Як EOSDA Мониторить Поглинання Вуглецю З ШІ Та ML

Які Моделі Задіяні У Вашому Рішенні SOC-Моделювання?

Олексій Нескоровний: Ми вирішили використовувати для оцінки органічного вуглецю в ґрунті дві моделі машинного навчання. Такий підхід у подальшому спростить удосконалення нашого рішення.

Перша модель оцінює просторовий розподіл органічного вуглецю в ґрунті залежно від рослинного покриву. За основу в ній використовуються фізичні зразки ґрунту. Показники цієї моделі потім розглядаються як базові для розрахунку вуглецевих кредитів.

Друга модель прогнозує зміни вмісту вуглецю в ґрунті з плином часу. Вона використовується для того, щоб агропідприємства могли оцінити майбутні перспективи поглинання вуглецю.

Наш підхід базується на моделі RothC. Вона характеризує процес поглинання органічного вуглецю верхніми шарами ґрунту, не схильними до заболочування, за типом ґрунту, температурою, рівнем вологості та рослинним покривом ^{Rothhamsted Carbon Model (RothC): Understanding Soil Carbon Dynamics.}. Щоб забезпечити більшу точність і вірогідність нашого рішення, ми доповнили модель RothC низкою додаткових параметрів, включаючи характеристики рельєфу, екологічні фактори та методи обробки ґрунту. Ми також досягли можливості прогнозування вмісту вуглецю в будь-якому часовому проміжку в межах типового 20-річного періоду. Версія RothC з відкритим вихідним кодом обмежена лише 20-річним прогнозом.

Яку Користь Приносить Модель Клієнтам?

Регіна Уразманова: Головна перевага полягає в тому, що агропідприємства можуть отримати нове джерело доходу — вуглецеві кредити — і при цьому заощадити до 90% витрат на зразках ґрунту, починаючи з другого відбору. Ще одна перевага полягає в тому, що модель спрощує роботу клієнта. Лабораторія аналізує зразки ґрунту, а клієнт надсилає нам отримані результати. Потім ми обробляємо їх, щоб розрахувати поточні та прогнозовані рівні вуглецю. Наприкінці процесу клієнт отримує звіт або список з даними про вміст вуглецю у своєму ґрунті.

Олексій Нескоровний: Для аналітики ми використовуємо знімки високої роздільної здатності та відкриті дані із супутників Landsat, Sentinel та низки інших. Для моделювання ми можемо використовувати роздільну здатність десять метрів на піксель. Дані, такі як особливості рельєфу та початкові характеристики ґрунту, суттєво впливають на результати, оскільки рослинний покрив і рельєф визначають початковий рівень вуглецю і можуть змінити вимоги до моделі. Ми також надаємо важливі дані для точного управління сільським господарством, починаючи із зонування та метеорологічних зведень і закінчуючи аналітикою вологості ґрунту. Частина цієї інформації також необхідна для нашої SOC-моделі. EOS Data Analytics пишається тим, що надає нашим клієнтам точні та своєчасні звіти з якісною інформацією.

Регіна Уразманова: Що стосується переваг з погляду зниження наслідків змін клімату, то наша модель дозволяє оцінити, наскільки ефективними є використовувані регенеративні методи ведення сільського господарства. Адже є збереження ґрунту та різні інші практики, які спрямовані на відновлення екосистем і пом’якшення впливу парникових газів на клімат. Вимірювати їх ефективність не менш важливо.

Які Дані Потрібні Для Розрахунку Поглинання Вуглецю?

Регіна Уразманова: Щоб модель працювала правильно, ми використовуємо широкий набір даних і до 140 різних предикторів. До них належать кліматичні дані, знімки оптичних і SAR-супутників, DEM (цифрова модель рельєфу) та похідні від неї параметри, а також інформація про ґрунт.

