Dans une étude publiée récemment dans Capteurs , Des chercheurs de l'Université de Saint Louis ont associé des données d'imagerie satellitaire à des techniques d'apprentissage automatique pour cartographier les espèces d'arbres locales et leur santé. Les données générées par le projet contribueront à éclairer les meilleures pratiques de gestion des espaces verts sains ainsi que les programmes de taille pour éviter les pannes de courant après les tempêtes.

Vasit Sagan, Doctorat., professeur agrégé de sciences de la Terre et de l'atmosphère à l'Université de Saint Louis, affirme que la gestion d'espaces verts urbains sains est une stratégie clé pour lutter contre le réchauffement climatique.

"Avec ce travail, notre objectif était d'améliorer la qualité de vie à Saint-Louis et dans le monde, " a déclaré Sagan. " Les arbres et les espaces verts sont essentiels pour contrer les effets du réchauffement climatique. En général, les villes sont environ cinq degrés Celsius plus chaudes que les zones rurales. Pour réduire les îlots de chaleur urbains et les effets du changement climatique, nous pouvons augmenter les espaces verts.

"Dans cette étude, nous avons cartographié huit espèces d'arbres :cyprès chauve, peuplier, frêne vert, érable argenté, érable à sucre, pin chêne, Pin d'Autriche et sycomore. Avoir une diversité d'espèces d'arbres est formidable. D'autre part, certaines espèces sont plus sensibles aux tempêtes, car différentes espèces d'arbres ont une tolérance différente au stress. L'idée générale était d'utiliser la technologie spatiale pour identifier le type d'espèce d'arbre et l'état de santé. »

Dans la foret, un arbre qui est frappé pendant une tempête peut tout simplement tomber sans causer beaucoup de perturbations. Quand un arbre tombe à Saint-Louis, cela peut provoquer une panne de courant. Comprendre les espèces et l'état de santé des arbres est important pour des raisons de sécurité et économiques. Des millions de dollars sont dépensés chaque année pour l'élagage des arbres.

"Avec les données de ce projet, nous pouvons suivre les taux de croissance de différents arbres, qui peuvent aider les agences à gérer leurs programmes de taille, ", a déclaré Sagan. "Ces informations seront utiles pour des organisations comme Ameren dans leur programme proactif d'élagage des arbres."

Sean Hartling, Étudiant diplômé SLU et auteur sur le papier, dit que certains arbres sont plus vulnérables au stress et aux tempêtes.

« Les poires Bradford ou les érables argentés ont tendance à croître rapidement et à bon marché, alors les gens aiment les mettre dans leurs jardins, " dit Hartling. " Mais, ils sont problématiques près des lignes électriques. Chêne et noyer, d'autre part, sont des arbres plus forts.

Les chercheurs ont utilisé l'imagerie du système LiDAR (Light Detection and Ranging) aéroporté avec des techniques d'imagerie satellitaire pour recueillir des données sur les arbres. Puis, ils ont "formé" un outil d'analyse basé sur une machine pour identifier les arbres sur la base de ces données.

« Tout l'intérêt de ce projet était la classification, " a déclaré Hartling. " En mettant en œuvre une approche de fusion de données, nous avons des données de différents capteurs qui peuvent capter différentes nuances.

"LiDAR est à haute résolution et produit de bons ensembles de données d'imagerie. Il nous donne la hauteur et la structure de l'arbre. Le proche infrarouge visible nous donne des informations sur les caractéristiques du spectre visuel, comme le changement de pigment entre les espèces. L'infrarouge à ondes courtes entre dans les propriétés chimiques, comme l'eau et la teneur en chlorophylle. Nous espérons que ces données aideront à améliorer la classification."

"Puis, nous examinons également l'apprentissage en profondeur, dans lequel le classificateur entraîne la machine à identifier les arbres. La capacité de gérer de nombreux échantillons d'apprentissage est un sujet brûlant dans la classification d'images. Mais, vous avez encore besoin d'échantillons pour entraîner le modèle."

Donc, pendant deux mois, Hartling a numérisé presque tous les arbres - environ 4, 000—à Forest Park afin d'"apprendre" à un outil informatique à utiliser les données d'imagerie pour classer les arbres.

"Nous avons développé un outil d'analyse géospatiale qui fusionne les informations provenant de diverses sources pour mieux discriminer le type d'arbre, " a déclaré Sagan. " C'est vraiment de pointe dans le sens où d'une part nous avons des ensembles de données sensorielles très élevées qui peuvent nous dire la hauteur, forme d'arbres, motifs, répartitions. Et nous combinons cela avec des outils de modèles géospatiaux en utilisant le dernier apprentissage (machine) approfondi. C'est le cœur de cette recherche."

La prochaine étape des chercheurs sera d'étudier les espèces d'arbres, données sur la santé des arbres et informations sur l'utilité, superposer les données et faire une analyse des points chauds, aider les experts à créer des cartes des quartiers à risque de pannes de courant pendant les tempêtes et aider à rétablir le courant rapidement. Alors que l'équipe poursuit son travail, ils compléteront leurs jeux de données à l'aide de drones (véhicules aériens sans pilote), également connu sous le nom de drones.

"Pour la première étude, nous avons utilisé des images satellites, " dit Hartling. " Ensuite, nous utilisons de petits drones sensoriels pour une résolution et une précision plus élevées.

"Nous pouvons couvrir environ 80 acres sur un vol de 15 minutes avec un drone. Nous pouvons identifier les arbres à risque de dommages ou de maladie. Nous pourrions trouver un brunissement au sommet d'une canopée ou un changement d'écorce. Nous verrons si nous pouvons trouver une méthode que nous pouvons utiliser à plus grande échelle."

"Nous avons en fait des données LiDAR pour chaque branche des arbres que nous avons étudiés, " dit Sagan. " Maintenant, nous utilisons des drones pour sortir et créer nos propres données. La puissance des drones est que nous pouvons mettre en place et tester notre propre hypothèse, puis passer aux satellites."

"Tout comme un médecin pourrait utiliser des images pour voir si vos poumons sont en bonne santé, nous utilisons des images pour diagnostiquer si une plante est saine ou non, " dit Sagan.

Les scientifiques ont des partenariats avec plusieurs organisations à Saint-Louis. Le projet actuel a cartographié les arbres dans Forest Park. En partenariat avec le cimetière de Bellefontaine, l'équipe contribue à améliorer l'environnement et le niveau de l'arboretum du Cimetière des plantes rares et de la santé des arbres en créant un parc numérique en 3D, ainsi que la cartographie des espèces végétales invasives et rares.