Nowy model uczenia maszynowego do szacowania zjawiska fluorescencji chlorofilu na obszarze mokradeł, w oparciu o dane satelitarne, opracowali naukowcy z Centrum Teledetekcji Instytutu Geodezji i Kartografii. Pozwala on na wczesne wykrywanie zagrożeń. Artykuł poświęcony nowemu algorytmowi ukazał się w piśmie Remote Sensing.
Jak opisują autorzy nowego modelu, Maciej Bartold i Marcin Kluczek, zjawisko fluorescencji chlorofilu od wielu lat jest przedmiotem badań dotyczących wykrywania czynników negatywnie wpływających na funkcjonowanie ekosystemu roślinności.
Powszechnie uznaje się pomiary fluorescencji za podstawową technikę stosowaną do monitorowania stresu środowiskowego u roślin na skutek zmian klimatycznych czy zanieczyszczenia środowiska. Pomiary fluorescencji odnoszą się bowiem bezpośrednio do struktury i funkcji aparatu fotosyntetycznego.
tłumaczy dr Maciej Bartold, adiunkt w Centrum Teledetekcji
Chlorofil to barwnik, dzięki któremu rośliny mają zielony kolor i mogą przeprowadzać fotosyntezę – proces, w wyniku którego powstaje m.in. tlen. Cząsteczki chlorofilu, jako bardzo efektywne fotoreceptory, absorbują światło, które z kolei powoduje ich wzbudzenie. Gdy wzbudzona cząsteczka powraca do stanu podstawowego, towarzyszy temu emisja promieniowania, czyli fluorescencja. Zmiany fluorescencji świadczą o zmianach w kondycji roślin.
Kluczową zaletą fluorescencji jest ilościowy i mierzalny charakter. Dzięki temu możemy jednoznacznie określić stan roślinności w czasie i przestrzeni, w odniesieniu do funkcji aparatu fotosyntetycznego. Udowodnione jest, że śledzenie zmian wartości fluorescencji chlorofilu pozwala na wczesne wykrycie zmian w roślinności wywołanych czynnikami stresowymi – niezauważalnymi w przebiegach zmian wartości wskaźników roślinnych.
wyjaśnia dr Bartold
Dotychczasowe badania fluorescencji w rolnictwie i ochronie środowiska opierały się głównie na pomiarach tego zjawiska w warunkach laboratoryjnych lub polowych, przeznaczonym do tego specjalnym instrumentem. Tym razem naukowcy wykorzystali dane czasowo-przestrzenne z satelitów najnowszej generacji Sentinel-2.
Obrazowanie satelitarne jest już stosowane w badaniach środowiskowych, np. do generowania map przestrzennego rozkładu wskaźników roślinnych.
Satelitarne wskaźniki roślinne, mierzące takie parametry jak zawartość chlorofilu, wody czy ilość pigmentów, są z kolei stosowane do określenia ogólnego stanu zdrowotnego roślin. Ich zmiany wartości mogą być spowodowane różnymi czynnikami stresowymi – takimi jak choroby, susza czy też niedobór składników odżywczych. Modelowanie fluorescencji na ich podstawie stanowi więc swego rodzaju harmonizację tych informacji, pozwalając na jeszcze dokładniejszą analizę stanu roślinności.
mówi badacz
Jak zaznacza, do tej pory nieliczne prace naukowców dotyczyły modelowania zjawiska fluorescencji chlorofilu z wykorzystaniem zdjęć satelitarnych. W kontekście podpisanej przez Polskę deklaracji Net Zero Carbon by 2050, kluczowym obszarem badań stają się mokradła, analiza ich stanu oraz programu ich renaturyzacji, w celu zahamowania osuszenia i zmniejszenia emisji dwutlenku węgla.
Jak podkreśla dr Bartold, wykorzystanie uczenia maszynowego może przyczynić się do sprawniejszego określania zjawiska fluorescencji chlorofilu na obszarze mokradeł w Dolinie Biebrzy i pozwolić na zbadanie tempa zmian kondycji torfowisk, wywołanych niesprzyjającymi czynnikami środowiskowymi, czego skutkiem jest emisja niepożądanych gazów cieplarnianych.
W swojej pracy naukowcy wykorzystali algorytm XGBoost.