Набір даних обов’язково має охоплювати погодні умови, характеристики ґрунту і рельєфу, індекси рослинності, а також різні супутникові дані, включно з інформацією про рослинний покрив. Оскільки ми є компанією, що працює зі супутниковими знімками, ми значною мірою покладаємося на власні висновки та звіти, і велика частина даних надходить від нас. Дані клієнта також дуже важливі для моделювання, оскільки фактичні дані про ґрунт роблять модель більш точною.

Якщо Агропідприємство Хоче Отримати Вуглецеві Кредити, З Чого Йому Слід Почати?

Олексій Нескоровний: Деякі агропідприємства беруть на себе роль розробників вуглецевих проєктів, коли починають стежити за поглинанням вуглецю і виходять на ринок вуглецевих кредитів. Існують також компанії-розробники вуглецевих проєктів, які спеціалізуються саме на практиках поглинання вуглецю. Першим кроком для обох типів організацій має стати збір проб ґрунту на вибраній ділянці протягом кількох років. Так, розробникам вуглецевих проєктів необхідно бути готовими до того, що це займе багато часу, якщо вони не мають зібраних раніше даних про ґрунт і рівні вуглецю у ньому. Потім зразки ґрунту відправляються в лабораторію, яка повинна провести їх аналіз, а також визначити кількість вуглецю і кількість глини в землі. Також необхідно зібрати дані у таких компаній, як EOSDA, які надають послуги SOC-моніторингу.

Лише після цього наша команда береться до процесу моделювання вуглецю в ґрунті. Нам необхідно знайти та завантажити або обробити початкові набори даних про погодні умови, тип і склад ґрунту, модель рельєфу, рослинний покрив або землекористування, сільськогосподарські культури, зразки ґрунту тощо. У цьому процесі ми використовуємо відкриті джерела даних, державні дані, записи платформи EOSDA Crop Monitoring, надані клієнтом, і інформацію, зібрану ним самим.

Ми можемо почати з доведення життєздатності ідеї на площі 1 000 гектарів (або 2 470 акрів) землі. Наступний крок — обробка даних, налаштування моделі для території, на якій проводиться тестування ідеї, і розрахунок органічного вуглецю в ґрунті.

Регіна Уразманова: Після цього ми переходимо до розрахунку просторового розподілу органічного вуглецю і перевірки результатів за зразками ґрунту. Цей етап дуже цікавий, тому що саме на ньому відбувається найважливіша робота — калібрування моделі, що забезпечує максимальну точність результатів. Як опція для клієнтів, які бажають отримати прогнози й заощадити до 90% на наступних пробах ґрунту, ми можемо уточнити наш аналіз, скорегувавши вміст на основі предикторів і просторового розподілу за допомогою моделі RothC. Іншими словами, ми можемо порівняти результати аналізу ґрунтового зразка з майбутніми прогнозами вмісту органічного вуглецю в ґрунті, щоб, наприклад, оцінити, на яку кількість вуглецевих кредитів може розраховувати клієнт або наскільки ефективні обрані ним методи поглинання вуглецю.

Саме така послідовність процесів врешті-решт призводить до зрозумілих даних, які можуть вплинути на реальні рішення. Потім нам необхідно підтвердити наші результати протягом погодженого періоду. Останній крок — підготовка звіту.

Ви Згадали Про Зразки Ґрунту. Як Саме В EOSDA Аналізують Ґрунт? Чи Тестували Ви Для Цього Свою Модель?

Олексій Нескоровний: По-перше, аналіз ґрунту проводить місцева лабораторія, яка має набагато глибші знання про те, як і коли брати зразки в регіоні та як правильно їх оцінювати. Хочу підкреслити, що агропідприємствам не потрібно надсилати зразки ґрунту в EOS Data Analytics. Ми працюємо з готовими лабораторними аналізами зразків.

