Ανίχνευση της αλλαγής χρήσης γης για την ενημέρωση της εθνικής βάσης χρήσης γης της Αλάσκας από το 2001 στο 2011
Από RemoteSensing Wiki
Ανίχνευση της αλλαγής χρήσης γης και του πρωτοκόλλου ταξινόμησης για την ενημέρωση της εθνικής βάσης χρήσης γης της Αλάσκας από το 2001 στο 2011
Εισαγωγή
Στη περιοχή της Αρκτικής οι αλλαγές στη βλάστηση και σε άλλους τύπους κάλυψης γης έχουν άμεσες επιπτώσεις στην ενεργειακή και υδατική ισορροπία της επιφάνειας του εδάφους, στο κλιματικό επίπεδο του οριακού στρώματος, στο κύκλο του άνθρακα και σε διάφορες άλλες παροχές του οικοσυστήματος. Η συγκεκριμένη έρευνα έχει δείξει ότι έχουν παρατηρηθεί σημαντικές αλλαγές στη περιοχή της Αρκτικής, όπως η τάση αύξησης της θερμοκρασίας τα τελευταία 30 χρόνια, η τήξη των πάγων και η αραίωση των παγετώνων, η μεταβολή και η αλλοίωση των κοινοτήτων βλάστησης, και η συχνότερη εμφάνιση μεγάλων πυρκαγιών τον περασμένο μισό αιώνα στην Αλάσκα και τον Καναδά. Η τελευταία περίπτωση, μαζί με τη κλιματική αλλαγή καθίστανται οι σημαντικότεροι μηχανισμοί που οδηγούν στην αλλαγή βλάστησης στην Αλάσκα. Η παρακολούθηση της αλλαγής αυτής, είναι ζωτικής σημασίας για τη κατανόηση της κατάστασης του παρελθόντος και του σημερινού οικοσυστήματος και για τη πρόβλεψη του μελλοντικού ως απάντηση στη κλιματική αλλαγή. Η εθνική βάση δεδομένων κάλυψης γης NLCD της Αλάσκας από εικόνες Landsat με χωρική ανάλυση 30 μέτρων, ήταν το πρώτο βασικό προϊόν κάλυψης γης που προοριζόταν να αντιπροσωπεύει την κατάσταση του 2001. Ωστόσο λόγω κάποιων περιόδων έλλειψης δεδομένων, η χρήση τους περιορίστηκε σε ορισμένες περιοχές. Για το λόγο αυτό διερευνήθηκε μια νέα προσέγγιση ενημέρωσης για τη προσαρμογή μιας μεθοδολογίας στις μοναδικές συνθήκες της Αλάσκας. Η μέθοδος σχεδιάστηκε αξιοποιώντας δευτερογενή δεδομένα για να καταγράψει τους κυριότερους οδηγούς αλλαγής της εδαφοκάλυψης και να εξάγει τους ανανεωμένους τύπους κάλυψης γης του 2011. Αυτή η εργασία περιγράφει τον πυρήνα του σχεδιασμού της ενημέρωσης της βάσης NLCD από το 2001 στο 2011.
Μεθοδολογία
Στο άρθρο αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση με την ονομασία Alaska Land Cover Update 2011 (AKUP11) για την ενημέρωση της βάσης NLCD από το 2001 μέχρι το 2011 για τις τάξεις κάλυψης γης. Η προσέγγιση σχεδιάστηκε για να καταγράψει τις κύριες διαταραχές της αλλαγής της γης και να ενημερώσει τη νέα κάλυψη γης. Στις περιοχές που δεν παρατηρείται κάποια μεταβολή, θεωρείται σωστή η καταγραφή του 2001 και παραμένει σταθερή. Για την ενημέρωση διαταραγμένων περιοχών βλάστησης δημιουργήθηκε ένα μοντέλο AKUP11-VEG, το οποίο περιλαμβάνει 4 βασικά βήματα: το προσδιορισμό πιθανών περιοχών διαταραχής, την εκχώρηση μιας αρχικής ετικέτας κάλυψης εδαφών, την εκτέλεση της ταξινόμησης των δέντρων χρησιμοποιώντας το μοντέλο SKILL ως σύνολο περιοχών εκπαίδευσης και την βελτίωση των αρχικά λανθασμένων περιοχών, ενσωματώνοντας τα αποτελέσματα του μοντέλου SKILL. Η θεμελίωση του μοντέλου SKILL βασίζεται στη κατανόηση των οικολογικών διεργασιών που σχετίζονται με τη βλάστηση στη περιοχή της Αλάσκας. Στο μοντέλο ενσωματώθηκαν πληροφορίες σχετικές με το τύπο κάλυψης γης πριν από τη διαταραχή, τα, πολυεστιακά και πολυφασματικά δεδομένα και τα χαρακτηριστικά διαταραχής όπως η ημερομηνία και η σοβαρότητά τους. Για τις περιοχές όπου σημειώθηκαν μεταβολές νερού και πάγου δημιουργήθηκε ένα μοντέλο AKUP11-WIS, με το οποίο ανιχνεύονται και χαρτογραφούνται αυτές οι περιοχές. