SoilGrids en SoilInfo App: wereldbodeminformatie op je mobiel

Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
SoilGrids en SoilInfo App:
wereldbodeminformatie op je mobiel
Chapeau: ​Bodeminformatie, waar ook ter wereld, is nu vrij beschikbaar
We zijn er al helemaal aan gewend. Informatie over bijvoorbeeld het weer is vrij beschikbaar op het Internet,
of via een smartphone-app. Ruimtelijke informatie over de bodem echter is vaak slecht toegankelijk of lastig
te begrijpen. Het SoilGrids systeem maakt informatie over bodems van de wereld, zowel bodemsoorten als
hun eigenschappen met diepte, vrij beschikbaar.
Auteurs:
Tom Hengl (​[email protected]​) is onderzoeker ruimtelijke bodeminformatie bij ISRIC — World Soil
Information.
Gerard Heuvelink (​[email protected]​) is Universitair Hoofddocent aan de Wageningen Universiteit en
is onderzoeker ruimtelijke statistiek bij het ISRIC — World Soil Information.
Bodeminformatie wereldwijd
Via een smartphone app is het nu mogelijk eigenschappen over de bodem onder uw voeten, waar ook ter
wereld, op te vragen. Vernieuwend is ook dat de voorspelde bodemeigenschappen per bodemlaag met de
betreffende diepte worden gepresenteerd, met specificatie van de statistische boven- en ondergrens. Hoe
kwam het zo ver?
Er is wereldwijd een groeiende aandacht voor de bodem. De behoefte aan bodeminformatie neemt daarom
toe, bijvoorbeeld voor het maken van schattingen van de koolstofvoorraad op wereldschaal ten behoeve van
klimaatonderzoek, of voor het opstellen van bemestingsadviezen in de landbouw. Klimaatverandering leidt
in sommige delen van de wereld tot verdroging en bij de aanpak van dit probleem is kennis van
bodemhydrologische parameters van cruciaal belang. Bodems en bodeminformatie spelen ook een
belangrijke rol in een aantal "sustainable development goals" van de Verenigde Naties, zoals doelstelling
15.3 van de United Nations Convention to Combat Desertification (UNCCD1) die maatregelen bepleit ter
verdere toename van landdegradatie. De Voedsel- en Landbouworganisatie (Food and Agriculture
Organization, FAO) van de Verenigde Naties is met het Global Soil Partnership (GSP) zeer actief in het
verwerven en beschikbaar stellen van wereldwijde bodeminformatie. In een recent interview2 met het
tijdschrift Nature onderstreept Luca Montanarella, de voorzitter van het GSP Intergovernmental Technical
Panel on Soils, het belang van een wereld-bodeminformatiesysteem als een van de belangrijkste
doelstellingen van het GSP.
1/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
SoilGrids
Sinds de oprichting, nu 50 jaar geleden, is het "International Soil Reference and Information Centre (ISRIC —
World Soil Information)" een centrum voor referentie, informatie en kennis op het gebied van bodems van de
wereld. Sinds 2010 ontwikkelt ISRIC een werelddekkend bodeminformatiesysteem geheten "SoilGrids".
SoilGrids maakt gebruik van statistische technieken om relaties te leggen tussen bodemeigenschappen en
verklarende variabelen, zoals klimaat, geologie, landgebruik en terreinvorm. Deze relaties worden vervolgens
toegepast op gridkaarten van dezelfde verklarende variabelen. Gedetailleerde uitleg van het "automated
mapping" systeem, de beschikbare kaarten en een analyse van de nauwkeurigheid van deze kaarten staan
beschreven in Hengl et al. (2014; ​doi:10.1371/journal.pone.0105992​)3​ ​ het wetenschappelijk tijdschrift Plos
ONE. Een nieuwe versie van het SoilGrids systeem, met kaarten op een ruimtelijke resolutie van 250 meter, is
in 2016 gereed gekomen. Alle kaarten zijn beschikbaar via ​www.soilgrids.org​. Figuur 1 geeft als voorbeeld
een kaart van de zuurgraad van de bodem in de buurt van Wageningen.
Figuur 1. Voorbeeld van SoilGrids informatie ingezoomd op de omgeving rondom Wageningen: kaart van de pH van de bodem op 60 cm
diepte. De open cirkels zijn locaties met bodemgegevens gebruikt voor modelkalibratie.