По-друге, для нашої моделі необхідні зразки ґрунту з вмістом глини. Глина має велику площу поверхні й негативно заряджена, що дозволяє їй притягувати та утримувати воду та поживні речовини. Ця властивість впливає на рівень вологості ґрунту і визначає активність мікроорганізмів та швидкість розкладання органічних речовин, які відіграють центральну роль у динаміці поглинання вуглецю. Крім того, глина відіграє роль у захисті органічних речовин від розкладання шляхом таких процесів, як фізичний захист і хімічна стабілізація. Це впливає на швидкість обігу органічної речовини та, зрештою, на рівень вуглецю. З цієї причини ми уважно стежимо за вмістом глини у зразках ґрунту. Нам необхідний мінімум один зразок на кожні чотири-п’ять гектарів землі для достатньої точності моделі. Зразки повинні містити дані про органічний вуглець у ґрунті, вміст глини, насипну щільність і географічну прив’язку.

Регіна Уразманова: А я скажу, як EOSDA використовує дані про ґрунт у SOC-моделі. Ми моделюємо органічну речовину у зразку ґрунту на основі аналізу ґрунту. Але результати нашої SOC-моделі дають ширший розрахунок органічного вуглецю в ґрунті, ніж лабораторний звіт за зразком. Наш аналіз враховує додаткові фактори, такі як клімат, погода та інші змінні, що підвищує точність складання карти розподілу вуглецю.

Олексій Нескоровний: На цей час ми протестували цю модель в Австралії з компанією AgriProve. Це розробник технологій, пов’язаних з вуглецем у ґрунті в Австралії, що зростає найшвидше на ринку, і це наш партнер з 2022 року. Ми співпрацюємо в рамках дворічного проєкту, фінансованого урядом Австралії у вигляді гранту в розмірі 9,2 мільйона доларів. У рамках цього проєкту ми розробляємо технологію, що дозволяє використовувати різні індекси, розраховані на основі знімків оптичних і SAR-супутників. Ми також використовуємо широкий набір предикторів, тобто змінних, отриманих з різних джерел, включаючи цифрові карти рельєфу та їхні похідні, а також біокліматичні показники та характеристики ґрунту.

Аналіз органічного вуглецю в лабораторіях використовується для прямого розрахунку вмісту органічної речовини в ґрунті або інтегрується в модель RothC.

Метою нашого проєкту є створення комерційного методу органічного землеробства, регенеративного сільського господарства і поглинання вуглецю у великих масштабах. Результат має дозволити агробізнесу отримувати дохід від діяльності зі скорочення викидів вуглецю і забезпечувати стійкий прибуток на австралійському ринку.

Які Види Ґрунтів Здатні Накопичувати Вуглець?

Регіна Уразманова: Різні типи ґрунтів по-різному поглинають вуглець. Недавні дослідження показують, що, наприклад, буроземи та лучні ґрунти мають значно більшу здатність до поглинання вуглецю ^{Balasubramanian, D., Zhou, W.-J., Ji, H.-L., Grace, J., Bai, X.-L., Song, Q.-H., Liu, Y.-T., Sha, L.-Q., Fei, X.-H., Zhang, X., Zhao, J.-B., Zhao, J.-F., Tan, Z.-H., & Zhang, Y.-P. (2020). Environmental and management controls of soil carbon storage in grasslands of southwestern China. Journal of Environmental Management, 254, 109810. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109810.}. Найбільше значення для SOC-моделювання в цьому сенсі має обсяг глини в ґрунті.

Однак тип ґрунту — це лише один із факторів, що впливають на уловлювання CO2. Топографічна ситуація, клімат і погода також відіграють важливу роль. Найважливішою тут, безумовно, є раніше проведена польова робота.

Чи Надаєте Ви Ще Якісь Послуги З Реалізації Проєктів, Пов’язаних З Органічним Вуглецем У Ґрунті?

Олексій Нескоровний: Для накопичення органічного вуглецю в ґрунті необхідно дотримуватися певних практик. Наприклад, багаторічні культури поглинають більше CO2, ніж однорічні. Покривні культури та відмова від обробки ґрунту також стимулюють накопичення вуглецю. Сільськогосподарські підприємства піклуються про свій ґрунт багатьма способами, і отримання вуглецевих кредитів в результаті є для них приємним бонусом ^{Bedord, L. (2023, April 20). The truth about soil’s ability to sequester carbon. Successful Farming.}. Компанія EOS Data Analytics готова надати додаткові послуги, які допоможуть ще більше покращити стан ґрунту і, як наслідок, збагатити його вуглецем.

