Next generation forest dynamics modelling using remote sensing data

使用遥感数据的下一代森林动力学建模

基本信息

  • 批准号:
    MR/T019832/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 122万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Fellowship
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2020 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Ecosystems are threatened globally by climate change and biodiversity loss. Many countries plan to use forests for climate change mitigation, but many forest ecosystems are threatened by climate change itself. For example, climate-induced species' shifts may halve the value of European forests by 2100. How forests will absorb and store carbon in the future depends critically on individual species' responses to climate change, so predicting the impact of climate change on forests is a priority. Existing models are not suitable because they are constructed around small-scale plot data, so cannot predict the future of forests at national, continental or global scales.Accurate predictions of the future of European forests require large monitoring networks, optimal use of existing data, cutting-edge measurement techniques, and predictive, data-driven models. This fellowship will develop wholly novel approaches to measuring and modelling forest dynamics by integrating existing information with data from new, cutting-edge remote sensing technologies using techniques drawn from machine learning and artificial intelligence.Forest models that include diversity and ecological detail capture long-term succession dynamics and diversity shifts, and can predict changes in carbon storage, but are spatially limited because they require detailed ground data not widely available. National forest inventories contain information on diversity and demographic rates from spatially extensive plot networks. However, they are labour intensive to survey so are often only carried out once per decade, and contain only simple ground measurements of structure (such as trunk diameter and height). Earth Observation satellite data are available at large spatial and over long temporal scales, and provide information on forest function. However, these data are underused by ecologists due to challenges in interpretation, low spatial resolution, and mismatches between what is measurable from space (primarily canopy properties) and what is represented in models based on ground measurements (primarily of individual trunks).New technologies such as Terrestrial Laser Scanning and drone remote sensing can capture 3D information on individual trees and whole-forest canopies in unprecedented detail, offering a link between ground and Earth Observation data. They can measure tree and crown shape, leaf area and arrangement, and crown tessellation in canopies, which are known drivers of productivity and dynamics, opening up the possibility of new approaches to forest modelling. Additionally, new Earth Observation satellites such as the European Space Agency's Sentinels provide global data at high spatial resolution, creating new opportunities for monitoring.This Fellowship will create a new conceptual framework for modelling forest dynamics, parameterised and tested with forest data from across Europe. The model will link Terrestrial Laser Scanning and drone data to plot information on diversity and dynamics, and will predict forest responses to climate change robustly by additionally assimilating Earth Observation data. This will improve model spatial coverage as well as accuracy, with calibration and validation possible at monthly rather than decadal time-steps. New 3D measurements will give novel insights into how canopy structure influences dynamics. Machine learning and artificial intelligence approaches will be used to automate species detection from drone data, allowing ecological monitoring across large spatial areas.The Fellowship will create new knowledge of how European forests function and how they will respond to climate change, with a fully data-driven model that incorporates cutting-edge monitoring. The approach will enable robust and updatable predictions of climate change impacts on forest diversity and dynamics, with flexibility to incorporate future data streams, that could inform climate change mitigation policy across the continent.
全球生态系统受到气候变化和生物多样性丧失的威胁。许多国家计划利用森林来减缓气候变化,但许多森林生态系统却受到气候变化本身的威胁。例如,到 2100 年,气候引起的物种变化可能会使欧洲森林的价值减半。未来森林如何吸收和储存碳很大程度上取决于单个物种对气候变化的反应,因此预测气候变化对森林的影响是非常重要的。优先事项。现有模型并不适用,因为它们是围绕小规模地块数据构建的,因此无法预测国家、大陆或全球尺度的森林未来。准确预测欧洲森林的未来需要大型监测网络、现有数据的优化利用、尖端的测量技术以及预测性数据驱动模型。该奖学金将利用机器学习和人工智能技术,将现有信息与来自新的尖端遥感技术的数据相结合,开发全新的测量和建模森林动态的方法。包括多样性和生态细节的森林模型捕捉长期的信息演替动态和多样性变化,并可以预测碳储存的变化,但在空间上受到限制,因为它们需要详细的地面数据,但这些数据并不广泛可用。国家森林清单包含来自空间广泛的样地网络的多样性和人口比率信息。然而,它们的测量是劳动密集型的,因此通常每十年只进行一次,并且仅包含结构的简单地面测量(例如树干直径和高度)。地球观测卫星数据可在大空间和长时间尺度上获得,并提供有关森林功能的信息。然而,由于解释方面的挑战、空间分辨率低以及从空间测量的数据(主要是树冠特性)与基于地面测量的模型(主要是单个树干)所表示的数据之间的不匹配,生态学家没有充分利用这些数据。 新技术地面激光扫描和无人机遥感等技术可以以前所未有的细节捕获单棵树木和整个森林树冠的 3D 信息,从而提供地面和地球观测数据之间的联系。它们可以测量树木和树冠的形状、叶面积和排列,以及冠层的树冠镶嵌,这些都是生产力和动态的已知驱动因素,为森林建模的新方法开辟了可能性。此外,欧洲航天局的哨兵等新型地球观测卫星提供高空间分辨率的全球数据,为监测创造了新的机会。该奖学金将为森林动态建模创建一个新的概念框架,并使用欧洲各地的森林数据进行参数化和测试。该模型将把地面激光扫描和无人机数据联系起来,绘制有关多样性和动态的信息,并将通过另外同化地球观测数据来有力地预测森林对气候变化的反应。这将提高模型的空间覆盖范围和准确性,并可以每月而不是十年的时间步长进行校准和验证。新的 3D 测量将为冠层结构如何影响动力学提供新的见解。机器学习和人工智能方法将用于从无人机数据中自动检测物种,从而实现大空间区域的生态监测。该奖学金将通过完整的数据创造有关欧洲森林如何运作以及它们将如何应对气候变化的新知识。包含尖端监控的驱动模型。该方法将能够对气候变化对森林多样性和动态的影响进行稳健且可更新的预测,并灵活地纳入未来的数据流,从而为整个非洲大陆的气候变化缓解政策提供信息。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Prioritize environmental sustainability in use of AI and data science methods
使用人工智能和数据科学方法优先考虑环境可持续性
  • DOI:
    10.1038/s41561-023-01369-y
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    18.3
  • 作者:
    Jay C
  • 通讯作者:
    Jay C
Supplementary material to "Quantifying vegetation indices using TLS: methodological complexities and ecological insights from a Mediterranean forest"
“使用 TLS 量化植被指数:地中海森林的方法复杂性和生态见解”的补充材料
  • DOI:
    10.5194/egusphere-2022-1055-supplement
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Flynn W
  • 通讯作者:
    Flynn W
High resolution forest-landscape interactions
高分辨率森林景观相互作用
  • DOI:
    10.5194/egusphere-egu23-8684
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Grieve S
  • 通讯作者:
    Grieve S
Tallo: A global tree allometry and crown architecture database.
Tallo:全球树木异速生长和树冠结构数据库。
  • DOI:
    10.17863/cam.86007
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Jucker T
  • 通讯作者:
    Jucker T
Quantifying vegetation indices using TLS: methodological complexities and ecological insights from a Mediterranean forest
使用 TLS 量化植被指数:地中海森林的方法复杂性和生态见解
  • DOI:
    10.5194/egusphere-2022-1055
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Flynn W
  • 通讯作者:
    Flynn W
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    10682167
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 122万
  • 项目类别:
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