Novel Use of Local Climate Zones: Urban Form-based Method for Carbon Sink Assessment using Convolutional Neural Network
本研究は、ローカル気候区分（LCZ）マップと畳み込みニューラルネットワーク（CNN）モデルを統合することで、都市の炭素吸収量を推定するための新たな都市形態に基づく手法を提案しており、低密度の市街地（LCZ 5、6、および9）がより高い炭素固定能を有することを示すとともに、LCZマップの精度に対する感度があるにもかかわらず、高い推定精度を実現していることを実証している。
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都市は絶えず変化しており、より多くの人々が流入するにつれて、より高く、より高密度へと成長しています。この拡大は、空気を自然に浄化してくれる緑地をしばしば押し出し、都市環境がいかにまだ炭素を吸収できるのかを理解する必要性を生み出しています。これに取り組むため、科学者たちは、建物や土地がどのように配置されているかに基づいて、都市の物理的な形状を明確な近隣地域へと分類する方法を開発しました。彼らはこれらのカテゴリーを「ローカル・クライメート・ゾーン（局所気候帯）」と呼んでおり、これは建物の高さ、密度、表面素材によって、高層ビルが密集した地区から低層の開放的なエリア、そして密な森林に至るまで、エリアをグループ化するシステムです。これと並行して、「カーボンシンク（炭素吸収源）」という概念は、樹木や草などの植生が二酸化炭素を大気中から取り込み、貯蔵する自然の能力を指します。都市が温室効果ガスの削減という世界的な目標達成を目指す中で、残された緑地がどれだけの炭素を捕捉できるかを正確に把握することは、都市計画家や環境保護活動家にとって極めて重要な課題となっています。
研究チームは最近、複雑な都市景観の中でこの炭素捕捉能力を測定するための、より速く、よりシンプルな方法を見つけ出そうと試みました。個々の樹木を一つひとつ詳細に調査するという、時間がかかる調査に頼る代わりに、彼らは都市のゾーニングマップと、「畳み込みニューラルネットワーク」として知られる一種のコンピュータプログラムを組み合わせました。このプログラムを、都市ゾーンの地図を見て、炭素がどれだけ貯蔵されているかを予測するために、瞬時にパターンを認識できる高度に訓練された「目」だと考えてください。チームはこの手法を、非常に異なる2つの台湾の都市、すなわち高層ビルが高密度に存在する賑やかな大都市である台北と、低層および中層の構造物が混在する小規模な都市である嘉義でテストしました。彼らはまず、両都市において樹木や緑地がどこに存在するかを示す詳細な地図を作成し、各エリアが吸収できる正確な炭素量を算出しました。次に、これらの地図をコンピュータモデルに入力し、都市ゾーンの視覚的パターンと炭素データとの関連付けを学習させました。
結果は、都市の形状とその炭素貯蔵能力との間に、明確かつやや驚くべき関係があることを明らかにしました。研究によると、最も効果的なカーボンシンクは、必ずしも最も密な森林だけではなく、特定の種類の市街地も含まれていました。特に、低層の建物が多く開放的なスペースがある近隣地域、例えば、低層の構造物が点在しているエリアや、開発がまばらなエリアは、高い炭素貯蔵ポテンシャルを示しました。これは、都市の開発がそれほど集中的でない場合、植生が成長し繁茂するためのスペースが単純により多く存在するため、樹木や低木がより多くの炭素を捕捉できることを示唆しています。コンピュータモデルは台北においてこれらの関係を学習することに非常に成功し、実世界のデータと密接に一致する高い精度で炭素レベルを予測することができました。しかし、嘉義に適用した際には、使用された都市ゾーンの地図にエラーが含まれていたため、モデルは苦戦しました。嘉義では、一部の自然エリアが誤って市街地ゾーンとしてラベル付けされており、それがコンピュータを混乱させ、不正確な予測を導きました。
この不一致は、極めて重要な教訓を浮き彫りにしました。すなわち、この新しい手法の成功は、基礎となる都市地図の正確さに完全に依存しているということです。もし地図が森林を駐車場と定義していれば、コンピュータは炭素貯蔵について間違った推測をすることになります。こうした限界はあるものの、本研究は、これらのゾーニングマップとスマートなコンピュータアルゴリズムを組み合わせることが、都市全体のカーボンシンクを推定するための強力で費用対効果の高いツールとなることを示しています。研究者たちは、この手法は都市データが正確である場合に最も効果的であるものの、従来の労働集約的な測定技術に代わる、はるかにシンプルな選択肢を提供すると結論付けました。どの都市形態が最も緑の成長を支えるかを理解することで、都市計画家は、気候変動と戦うために役立つ空間を保護または創出するためのより良い決定を下すことができ、都市が成長し続ける中でも、地球のために呼吸し続けることを確実にできるのです。
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