Ми пропонуємо два індивідуальні рішення для розширення послуг із SOC-моделювання, які ми надаємо нашим клієнтам: визначення меж полів та класифікація сільськогосподарських культур. Зупинімось на кожному з них трохи детальніше. Визначення меж полів допомагає нам визначити розмір кожного поля і встановити його межі, що значно економить час наших клієнтів під час збору даних про ділянки моніторингу вуглецю. Це індивідуальне рішення може бути використане, якщо клієнт не може надати межі своїх угідь у цифровому форматі або якщо їхня площа настільки велика, що простіше класифікувати її з космосу. Класифікація сільськогосподарських культур необхідна, оскільки різні культури мають різну здатність поглинати вуглець. Якщо територія досить велика, ручна класифікація культур може зайняти багато часу, і саме в цьому випадку спеціальне рішення EOSDA допомагає скоротити цей час. Сівозміна — це ще одна практика поглинання вуглецю, і інформація про раніше вирощені на досліджуваних землях культури також важлива. Окрім цього, наше рішення може визначити наявність покривних культур.

Коротше кажучи, наші індивідуальні рішення спрощують і автоматизують значний обсяг роботи, яку в іншому випадку розробникам вуглецевих проєктів довелося б виконувати вручну.

Крім цих двох основних рішень, ми можемо надати й інші послуги, покликані допомогти агропідприємствам досягти поставлених цілей з поглинання вуглецю. Однією з них є оцінка кількості біомаси, яка є частиною індивідуального рішення з прогнозування врожайності. Це рішення дозволяє нам передбачити очікувану врожайність на полі клієнта, оскільки оцінка базується на тенденціях історичних даних. Ще один інструмент — визначення методу обробки ґрунту. Метод безвідвальної обробки ґрунту рятує землю від ерозії та, як наслідок, запобігає витоку вуглецю. Наші можливості дистанційного зондування допомагають розробникам вуглецевих проєктів економити час, дозволяючи їм віддалено перевіряти дотримання стандартів обробки ґрунту, що позбавляє їх необхідності частого відвідування полів.

Остання можливість нашого рішення з Моделювання Органічного Вуглецю в Ґрунті, яка, ймовірно, представляє найбільший інтерес для розробників вуглецевих проєктів, — це звітність. У кожному проєкті, пов’язаному з вуглецем в ґрунті, потрібна велика кількість інформації, зокрема історичні польові дані про культури, використання добрив, методи відновлювального землеробства, поглинання вуглецю, включаючи початковий базовий рівень цього вуглецю, і багато іншого. Звітність є найпростішим способом передачі інформації про проєкт зацікавленим сторонам. Ми адаптуємо наші звіти до потреб клієнта.

Які Ваші Подальші Плани Щодо Розвитку Своїх SOC-рішень?

Регіна Уразманова: Наразі ми отримуємо численні запити від потенційних клієнтів на нові проєкти. Значний попит спостерігається саме на Моделювання Органічного Вуглецю в Ґрунті. Обробка запитів і спілкування з клієнтами дозволяють нам все глибше розуміти їхні потреби й те, чим ми можемо їм допомогти. Ми плануємо вдосконалювати наші продукти та рішення відповідно до індивідуальних потреб клієнтів на різних ринках.

Ми також зрозуміли, що у нас є вузьке місце: не у кожного клієнта є зразки ґрунту або можливості для їх збору перед початком вуглецевого проєкту. Щоб розв’язати цю проблему, наша команда прийшла до ідеї знайти місцевих партнерів у різних регіонах. Це дозволить нам забезпечити якість даних, збільшити швидкість доставлення результатів і збирати дані у форматі, який ідеально підходить для нашої SOC-моделі. Для цього ми запрошуємо будь-яку лабораторію, що аналізує зразки ґрунту і зацікавлена в співпраці, зв’язатися з нами за адресою sales@eosda.com.