Mapping Coastal Forest Retreat Using Convolutional Neural Networks and Different Satellite Imagery
本研究利用卷积神经网络和多源卫星图像来证明，结合物候指数和地形指数可以提高幽灵森林的检测能力，从而揭示了在1985年至2021年间，由于海平面上升、盐度增加以及与河道的接近程度，北卡罗来纳州有21%的沿海森林因此丧失，且向沼泽和幽灵森林转化的速率在过去十年中显著增加。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在美国东部低洼的海岸线上，一场无声的变革正在重塑景观。几个世纪以来，海水与淡水森林在陆地边缘交汇，但不断上升的海平面和移动的潮汐正将这一边界向内陆推进。当海水侵入树木无法承受的土壤时，这些树木并不仅仅是倒下；它们静静地伫立着，叶片变褐，枝干枯秃，创造出一种被称为“幽灵森林”的寂静、骨骼般的景观。随着时间的推移，这些枯死的树木会被耐盐的草本植物和灌木取代，最终，这片土地会变成开阔的沼泽或水域。这一过程由海洋的缓慢入侵和土壤盐分的增加所驱动，是气候变化的一个可见迹象，但精确追踪其发生的位置和速度一直是一个难题。科学家们不仅需要知道森林正在消失，还需要知道哪些具体因素——例如树木距离水道有多远，或者地面海拔有多高——正在导致树木死亡，以便将保护工作集中在最需要的地方。
为了破解这个谜题，研究人员转向了卫星图像与先进计算机学习相结合的方法。他们将目光锁定在北卡罗来纳州广阔的海岸地带，该地区以海平面上升迅速以及淡水沼泽、高地森林和盐沼交错而闻名。团队利用两种不同类型的卫星来观察这一景观随时间的变化。其中一种卫星是陆地卫星（Landsat），它已经在绕地球运行数十年，提供了长期的土地历史记录，尽管其图像略显模糊。另一种是哨兵-2号（Sentinel-2），它较新，能够捕捉到更清晰、更详细的照片，但存在的时间较短。研究人员希望看看能否利用这些图像来教计算机如何识别健康绿色森林、死去的灰色幽灵森林以及通常生长在两者之间的灌木丛之间的细微差别。他们意识到，观察不同季节的土地至关重要，因为健康的树木遵循可预测的周期：春季变绿，冬季落叶，而死去的树木和灌木则不遵循这种节奏。
科学家们构建了一个可以学习识别这些模式的计算机模型。该模型并非仅仅观察土地的单一快照，而是输入了追踪植被随季节变化的数据。他们还加入了关于土地形状的信息，如高度和坡度，以及距离河流和运河的距离。通过用成千上万个关于健康森林、幽灵森林和沼泽特征的实例来训练计算机，他们创建了一个能够以极高精度绘制这些变化的系统。在测试模型时，清晰的哨兵-2号图像表现得略优于较旧的陆地卫星图像，几乎在所有情况下都能正确识别土地覆盖类型。然而，研究人员发现，陆地卫星提供的长期数据对于理解过去几十年间景观变化的完整过程仍然至关重要。
利用现有的最佳数据，团队绘制了从1985年到2021年的海岸平原图。结果揭示了一场剧烈的转变。在这三十六年间，该地区失去了约21%的森林覆盖。在研究的前期，即1985年至2010年间，森林流失非常显著，但在过去十年中，这种速度急剧加快。仅在2010年至2021年间，就有近24,000公顷的森林被转化为沼泽、幽灵森林或灌木丛。这一流失率比前二十五年的流失率高出了一点五倍。研究表明，这种转变并非随机发生，而是由特定的环境压力驱动的。森林距离水渠越近，死亡的可能性就越大，因为这些渠道充当了海水向内陆移动的通道。土壤中的高盐度水平和加速的海平面上升是预测幽灵森林出现的最强因素。
研究人员还发现，景观的变化方式非常复杂，不仅仅是简单的“森林转沼泽”。虽然许多树木正在死亡并变成幽灵森林，但另一些树木正被灌木取代，甚至有些地区在曾经的农地上长出了新的森林。然而，整体趋势是退缩。研究证实，森林的流失集中在靠近海岸的低洼地区，但也正沿着排水沟和运河向内陆推进。研究结果表明，随着海平面的持续上升和极端天气事件变得更加频繁，对这些海岸生态系统的压力只会愈发剧烈。通过提供一份关于这些变化何时何地发生以及为何发生的清晰、详细的地图，这项研究为规划者和环保人士提供了一个至关重要的工具。它突出了受盐水侵蚀影响最严重的特定区域，从而使人们能够采取针对性措施，在为时已晚之前保护残存的森林，或管理向新的耐盐生态系统的过渡。
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