiché diverse specie di alberi hanno una diversa tolleranza allo stress. L'idea generale era quella di utilizzare la tecnologia spaziale per identificare il tipo di specie arboree e le condizioni di salute".

Nella foresta, un albero che viene colpito durante una tempesta può semplicemente cadere senza causare molti disagi. Quando un albero cade a St. Louis, può causare un'interruzione di corrente. Comprendere le specie e le condizioni di salute degli alberi è importante per ragioni di sicurezza ed economiche. Ogni anno vengono spesi milioni di dollari per la potatura degli alberi.

"Con i dati di questo progetto, possiamo monitorare i tassi di crescita di diversi alberi, che possono aiutare le agenzie a gestire i loro programmi di rifilatura, " Ha detto Sagan. "Queste informazioni saranno utili per organizzazioni come Ameren nel loro programma proattivo di potatura degli alberi".

Sean Hartling, Studente laureato SLU e autore della carta, dice che alcuni alberi hanno una maggiore vulnerabilità allo stress e alle tempeste.

"Le pere Bradford o gli aceri argentati tendono ad essere a crescita rapida ed economici, così alla gente piace metterli nei loro cortili, "Ha detto Hartling. "Ma, sono problematici vicino alle linee elettriche. Quercia e noce, d'altra parte, sono alberi più forti."

I ricercatori hanno utilizzato l'imaging del sistema LiDAR (Light Detection and Ranging) aereo insieme a tecniche di imaging satellitare per raccogliere dati sugli alberi. Quindi, hanno "addestrato" uno strumento analitico basato su macchine per identificare gli alberi in base a quei dati.

"Il punto centrale di questo progetto era la classificazione, "Ha detto Hartling. "Attuando un approccio di fusione dei dati, abbiamo dati da diversi sensori che potrebbero raccogliere sfumature diverse.

"LiDAR è ad alta risoluzione e produce buoni set di dati di imaging. Ci fornisce l'altezza e la struttura dell'albero. Il vicino infrarosso visibile ci fornisce informazioni sulle caratteristiche dello spettro visivo, come il pigmento che cambia tra le specie. L'infrarosso a onde corte entra nelle proprietà chimiche, come il contenuto di acqua e clorofilla. Speriamo che questi dati aiutino a migliorare la classificazione".

"Quindi, stiamo anche esaminando il deep learning, in cui il classificatore addestra la macchina a identificare gli alberi. La capacità di gestire molti campioni di addestramento è un argomento scottante nella classificazione delle immagini. Ma, hai ancora bisogno di campioni per addestrare il modello."

Così, nel giro di due mesi, Hartling ha digitalizzato quasi tutti gli alberi, circa 4, 000—a Forest Park per "insegnare" a uno strumento basato su una macchina a utilizzare i dati di imaging per classificare gli alberi.

"Abbiamo sviluppato uno strumento di analisi geospaziale che fonde le informazioni provenienti da varie fonti per discriminare meglio il tipo di albero, " Ha detto Sagan. "Questo è davvero all'avanguardia, nel senso che da un lato abbiamo set di dati basati su sensori molto alti che possono dirci l'altezza, forma di alberi, modelli, distribuzioni. E lo stiamo unendo con strumenti di modelli geospaziali utilizzando l'ultimo deep (machine) learning. Questo è il fulcro di questa ricerca".

Il prossimo passo dei ricercatori sarà esaminare le specie arboree, dati sulla salute degli alberi e informazioni sull'utilità, sovrapponendo i dati e facendo analisi hotspot, aiutare gli esperti a creare mappe dei quartieri a rischio di interruzioni di corrente durante i temporali e aiutare a ripristinare rapidamente l'energia. Mentre il team continua il suo lavoro, aggiungeranno ai loro set di dati utilizzando UAV (Unmanned Aerial Vehicles), noti anche come droni.

"Per il primo studio, abbiamo usato immagini satellitari, "Ha detto Hartling. "Successivo, stiamo usando piccoli UAV sensoriali per una maggiore risoluzione e precisione.

"Possiamo coprire circa 80 acri con un volo di 15 minuti con un UAV. Possiamo identificare alberi a rischio di danni o malattie. Potremmo trovare imbrunimenti in cima a una chioma o un cambiamento della corteccia. Vedremo se possiamo trovare un metodo che possiamo usare su scala più ampia."

"In realtà abbiamo dati LiDAR per ogni singolo ramo degli alberi che abbiamo studiato, " Disse Sagan. "Ora, stiamo usando gli UAV per uscire e creare i nostri dati. Il potere degli UAV è che possiamo impostare e testare la nostra ipotesi, e poi scalare fino ai satelliti."

"Proprio come un medico potrebbe usare le immagini per vedere se i tuoi polmoni sono sani, utilizziamo le immagini per diagnosticare se una pianta è sana o meno, " ha detto Sagan.

Gli scienziati hanno collaborazioni con diverse organizzazioni a St. Louis. L'attuale progetto ha mappato gli alberi di Forest Park. In collaborazione con il Cimitero di Bellefontaine, il team sta aiutando a migliorare l'ambiente e il livello dell'arboreto nel cimitero per piante rare e la salute degli alberi creando un parco digitale 3-D, così come la mappatura di specie vegetali invasive e rare.