High-resolution remote sensing and machine-learning-based upscaling of methane fluxes: a case study in the Western Canadian tundra
Notice bibliographique
Résumé
Abstract. Arctic methane (CH4) budgets are uncertain because field measurements often capture only fragments of the wet-to-dry gradient that control tundra CH4 fluxes. Wet hotspots are over-represented, while dry, net-sink sites are under-sampled. We paired over 13,000 chamber flux measurements during peak growing season in July (2019–2024) from Trail Valley Creek in the western Canadian Arctic with co-registered remotely sensed predictor variables to test how spatial resolution (1 m vs. 10 m) and choice of machine-learning algorithm shape upscaled CH4flux maps over our 3.1 km2 study domain. Four algorithms for CH4 flux scaling (Random Forest (RF), Gradient Boosting Machine (GBM), Generalised Additive Model (GAM), and Support Vector Regression (SVR)) were tuned using the same stack of multispectral indices, terrain derivatives and a six-class landscape classification. Tree-based models such as RF and GBM offered the best balance of 10-fold cross-validated R² (≤0.75) and errors, so RF and GBM were used in a subsequent step for upscaling to the study area. With 1 m resolution, GBM captured the full range of microtopographic extremes and predicted a mean July flux of 99 mg CH4 m-2 month-1. In contrast, RF, which smoothed local extremes, yielded an average flux of 519 mg CH4 m-2 month-1. The disagreement between flux estimates using GBM and RF correlated mainly with the Normalized Difference Water Index (NDWI), a moisture proxy, and was most pronounced in waterlogged, low-lying areas. Aggregating predictors to 10 m averaged the sharp metre-scale flux highs in hollows and lows on ridges, narrowing the GBM-RF difference to ~75 mg CH4 m-2 month-1while broadening the overall flux distribution with more intermediate values. At 1 m, microtopography is the main driver. At 10 m, moisture proxies explained about half of the variance. Our results demonstrate that: (i) sub‑metre predictors are indispensable for capturing the wet-dry microtopography and its CH4 signals, (ii) upscaling algorithm selection strongly controls prediction spread and uncertainty once that microrelief is resolved, and (iii) coarser grids smooth local microtopographic details, resulting in flattened CH4 flux peaks and wider distribution. All factors combined lead to potentially large differences in scaled CH4 flux budgets, calling for a careful selection of scaling approaches, spatial predictor layers (e.g., vegetation, moisture, topography), and grid resolution. Future work should couple ultra-high-resolution imagery with temporally dynamic indices to reduce upscaling bias along Arctic wetness gradients.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,003 |
| Études des sciences et des technologies | 0,002 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».