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προήλθαν από ζεύγη εικόνων Landsat 2001 και 2011 και από εικόνες MODIS 500 μέτρων με χρονική εκτίμηση έκτασης του χιονιού, 8 ημέρες. Αρχικά υπολογίστηκε ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς νερού (NDWI) για τη δημιουργία χαρτών κάλυψης χιονιού, πάγων και νερού και συνυπολογίζοντας τη κλίση του εδάφους από το DEM δημιουργήθηκαν εικόνες σκιάς εδάφους. Έπειτα συνδυάζοντας όλα τα παραπάνω αναπτύχθηκε ένα μοντέλο ανίχνευσης αλλαγής του χιονιού και παράχθηκε ένας χάρτης που είχε τέσσερις κατηγορίες. Τέλος προσδιορίστηκαν οι ενημερώσεις της αρχικής κάλυψης, τροποποιώντας περεταίρω τον αρχικό χάρτη, βάσει της βάσης NLCD 2001.
Αποτελέσματα
Συνολικά επεξεργάστηκαν 24 εικόνες Landsat, όπου οι 20 συνέλαβαν στη δημιουργία 6 ψηφιδωτών αρχείων χωρίς συνεφοκάλυψη για το 2001 και το 2011, για 3 πιλοτικές περιοχές μελέτης. Στη συνέχεια υπολογίστηκαν οι κανονικοποιημένες τιμές για τις αναλογίες των πυρκαγιών, από 3 ζεύγη μωσαϊκών Landsat βάσει των οποίων προκύπτει ότι οι διαταραγμένες περιοχές αντιστοιχών πλήρως με τις περιοχές φασματικής αλλαγής, όπως φαίνεται και στη παρακάτω εικόνα.
Επιπλέον κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας οι επιφάνειες των παγετώνων έχουν συρρικνωθεί και μέρος αυτών έχει εξαφανιστεί πλήρως, λόγω των κλιματικών συνθηκών. Η αύξηση του πολυετούς χιονιού ήταν σπάνια στις πιλοτικές περιοχές μελέτης. Όσον αφορά την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας, δύο τύποι αξιολόγησης ακρίβειας πραγματοποιήθηκαν. Η πρώτη αξιολόγηση επικεντρώθηκε στην ακρίβεια της ανίχνευσης και χαρτογράφησης των περιοχών αλλαγής κάλυψης γης, ενώ η δεύτερη επικεντρώθηκε στην ορθότητα της επικαιροποιημένης ετικέτας κάλυψης γης του 2011. Ένα δείγμα 100 μονάδων της αλλαγής κάλυψης γης απέδωσε συνολική ακρίβεια 90%, ενώ η ακρίβεια του χρήστη τόσο για τις κατηγορίες που αλλάζουν όσο και για αυτές που δεν επηρεάζονται εμφανίζουν σχετικά υψηλές τιμές, 83% και 93% αντίστοιχα.
Συμπεράσματα
Η συγκεκριμένη εργασία σχεδιάστηκε για να καταγράψει αποτελεσματικά τις βασικές αλλαγές στη κάλυψη γης της περιοχής της Αλάσκας. Κάμπτοντας προβλήματα όπως το μεγάλο μέγεθος της περιοχής μελέτης, της περιορισμένης διαθεσιμότητας δορυφορικών εικόνων χωρίς συνεφοκάλυψη και τη μοναδικότητα των οικοσυστημάτων, επιτεύχθηκε συνολική ακρίβεια της ανίχνευσης σε ποσοστό 90%, ενώ η συνολική ακρίβεια του NLCD 2011 προκύπτει σε ποσοστά μεγαλύτερα από 86%. Τόσο η εκτίμηση του οπτικού ελέγχου, όσο και η στατική ακρίβεια των χαρτών, αποδεικνύουν πόσο ισχυρή, συνεπής και αποτελεσματική ήταν η προσέγγιση για την ενημέρωση των περιοχών.
Πηγή:
S. Jin, L. Yang, Z. Zhu, & C. Homer (2017). A land cover change detection and classification protocol for updating Alaska NLCD 2001 to 2011. Remote Sensing of Environment, 195, 44-55