Belangrijke kenmerken van het SoilGrids systeem zijn:
●
De schattingen zijn gebaseerd op globale modellen die gekalibreerd zijn met globale
bodemgegevens (één model per bodemeigenschap);
●
Schattingen zijn gemaakt voor zeven verschillende standaard dieptes zodat het systeem een 3D
bodeminformatiesysteem is;
2/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
●
Modelkalibratie gebeurt met statistische "machine learning" technieken die gebruik maken van
bodemprofielgegevens en diverse remote sensing producten (bv. MODIS bestanden en SRTM
hoogtekaarten van de wereld);
●
De kaartproductie is vrijwel volledig geautomatiseerd zodat nieuwe kaarten binnen een paar dagen
gemaakt kunnen worden wanneer meer kalibratiegegevens beschikbaar zijn;
●
SoilGrids gegevens zijn beschikbaar via de SoilGrids web-mapping interface (​www.soilgrids.org​),
een Representational State Transfer (REST) en de SoilInfo App (Figuren 2 en 3) voor mobiele
telefoon (iPhone en Android telefoons);
●
SoilGrids heeft een open data licentie en is beschikbaar voor iedereen. Het volgt dezelfde
benadering als OpenStreetMap en OpenweatherMap.
Figuur 2. Gebruikersinterface van de Soil Info App.
3/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
Figuur 3. Screenshot van de SoilInfo App met het bulkdichtheid per diepte en groupen van bodem eigenschappen beschikbaar via de
SoilInfo App.
Alle SoilGrids producten zijn gratis beschikbaar zonder beperkende voorwaarden (het volgt de Share-Alike
licentie). De beoogde gebruikersgroep van SoilGrids is divers. Enkele belangrijke gebruikers zijn:
●
Het "International Soil Modeling Consortium" (ISMC). ISMC gebruikt SoilGrids als invoer voor een
globaal energie- en waterkringloop project en het Ocean-Land-Atmosphere model. Door integratie
van bodeminformatie in dit model ontstaat de mogelijkheid interactie en terugkoppeling tussen
bodem, grondwater en atmosfeer tot stand te brengen;
● Het UNCCD van de Verenigde Naties: SoilGrids kan gebruikt worden als een vertrekpunt om de
ondergrondse biomassa te kwantificeren en daarmee een bijdrage leveren aan de beoogde "Land
Degradation Neutrality";
●
Bill Gates Foundation met het "Africa Soil Information Service" project dat onder andere tot doel
heeft landbouwadviezen aan Afrikaanse boeren te geven;
●
Conservation International: dit initiatief gebruikt kaarten van bodemeigenschappen ter
ondersteuning van bodembeschermingsprojecten;
4/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
●
www.isric.org
Nationale bodemkarteerinstituten: SoilGrids kan worden gebruikt voor het vullen van gaten of voor
correlatie van SoilGrids aan nationale bestanden.
Machine Learning
De huidige versie van SoilGrids geeft 3D schattingen van verschillende numerieke bodemeigenschappen
(zoals organische stofgehalte, bulkdichtheid, kationenomwisselingscapaciteit, pH, bodemtextuur,
stenigheid, diepte tot hard gesteente) en van het bodemtype (World Reference Base en USDA Soil
Taxonomy). De schattingen zijn gebaseerd op "machine learning" algoritmen die getraind zijn met gegevens
uit globale databases. De hoge resolutie van 250 meter in combinatie met werelddekking maakt dat de
kaarten ongeveer 950 miljoen pixels bevatten. Diverse soorten "machine learning algorithms" (MLA) zijn
gebruikt, zoals multinomiale logistische regressie, "gradient boosting", en "random forests",
geïmplementeerd in het softwarepakket en de programmeertaal "R".
Het gebruik van MLA blijkt van grote waarde voor SoilGrids, omdat: (a) het complexe niet-lineaire relaties
tussen bodemvormende factoren en bodemeigenschappen kan destilleren uit de kalibratiegegevens; en (b)
de gebruikte MLA technieken veelal gebruik maken van een boomstructuur, waardoor relaties die alleen
lokaal geldig zijn, toch kunnen worden meegenomen als aparte tak aan de boom.
Wat zijn de beperkingen van SoilGrids?
De SoilGrids kaarten zijn natuurlijk niet perfect en geven slechts een schatting van het werkelijke bodemtype
en de werkelijke bodemeigenschappen. Voor veel van de bodemeigenschappen zijn de
betrouwbaarheidsmarges nog groot (bijvoorbeeld als het percentage organische stof wordt geschat als
2.0% dan ligt de werkelijke waarde met 67% zekerheid tussen 0.9% en 4.2%; een pH schatting van 6.5 geeft
een 67% zekerheid tussen 6.0 en 7.0). Figuur 4 geeft hiervan een voorbeeld, waarbij de
betrouwbaarheidsmarges niet getoond worden maar wel opvraagbaar zijn. ISRIC werkt continu aan
verbetering van de kwaliteit van het product. Andere uitdagingen en verbetermogelijkheden zijn:
1. SoilGrids kalibreert modellen op bodemgegevens van diverse bronnen die op zeer verschillende
manieren verzameld zijn. Harmonisatie van de gegevens wordt zoveel mogelijk nagestreefd en
uitgevoerd, maar is niet altijd volledig mogelijk. Veel van de gegevens zijn ook verouderd en dit geeft
problemen voor dynamische bodemeigenschappen. Er zit "ruis" op de gegevens die zich voortplant
naar de kaarten.
