Als bomen praten konden…

Ontwikkeling van een online webapplicatie voor klimaatwetenschappers: jaarringen annoteren op 3D-beelden
door Dries Vangansbeke (2020)
Promotor(en): Prof. dr. ir. Jan Van den Bulcke
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
In het kader van zijn masterproef ontwikkelde Dries Vangansbeke, student industrieel ingenieur, een webtool om jaarringen van bomen te annoteren om ze vervolgens te kunnen analyseren. Bomen zijn niet enkel de longen van onze planeet, ze kunnen ons ook heel wat vertellen over klimatologische omstandigheden uit het verleden. Hun jaarringen tonen ons of zich daarin evoluties en veranderingen voordeden en vormen zo een enorm belangrijke schat aan informatie in de strijd tegen klimaatverandering.
Redactie Heleen Schockaert

We spreken Dries midden september, uiteraard via Skype, geheel Coronaproof. Intussen worden er (alweer) recordtemperaturen gemeten. De urgentie van de klimaatproblematiek dringt zich steeds duidelijker aan ons op.

Waarom koos je een duurzaam thema voor jouw thesis?
Ik wou iets doen rond een actueel thema. De klimaatmarsen hebben mij heel wat bewustzijn rond de klimaat- en duurzaamheidsproblematiek bijgebracht. Toen ben ik beginnen zoeken naar een manier waarop ik met mijn kennis een steentje kon bijdragen. Ik werd enorm aangetrokken door het idee om mijn IT kennis te combineren met de problematiek rond bomen en de rol die zij spelen in het hele klimaatverhaal. Zo kwam ik bij Woodlab terecht.

Woodlab is een onderzoeksgroep die deel uitmaakt van het Department of Environment aan de UGent. Zij spitsen zich toe op allerlei onderzoek rond klimaatverandering, bescherming van biodiversiteit en nog veel meer. Hoe verliep de samenwerking met hen? Ik had twee contactpersonen. Eén professor van onze vakgroep en een post-doc van de bio-ingenieurs. De samenwerking was vrij intensief. Ik ben bij hen terechtgekomen omdat er al een project liep waarbij IT werd ingezet bij de analyse van bomen. Concreet hadden ze een tool ontwikkeld in MATLAB, een wiskundig programma dat niet zo toegankelijk is. Bovendien was hun tool helemaal niet modulair, hetgeen een grote belemmering vormde. Op een bepaald moment wilden zij hier bijvoorbeeld een uitbreiding voor ontwikkelen, maar dit bleek niet mogelijk. Woodlab is vervolgens op zoek gegaan naar iemand met wat diepgaandere kennis rond ICT en elektronica. Toen hebben ze mij ingeschakeld.

Hoe gaat zo’n annotatie van boomringen precies in zijn werk en waar schuilt de sterkte van de webtool die jij uiteindelijk ontwikkelde tegenover de MATLAB tool?
In de eerste stap van het proces wordt met een holle boor een stukje uit de boom gehaald. Deze cilindervormige spaan wordt vervolgens gescand. Deze werkwijze zorgt ervoor dat de boom zo weinig mogelijk beschadigd wordt en al zeker niet gekapt moet worden om info te halen uit de jaarringen.

De CT-scan die wordt uitgevoerd op de spaan gebeurt volgens hetzelfde principe als een botscan bij mensen. Er worden een heleboel afbeeldingen gegenereerd die vervolgens worden samengelegd met een 3D reconstructie als resultaat. Deze reconstructie is bijna 100 procent representatief aan het fysieke object. Met die 3D scan kunnen ze de densiteit, dus de dichtheid van die houtcellen een op een laten overeenstemmen met de voxel waarde (in zo’n 3D structuur gebruikt men voxels in plaats van pixels). Op die manier kunnen ze verschillende berekeningen doen en een densiteitprofiel samenstellen. Daarmee kunnen ze meten hoe en wanneer een jaarring werd gevormd. Dat kan je zien doordat de densiteit heel dicht wordt, met pieken in het densiteitsprofiel. Zo kunnen ze dus exact de jaarringen gaan analyseren en positioneren op de afbeelding.

