[논문 리뷰] Towards the reproducibility in soil erosion modeling: a new Pan-European soil erosion map

Claudio Bosco, Daniele de Rigo외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

Soil erosion and sediment transport참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공개 데이터셋과 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 수정된 RUSLE 모델을 적용해 재현 가능하고 페나유럽 규모의 토양 침식도를 제시한다. 상대적 거리 유사도 기반의 새로운 기후 집합 모델을 활용해 7개의 경험적 강우 침식성 방정식을 융합함으로써, 공간적으로 일관되고 검증된 R요소 지도를 생성하여 유럽 전역에서 환경 모델링의 투명성과 재사용 가능성을 향상시킨다.

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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연구 동기 및 목표

• 유럽 전역에서 통합된 토양 침식 평가 방법론의 부족을 해결하기 위해.
• 공개 데이터셋과 무료 소프트웨어를 활용해 토양 침식 모델링의 재현 가능성을 향상시키기 위해.
• 환경 모델링을 위한 투명하고 모듈식인 계산 프레임워크를 개발하기 위해.
• 경험적 방정식 기반의 기후 집합 모델을 활용해 유럽 전역의 강우 침식성 요소(R)를 추정하기 위해.
• 향후 기후 변화 영향 평가에 모델을 통합할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 정확도 향상을 위해 수정된 RUSLE 모델에 돌기질 보정 요소를 적용하였다.
• 공개 데이터셋 사용: E-OBS(강수량), SGDBE(토양 특성), SRTM(고도), CORINE(지형 이용).
• 재현 가능성을 확보하기 위해 GNU R과 GNU Octave를 사용해 R 요소 계산을 구현하였다.
• 26개의 기후 지표를 기반으로 상대적 거리 유사도(RDS)를 활용해 7개의 경험적 침식성 방정식을 융합한 기후 집합 모델을 개발하였다.
• 목표 지역과의 유사도를 기반으로 경험적 모델의 가중 중앙값 집계를 적용하였다.
• 모듈식이고 재사용 가능한 환경 모델링을 위한 경량이며 의미론적으로 제약된 소프트웨어 아키텍처를 설계하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개 데이터와 무료 소프트웨어만을 사용해, 어떻게 토양 침식 모델링을 유럽 전역에서 재현 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ2 경험적 강우 침식성 방정식의 지리적 적용 범위를 어떻게 효과적으로 확장할 수 있는가?
• RQ3 기후 유사도는 어떻게 정량화할 수 있으며, 이를 통해 침식성 요소의 공간적 외삽을 어떻게 강력하게 보장할 수 있는가?
• RQ4 재현 가능하고 오픈소스 기반의 프레임워크는 페나유럽 규모의 토양 침식도 작성의 일관성과 투명성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이러한 모델은 향후 기후 변화 영향 평가에 어떻게 적응 및 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 기후 집합 모델은 상대적 거리 유사도를 활용해 7개의 경험적 침식성 방정식이 원래 적용 범위를 초월한 지역에 대해서도 유효성을 확보하였다.
• 공개 데이터셋과 오픈소스 도구(GNU R, 검증용 MATLAB)만을 사용해 일관되고 재현 가능한 방법으로 R 요소 지도를 생성하였다.
• 의미론적 어레이 프로그래밍과 자가 문서화된 코드를 통해 높은 수준의 투명성과 모ularity를 달성하였다.
• 유사도 지표를 기반으로 신뢰성 지도를 생성하여 집합 R-요소 추정의 신뢰도를 정성적으로 평가하였다.
• 향후 토지 이용, 식생, 기후 변화가 토양 침식에 미치는 영향을 모델링하기 위해 재사용 가능한 프레임워크로 설계되었다.
• 최종 토양 침식도는 통합된 RUSLE 요소를 기반으로, 특히 지중해 지역과 알프스 지역에서 높은 위험 지역을 규명하였다.