树林良伴:人工智能 (AI) 绘制出丰富的雨林生物地图

秘鲁雨林里要是有棵树倒下了,Greg Asner 可以告诉你是哪一种树倒下了。

Asner 是卡内基科学研究院与斯坦福大学的生态学家,他运用人工智能与强大的光谱成像法制作出空前精细的雨林地图。他依据化学成分来区分各树种,展示出的雨林多样性超乎任何人的想象。

Asner 的地图让人不用猜就能找到地球上生态最多元的保护区之一,还能指出哪些是新的保护区。

他说:“这的确使得我们更有能力去保护森林,遏制气候变迁带来的伤害。”

Asner captures images of the rainforest using from the Carnegie Airborne Laboratory, a twin-propeller plane turned into a research lab.
Asner 使用研究实验室 Carnegie Airborne Laboratory(由一架双推进引擎飞机改造而成)拍摄雨林图片。

秘鲁森林面临的威胁

秘鲁的森林面积达 30 万平方英里,从炎热的亚马逊河低地一路延伸到白雪皑皑的安第斯山脉。石油勘探、伐木、放牧、非法采金和面积愈来愈广的棕榈油种植园,都不断威胁着这片土地。在亚马逊河流域的某地,自 2010 年以来砍伐森林的面积增加了 500%。

为了解和保护如此辽阔的林区,Asner 及其团队搭乘双推进引擎飞机 Carnegie Airborne Observatory,使用机上安装的超过 2,200 磅(1,000 千克)的高科技传感器和多台计算机从雨林上空数英里处收集数据。

研究人员测量树叶里碳和氮等化学物质的浓度,找出森林里的树木赖以存活的 23 种策略特征。部分树种靠生长来存活,而部分树种靠防御性化学物质来保护自己。

 

雨林生物多样性提高 10 倍以上

研究团队将 23 种特征精简为 7 种,它们对于识别不同的树种群落至关重要。利用这些数据和 GPU 加速的深度学习技术,他们绘制出按相似生存策略将树种分组的地图 – 包含 36 种森林类型。秘鲁政府及多数研究人员过去认为只有三种。

研究人员使用 CUDA 并行计算平台、NVIDIA Tesla K80 GPU 加速器和 cuDNN 训练他们的算法。他们最近在《科学》期刊发表论文,介绍他们的研究成果。

Peru's 36 forest types, each mapped in a different psychedelic color
在地图上以眼花缭乱的不同颜色区分秘鲁的 36 类森林。

让人眼花缭乱的地图

研究团队绘制的树种群落 3D 地图使用深粉、荧光绿和其他 34 种颜色绘制而成,看起来像是眼花缭乱的扎染布料。研究人员将他们的地图重迭在秘鲁政府的森林砍伐和保护区地图上,以确定最需要进行保护的区域。

Asner 说:“根据对不同树种类型分布位置的现有了解,人们决定要保护哪些树种。”

官员将国家公园设在他们认为最能防止土地开发的地方,而在获得更多信息的情况下,秘鲁与地方政府能将国家公园设在每英亩可保护最多树种的地点。

Asner 说:“政府试着使用卫星数据来应对巨大的生物多样性危机。从 Google Earth 或其他卫星图片来看,森林只是一片绿色,并不会告诉你里面还有什么东西。”

放眼全球

Asner 及其团队已绘制完加利福尼亚州、夏威夷、婆罗州及厄瓜多尔的森林地图。不过他们只有一架飞机。Asner 想将他的技术送上卫星轨道,这样每个月就能产生最新的全球生物多样性地图。

他说土地开发仍会继续,但至少他的地图能协助政府避免最严重的环境损失。

他说:“这个世界变化如此快速,人们知道必须保护森林,不然它将会消失殆尽。”

本文所有图片皆由卡内基科学研究院的 Greg Asner 提供。

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