Zastosowanie algorytmu uczenia maszynowego XGBoost, stanowiło w naszym projekcie innowacyjne podejście, które wykorzystuje nowoczesne technologie sztucznej inteligencji w celu rozwiązania problemów związanych z analizą danych biologicznych. Dzięki temu możliwe jest odkrywanie nowych związków między różnymi czynnikami stresowymi a procesami fotosyntetycznymi.
opisuje współtwórca algorytmu Marcin Kluczek, specjalista w Centrum Teledetekcji
Badaczom udało się uzyskać wyniki szacowania fluorescencji chlorofilu na bazie zdjęć z europejskiej misji satelitów Copernicus Sentinel-2 na poziomie wiarygodności wynoszącej ponad 70%. Analizy wykazały wysoką przydatność danych satelitarnych do śledzenia tempa zmian fenologicznych roślinności torfowisk. Walidacja wyników potwierdziła zgodność z pomiarami terenowymi, gdzie błąd estymacji nie przekracza 1,5% .
Naukowcy poinformowali, że ich praca stanowi wkład w dalsze badania nad opracowaniem algorytmu do wyznaczania fluorescencji, zwłaszcza w kontekście planowanej na rok 2025 misji Europejskiej Agencji Kosmicznej – FLuorescence EXplorer (FLEX), której celem będzie dostarczenie modelu fluorescencji chlorofilu dla całej kuli ziemskiej – na zasadzie ciągłej obserwacji satelitarnej.
Prace nad rozwijaniem niniejszego algorytmu pozwolą na rozszerzenie proponowanego rozwiązania na inne ekosystemy roślinne, takie jak lasy i pola uprawne, co jest szczególnie istotne w kontekście zmian klimatycznych i zrównoważonego rolnictwa
Zadania związane z pomiarami terenowymi fluorescencji chlorofilu w dolinie Biebrzy w 2022 roku były realizowane w projekcie finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu MINIATURA. W bieżącym roku naukowcy z Centrum Teledetekcji również przeprowadzą kolejne pomiary na obszarze Bagien Biebrzańskich.
Uzupełnione o rok 2023 dane terenowe fluorescencji chlorofilu zasilą algorytm pozwalający na stałe monitorowanie kondycji roślinności torfowisk. Możliwym kierunkiem przyszłych badań będzie połączenie danych fluorescencji z innymi zmiennymi biologicznymi oraz warunkami klimatycznymi, identyfikując zależności między nimi a ich wpływem na fluorescencję chlorofilu.
źródło: naukawpolsce.pap.pl, Magdalena Barcz
A Machine Learning Approach for Mapping Chlorophyll Fluorescence at Inland Wetlands
🌍 Ekologia, przyroda, środowisko – dodatkowe informacje:
agrocenoza, agroleśnictwo, atmosfera, biocenoza, biodegradacja, biofilia, biofobia, biologia, biom, bioróżnorodność, biosfera, biotop, błękitna planeta Ziemia, czwarta przyroda, drzewa, ekologia, ekoaktywizm, ekologizm, ekopolityka, ekosystem, ekozofia, eukarionty, ewolucja, fauna, fitocenoza, flora, gatunek, geosfera, habitat, hydrosfera, kalendarz ekologiczny, kalendarium wydarzeń ekologicznych, klimaks, koszenie trawników, krajobraz, las pierwotny, litosfera, łąka, mała retencja, martwe drewno, miedza, mikroorganizm, mokradło, natura, obszary siedliskowe, ochrona bierna, ochrona czynna, ochrona przyrody, ochrona środowiska, oczyszczanie ścieków, organizm, pastwisko, park ciemnego nieba, pedosfera, populacja, powłoka ziemska, prawa zwierząt, przyroda, reintrodukcja, renaturalizacja, rekultywacja, renaturyzacja, restytucja, retencja, rewilding (zdziczanie, zadziczanie), rewitalizacja, rolnictwo ekologiczne, rolnictwo ekstensywne, rolnictwo regeneratywne, sieć troficzna, siedlisko, sozoligia, stanowisko, starodrzew, struktura ekosystemu, sukcesja, środowisko: przyrodnicze (naturalne), antropogeniczne, sztuczne, zdegradowane, torfowisko, trzeci krajobraz, turystyka ekologiczna, woda, wszechświat, zadrzewienia śródpolne, zasoby naturalne, Ziemia, zoocenoza, życie
🌱 formy ochrony przyrody w Polsce:
