Speuren naar suikerriet

Bij de afdeling Geoscience and Remote Sensing van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen doen ze onder andere aan aardobservatie: met beelden uit de ruimte bestuderen ze diverse verschijnselen op aarde. Dit kan op grote schaal en tegelijk ook gedetailleerd. Deze techniek wordt niet alleen voor GPS-navigatiekaarten en weersvoorspellingen gebruikt. Met satellietfoto’s kun je bijvoorbeeld de diverse types landbedekking van een heel land in kaart brengen, zoals bos, water en akkerland. De beelden zijn zo scherp dat je in kunt zoomen op een akker, en kunt zien welk gewas er verbouwd wordt. Zou je ook kunnen zien op welke plek de grootste planten staan? Promovendus Ramses Molijn: “Vooral dat laatste is een hele uitdaging, want inzoomen op gewassen om verschillen in massa in te schatten, dat was bij onze afdeling nog niet eerder gedaan.”

In 2013 zijn TU Delft en de universiteit van Campinas in Brazilië gestart met gezamenlijke promotietrajecten vanuit het Be-Basic consortium. Be-Basic, een Delftse publiek-private samenwerking richt zich op onderzoek naar de ‘bio-based economy’. De onderzoeksvraag van Molijn luidt: ‘Kun je op grote schaal veranderingen van landbedekking en de productiviteit van gewassen monitoren?’ Informatie over de productiviteit van gewassen kan worden ingezet voor het verbeteren van de oogst. Door de veranderende landbedekking door de jaren heen te analyseren hoopt het consortium input te krijgen voor de vervolgvraag: ‘Wat zijn de gevolgen van de toenemende productie van energiegewassen zoals suikerriet in Brazilië?’

Bio-energie is big business in Brazilië, waar 40% van de auto’s op uit suikerriet gewonnen biobrandstof rijdt. Gebruik van deze hernieuwbare energiebron resulteert in een verminderde uitstoot aan CO2 en in een bloeiende economie. In de staat São Paulo is men daarom gedurende de laatste decennia steeds meer suikerriet gaan verbouwen.

Vanuit de ruimte

De benodigde Remote Sensing beelden worden door satellieten verzameld. Molijn gebruikt twee instrumenten om een betrouwbare dataset te creëren: een optische sensor meet op basis van lichtstralen en een radar op basis van radiogolven. De optische foto’s zijn zeer gedetailleerd, één pixel kan wel twee bij twee meter tonen, maar de beelden zijn onbruikbaar als er een wolk tussen het beeld en het aardoppervlak hangt. Omdat Brazilië regenseizoenen kent gebruikt Molijn ook weersonafhankelijke radarbeelden. Molijn heeft samen met Postdoc Lorenzo Iannini een model ontwikkeld om de beelden te combineren en te analyseren. De verschillende types landbedekking moeten correct waargenomen en ingedeeld worden.

Veldwerk

Om te controleren of het model de beelden wel juist verwerkt, ging Molijn naar Campinas in Brazilië. Met behulp van Braziliaanse mede-promovendi verrichtte hij duizenden metingen in gebieden met verschillende soorten landbedekking. Daarnaast werden er heel wat dagen doorgebracht in suikerrietvelden, waarbij het riet onder meer gewogen en opgemeten werd. Het veldwerk was behoorlijk intensief: ”We maakten lange dagen van 12 uur. Met een jeep doorkruisten we een gebied met kleine, modderige weggetjes. Het riet is daar tot wel 4 meter hoog, en de bladeren zijn vlijmscherp. Je moet je daarom helemaal inpakken, ongeacht het weer. En in de zomer kan het wel 40 graden Celsius worden.”

Big data

Het resultaat mag er zijn: Molijn is er met zijn model in geslaagd om onderscheid te maken tussen diverse types grondbedekking, zoals weiland en bos, en zelfs tussen gewassen zoals sojabonen en suikerriet. Aan de hand van zijn resultaten analyseerde hij vervolgens de veranderende grondbedekking van de staat São Paulo, die 6 keer zo groot is als Nederland. Hij verwerkte Remote Sensing gegevens van 2003 tot 2015 tot een dataset. Met behulp van een supercomputer kon hij maar liefst 3,3 terabytes aan big data binnen twee weken verwerken. Daar zou een gewone computer anderhalf jaar mee bezig zijn. Molijn: “Het is best wel een doorbraak. Een paar jaar geleden was dit alleen op kleinere schaal of met veel minder detail mogelijk. We hebben nu laten zien dat je het model op grote gebieden kan toepassen. Het model is schaalbaar en daarmee breed toepasbaar: overheden kunnen bijvoorbeeld controleren of hun landbouwsubsidies wel goed worden toegepast of ontbossing en illegale houtkap op het spoor komen. Boeren kunnen meer inzicht krijgen in de productiviteit van hun grond: op een akker kun je aanwijzen waar het riet dikker en dichter groeit en welk deel van de akker meer aandacht nodig heeft. ”

Duurzaam?

Het is Molijn gelukt om op grote schaal de veranderingen in landbedekking te monitoren. Het onderzoek bevestigde dat de aanplant van suikerriet in São Paulo de afgelopen jaren veel is toegenomen, en wel met meer dan 50%. Dit is vooral ten koste gegaan van weilanden, en daarmee de veeteelt. De veestapel is niet verdwenen maar verhuisd: in noordelijke staten zien we nu weilanden waar eerder nog regenwoud stond. Het lijkt erop dat de productie van het duurzame suikerriet indirect een negatieve impact op het ecosysteem heeft. Molijn verbindt zelf geen conclusies of adviezen aan de resultaten van zijn onderzoek. Zijn metingen zijn objectief. Dat is ook niet nodig, omdat de Universiteit Utrecht de resultaten gebruikt voor het opstellen van duurzaamheidsimpactmodellen en conclusies.

Hoe verder?

Molijn richt zich nu eerst op publiceren en daarna op het afronden en verdedigen van zijn proefschrift, zowel in Delft als in Campinas. En hoe gaat het verder met het onderzoek? “In 2013 moest de rails nog worden gelegd en de locomotief nog gebouwd. De trein komt nu goed op stoom. Er is nog genoeg te doen, dus ik hoop dat er een nieuwe promovendus aan boord springt!”