2. De ruimtelijke dichtheid van de gebruikte bodemgegevens is zeer verschillend: landen zoals de
Verenigde Staten van Amerika hebben een hoge dichtheid van publiekelijk beschikbare
bodemgegevens en zijn verhoudingsgewijs oververtegenwoordigd. Voor een groot aantal landen in
de wereld zijn weinig tot geen bodemgegevens beschikbaar zodat schattingen in deze landen zijn
gebaseerd op gegevens in andere, vergelijkbare gebieden. De gebieden met de minste dekking zijn
moerasgebieden en veengronden in de tropen, het tropisch regenwoud, en alpiene, aride, semi-aride
en arctische gebieden.
3. Sommige belangrijke bodemvormende factoren zijn onvoldoende vertegenwoordigd in de kaarten
met verklarende variabelen die door de "machine learning" algoritmen gebruikt worden. Er zijn geen
5/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
betrouwbare en gedetailleerde wereldkaarten van moedermateriaal en geomorfologie (bijvoorbeeld
voor de vaststelling van glaciale en fluviatiele landschappen).
Figuur 4. Kaart van gehalte aan organische stof op 30 cm diepte voor de regio New York. Inzet: verticaal profiel van organische stof en
zuurgraad van de bodem voor willekeurige lokatie in de regio.
Bovengenoemde beperkingen leiden tot fouten en onzekerheden in de resulterende kaarten. Er zijn mogelijk
ook systematische afwijkingen, zoals in schattingen van de hoeveelheid organische koolstof in Rusland. De
meest voor de hand liggende methode om de schattingen te verbeteren, is meer gegevens te gebruiken, met
name uit gebieden die sterk ondervertegenwoordigd zijn en waar sprake is van extrapolatie.
SoilGrids ontwikkelingen
De komende jaren zal SoilGrids verder worden uitgebouwd. Een belangrijke volgende stap is een verdere
verhoging van de ruimtelijke resolutie naar 100 meter, gepland in 2017. Daarnaast zal de functionaliteit
worden uitgebreid (robuustere interfaces; API's), evenals het aantal bodemeigenschappen (bijvoorbeeld
micronutriënten). De nauwkeurigheid zal verder worden verbeterd, met name door uitbreiding van het aantal
kalibratiegegevens en verklarende variabelen. We zullen ook methoden ontwikkelen die het mogelijk maken
om SoilGrids kaarten en lokale en nationale kaarten te combineren en aldus een gecombineerd product te
maken dat nauwkeuriger is dan elk van de twee onderdelen.
De verdere ontwikkeling van SoilGrids is voorzien in samenwerking met partners en gebruikers. Gebruikers
kunnen SoilGrids en de Soil Info App testen en hun ervaringen delen met het ontwikkelteam. Dit kan
bijvoorbeeld tijdens de ISRIC Spring School die ISRIC jaarlijks organiseert (Figuur 5). Producenten van lokale
en regionale bodeminformatie kunnen hun methodieken delen met de ontwikkelaars van SoilGrids en
6/7
Preprint Tijdschrift Bodem (augustus 2016)
www.isric.org
afspraken maken over standaarden. Tenslotte hopen we dat eigenaars van bodeminformatie bereid zijn hun
bodeminformatie met ons te delen. Het verzamelen van bodeminformatie is een kostbare zaak, maar helaas
gaat veel bodeminformatie verloren na afloop van een project. De ISRIC WOSIS database bewaart
bodemgegevens op een veilige en toegankelijke manier. De bodemgegevens blijven eigendom van de
toeleverancier en staan ook als zodanig geregistreerd. Indien de eigenaar dit toestaat kunnen we de
gegevens gebruiken voor een verbetering van SoilGrids. Zo wordt de verzameling en verwerking van
bodemgegevens een gezamenlijke inspanning en werken we samen aan het vrij beschikbaar maken van
betrouwbare wereldbodeminformatie.​ Doe er uw voordeel mee!
Figuur 5. Sinds 2013 organiseert ISRIC jaarlijks een Spring School waar professionals leren werken met de gegevens en
software tools waarmee SoilGrids wordt geproduceerd.
Bronnen:
1. ​http://www.unccd.int/
2. ​http://www.nature.com/news/agricultural-policy-govern-our-soils-1.18854
3. ​http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0105992
7/7