Obszar Natura 2000, obszar chronionego krajobrazu, ochrona gatunkowa roślin zwierząt i grzybów, park krajobrazowy, park narodowy, pomnik przyrody, rezerwat przyrody, stanowiska dokumentacyjne, użytki ekologiczne, zespoły przyrodniczo–krajobrazowe
ekologiczne idee:
filozofia Leave No Trace, kodeks (dekalog) podróżnika, głęboka ekologia, Hipoteza Gai, Wildlife Selfie Code
konwencje, traktaty, konferencje, święta:
Agenda 21
Dyrektywy ws. jakości powietrza (AAQD)
Rozporządzenie UE przeciwko wylesianiu European Union Deforestation Regulation (EUDR)
Konwencją Helsińską HELCOM (Komisja Ochrony Środowiska Morskiego Bałtyku)
Konwencja Jamajska (Konwencja Narodów Zjednoczonych o Prawie Morza)
Konwencja o ochronie gatunków dzikiej flory i fauny europejskiej oraz ich siedlisk – Konwencja Berneńska
Konwencja Londyńska (Konwencja o zapobieganiu zanieczyszczeniu mórz przez zatapianie odpadów i innych substancji)
Konwencja MARPOL (Międzynarodowa Konwencja o Zapobieganiu Zanieczyszczaniu Morza Przez Statki)
Konwencją Narodów Zjednoczonych o Prawie Morza (United Nations Convention on the Law of the Sea, UNCLOS)
Konwencja o ochronie wędrownych gatunków dzikich zwierząt – Konwencja Bońska CMS
Konwencja o różnorodności biologicznej CBD
Konwencja Ramsarska
Konferencja i deklaracja Sztokholmska ONZ
Konwencja Waszyngtońska CITIES
Konwencja Wiedeńska w Sprawie Ochrony Warstwy Ozonowej
Konwencja w Sprawie Ochrony i Lista Światowego Dziedzictwa Kulturalnego i Przyrodniczego UNESCO
Międzynarodowa Unia Ochrony Przyrody IUCN
Nature Restoration Law
Porozumienie o ochronie populacji europejskich nietoperzy EUROBATS
Porozumienie o ochronie małych waleni Bałtyku Północno-Wschodniego Atlantyku Morza Irlandzkiego i Morza Północnego ASCOBANS
Porozumienie Paryskie
Protokół z Kioto
Protokół z Montrealu (Protokół Montrealski)
Ramowa dyrektywa wodna
Ramowa Konwencja Narodów Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu UNFCCC
Strategia Różnorodności Biologicznej w UE do 2030
Szczyt Ziemi 1992 (Earth Summit 1992)
Szczyt Ziemi 2002 (The World Summit on Sustainable Development)
Światowy Dzień Środowiska
Traktat o przestrzeni kosmicznej (Outer Space Treaty)
🧠 Wiedza ekologiczna – dodatkowe informacje:
aforyzmy ekologiczne, biblioteka ekologa, biblioteka młodego ekologa, ekoprognoza, encyklopedia ekologiczna, hasła ekologiczne, hasztagi (hashtagi) ekologiczne, kalendarium wydarzeń ekologicznych, kalendarz ekologiczny, klęski i katastrofy ekologiczne, największe katastrofy ekologiczne na świecie, międzynarodowe organizacje ekologiczne, podcasty ekologiczne, poradniki ekologiczne, (nie) tęgie głowy czy też (nie) najtęższe umysły, znaki i oznaczenia ekologiczne
🤝Dziękuję, że przeczytałaś/eś powyższe informacje do końca. Jeśli cenisz sobie zamieszczane przez portal treści zapraszam do wsparcia serwisu poprzez Patronite.
☕ Możesz również wypić ze mną wirtualną kawę! Dorzucasz się w ten sposób do kosztów prowadzenia portalu, a co ważniejsze, dajesz mi sygnał do dalszego działania. Nad każdym artykułem pracuję zwykle do późna, więc dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła ;-) 💪☕
🔔 Zapisz się na Newsletter i otrzymuj email z ekowiadomościami. Dodatkowo dostaniesz dostęp do specjalnego działu na stronie portalu, gdzie pojawiają się darmowe materiały do pobrania i wykorzystania. Poradniki i przewodniki, praktyczne zestawienia, podsumowania, wzory, karty prac, checklisty i ściągi. Wszystko czego potrzebujesz do skutecznej i zielonej rewolucji w twoim życiu. Zapisz się do Newslettera i zacznij zmieniać świat na lepsze.
Chcesz podzielić się ciekawym newsem lub zaproponować temat? Skontaktuj się pisząc maila na adres:
✉️ informacje@wlaczoszczedzanie.pl
🔍Więcej ciekawych informacji znajdziesz na stronie głównej portalu Włącz oszczędzanie
