[論文レビュー] Towards the reproducibility in soil erosion modeling: a new Pan-European soil erosion map

Claudio Bosco, Daniele de Rigo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Soil erosion and sediment transport参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、公開データセットとオープンソースソフトウェアを用いて、修正されたRUSLEモデルを用いた再現可能でパンヨーロッパ圏の土壌侵食地図を提示する。相対距離類似度に基づく新しい気候アンサンブルモデルを用いて7つの経験的降雨侵食性方程式を統合することで、空間的に一貫性があり、検証済みのR要因地図が得られ、ヨーロッパ全域における環境モデリングの透明性と再利用可能性が向上する。

ABSTRACT

This is the authors’ version of the work. It is based on a poster presented at the Wageningen Conference on Applied Soil Science, http://www.wageningensoilmeeting.wur.nl/UK/ Cite as: Bosco, C., de Rigo, D., Dewitte, O., Montanarella, L., 2011. <strong>Towards the reproducibility in soil erosion modeling: a new Pan-European soil erosion map</strong>. <em>Wageningen Conference on Applied Soil Science “Soil Science in a Changing World”</em>, 18 - 22 September 2011, Wageningen, The Netherlands. Author’s version DOI:10.6084/m9.figshare.936872 arXiv:1402.3847 <strong><br></strong> <strong><br></strong> <strong>Towards the reproducibility in soil erosion modeling:</strong><br><strong>a new Pan-European soil erosion map</strong> <strong><br></strong> Claudio Bosco ¹, Daniele de Rigo ¹ ² , Olivier Dewitte ¹, Luca Montanarella ¹ <br><br> ¹ European Commission, Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability,<br>Via E. Fermi 2749, I-21027 Ispra (VA), Italy<br>² Politecnico di Milano, Dipartimento di Elettronica e Informazione,<br>Via Ponzio 34/5, I-20133 Milano, Italy <br> Soil erosion by water is a widespread phenomenon throughout Europe and has the potentiality, with his on-site and off-site effects, to affect water quality, food security and floods. Despite the implementation of numerous and different models for estimating soil erosion by water in Europe, there is still a lack of harmonization of assessment methodologies. Often, different approaches result in soil erosion rates significantly different. Even when the same model is applied to the same region the results may differ. This can be due to the way the model is implemented (i.e. with the selection of different algorithms when available) and/or to the use of datasets having different resolution or accuracy. Scientific computation is emerging as one of the central topic of the scientific method, for overcoming these problems there is thus the necessity to develop reproducible computational method where codes and data are available. The present study illustrates this approach. Using only public available datasets, we applied the Revised Universal Soil loss Equation (RUSLE) to locate the most sensitive areas to soil erosion by water in Europe. A significant effort was made for selecting the better simplified equations to be used when a strict application of the RUSLE model is not possible. In particular for the computation of the Rainfall Erosivity factor (R) the reproducible research paradigm was applied. The calculation of the R factor was implemented using public datasets and the GNU R language. An easily reproducible validation procedure based on measured precipitation time series was applied using MATLAB language. Designing the computational modelling architecture with the aim to ease as much as possible the future reuse of the model in analysing climate change scenarios is also a challenging goal of the research. <strong><br></strong> <strong><br></strong> <strong>References</strong> <br>[1] Rusco, E., Montanarella, L., Bosco, C., 2008. Soil erosion: a main threats to the soils in Europe. In: Tóth, G., Montanarella, L., Rusco, E. (Eds.), Threats to Soil Quality in Europe. No. EUR 23438 EN in EUR - Scientific and Technical Research series. Office for Official Publications of the European Communities, pp. 37-45 [2] Casagrandi, R. and Guariso, G., 2009. Impact of ICT in Environmental Sciences: A citation analysis 1990-2007. Environmental Modelling &amp; Software 24 (7), 865-871. DOI:10.1016/j.envsoft.2008.11.013 [3] Stallman, R. M., 2005. Free community science and the free development of science. PLoS Med 2 (2), e47+. DOI:10.1371/journal.pmed.0020047 [4] Waldrop, M. M., 2008. Science 2.0. 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研究の動機と目的

• ヨーロッパ全域における統一された土壌侵食評価手法の不足に対処すること。
• 公開データセットとフリーなソフトウェアを用いることで、土壌侵食モデリングの再現可能性を向上させること。
• 環境モデリングのための透明性が高く、モジュラーな計算フレームワークを構築すること。
• 経験的方程式に基づく気候アンサンブルモデルを用いて、ヨーロッパ全域の降雨侵食性要因（R）を推定すること。
• 将来的な気候変動影響評価へのモデル統合を可能にすること。

提案手法

• 精度向上のための石質補正係数を含む改訂版RUSLEモデルを適用した。
• 公開データセットを用いた：E-OBS（降水量）、SGDBE（土壌特性）、SRTM（標高）、CORINE（土地被覆）。
• 再現可能性を確保するため、GNU RおよびGNU Octaveを用いてR要因の計算を実装した。
• 26の気候指標を基に、相対距離類似度（RDS）を用いて7つの経験的侵食性方程式を統合する気候アンサンブルモデルを開発した。
• ターゲット地域との類似度に基づいて、経験的モデルの重み付き中央値集約を実施した。
• モジュラーで再利用可能な環境モデリングのための軽量で意味論的制約付きのソフトウェアアーキテクチャを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 公開データとフリーなソフトウェアのみを用いて、ヨーロッパ全域で土壌侵食モデリングを再現可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 経験的降雨侵食性方程式の地理的有効範囲を拡張する最も効果的な方法は何か？
• RQ3 気候的類似度をどのように定量化すれば、侵食性要因の空間的外挿を堅牢に行えるか？
• RQ4 再現可能でオープンソースのフレームワークは、パンヨーロッパ圏の土壌侵食地図作成における一貫性と透明性を向上させられるか？
• RQ5 このようなモデルは、将来的な気候変動影響評価にどのように適合させられるか？

主な発見

• 気候アンサンブルモデルにより、相対距離類似度を用いて、7つの経験的侵食性方程式の有効範囲が元の地理的領域を超えて拡張された。
• R要因地図は、公開データセットとオープンソースツール（GNU R、検証用にMATLAB）のみを用いて一貫性があり再現可能な方法で生成された。
• 意味的アレイプログラミングと自己文書化コードにより、高い透明性とモularityが実現された。
• 類似度指標に基づいて、アンサンブルR要因推定の信頼性を定性的に評価するための信頼性マップが生成された。
• 将来的に土地被覆、植生、気候変動の影響に関する土壌侵食への影響をモデリングするための再利用が可能なフレームワークとして設計された。
• 最終的な土壌侵食地図は、統合されたRUSLE要因に基づき、地中海地方およびアルプス地方を中心に、ヨーロッパ全域で高リスク地域を特定した。