Wat vertellen die jaarringen ons?
Heb je tijdens je onderzoek nieuwe inzichten opgedaan rond klimaatverandering? Met behulp van deze en een andere toolbox (die nog ontwikkeld moet worden) kan men aan wat ze noemen core comparisson doen. Dit is een vergelijking tussen bomen van dezelfde soort die gegroeid zijn in verschillende omstandigheden. Zo kunnen ze bijvoorbeeld een vergelijking maken tussen een dennenboom hier en een dennenboom in Amerika. Zo kan men klimatologische analyses vergelijken voor verschillende contexten. De analyse van de bomen zelf laat ik liever aan de bio-ingenieurs over. Ik wist uiteraard wel met welk doel ik dit onderzoek deed en in het proces heb ik wel wat kennis vergaart over het klimaat en de veranderingen die zich daarin voordoen, maar het was effectief de bedoeling om iets te maken dat er een stuk van losgekoppeld is. Voor mij als programmeur was het belangrijkste te weten dat jaarringen lijntjes zijn die je moet laten zien op het scherm.

In het tweede luik van de thesis kijk je naar de mogelijkheden van Artificial Intelligence (AI) om het analyseproces te vergemakkelijken. Hoe gaat dit precies in zijn werk? Met AI wil ik het tijdsintensieve proces waarbij de lijntjes worden gereconstrueerd gaan automatiseren, met de mogelijkheid dat de bio-ingenieur hier nog aanpassingen aan kan doen.

De webtool is momenteel nog een prototype waar andere studenten of onderzoekers nog verder mee aan de slag moeten. Is het AI onderdeel dan een prototype op uw prototype? In zekere zin wel, maar het staat er ook los van. Het is ook niet geïntegreerd in de website, maar het toont wel de mogelijkheid ervan. Er zat ook een vrij goeie nauwkeurigheid op. Het kan zeer eenvoudig mee geïntegreerd worden in de webtool.

Naar wie is deze tool voornamelijk gericht?
Voornamelijk naar de academische wereld, maar de bedoeling is om de tool open-source te maken en het mogelijk te maken dat anderen de code kunnen aanpassen naar de eigen noden. Op die manier willen we ervoor zorgen dat de hele dendrochronologische wereld toegang krijgt tot de webtool. Op dit vlak is de dendrochronologie aan de UGent een pionier, maar ze willen dat andere wetenschappers van over de hele wereld met hun technologie aan de slag kunnen.

Nu je bent afgestudeerd, is dit iets wat je gaat loslaten of ga je dit blijven opvolgen?
Nee, ik ga hier niet verder in gaan, hoewel mijn interesse in het onderwerp wel enorm gewekt en versterkt is. Ik ben nu het boek aan het lezen ‘wat bomen ons vertellen’ van Valerie Trouet, ook een dendochronologe, dus ik verdiep mij zeer graag verder in het ‘bio-ingenieurs’-pad. Ze mogen mij ook altijd contacteren als er verder op gebouwd wordt. Ik wil zeker een andere student helpen. Het project is zeker nog niet af. Momenteel gaat het dus nog maar om een prototype, met hier en daar nog een mankementje. Dat moet uiteraard niet verbazen aangezien ik hier maar een half jaar aan heb kunnen werken binnen mijn thesis, maar met vereende krachten kunnen we hier wel iets bijzonder interessant van maken.

Waar ligt je toekomst dan wel?
Ik heb getekend bij ScioTeq en zal daar worden ingezet op de afdeling defensie, waar ik deel zal uitmaken van een team die embedded software ontwikkelt voor displays en RNA producten.

Foto: Tree trunk circles (Patrick Fore/Unsplash)