Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας
Από RemoteSensing Wiki
Ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας
Συγγραφείς: Φωτεινή Ι. Κόκλα, Δημήτριος Π. Αργιαλάς, Κωνσταντίνος Κασσιός
1. Εισαγωγή
Στην παρούσα εργασία μελετάται η κατάσταση stress της Κεφαλληνιακής Ελάτης στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας. Το ελατοδάσος αυτό, καλύπτει 35.000 στρ ενώ πρόκειται για δάσος γηραιό με πολλά προβλήματα ένα από τα οποία είναι και η ξήρανση της ελάτης που εμφανίζεται με τη μορφή stress στα δέντρα (δέντρα καχεκτικά, γερασμένα, με έντονο αποχρωματισμό βελονών ή ακόμα και δέντρα ξερά). Οι μέχρι τώρα έρευνες για το πρόβλημα αυτό βασιζόταν σε κλασικές μεθόδους της δασολογίας όπως επίγειους ελέγχους, λήψη δειγμάτων βελονών και φλοιού, παχυμέτρηση κ.ά. Η παρούσα έρευνα συνδυάζει τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI) δηλαδή τη μακροσκοπική έρευνα, με την in situ παρατήρηση και τη μέτρηση του δείκτη φθορισμού μέσω φασματικού οργάνου ΡΕΑ (Pland Efficiency Analyser).
2.Μεθοδολογία
Εντοπίστηκαν αρχικά είκοσι δοκιμαστικές επιφάνειες με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, με σκοπό τον εντοπισμό δέντρων ελάτης σε κατάσταση stress με τη βοήθεια GPS (στην ουσία λήψη θέσης του κέντρου των επιφανειών καθώς και των πιο χαρακτηριστικών δέντρων σε κατάσταση stress). Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες Ikonos, στις οποίες είχε προηγηθεί γεωμετρική διόρθωση, μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης, έλαβε χώρα η μακροσκοπική παρατήρηση. Ακολούθως δημιουργήθηκε έγχρωμο σύνθετο RGB:432 για να τονιστεί η βλάστηση και επιλέχτηκαν οι παρακάτω έξι κατηγορίες:
Σχήμα 1.’Εγχρωμο σύνθετο RGB:432 τμήματος δορυφορικής IKONOS όπου σημαίνονται οι κατηγορίες ταξινόμησης (gaiodi-κίτρινο, blastisi no stress-πράσινο, blastisi stress Ι-κόκιινο, blastisi stress ΙΙ-φούξια, blastisi stress ΙΙΙ – σιέλ, skia- μπλε)
Η ανάλυση της εικόνας Ikonos περιέλαβε ένα επίπεδο κατάτμησης. Για τον προσδιορισμό των βαρών των κριτηρίων κατάτμησης (φασματικό και σχήματος), λήφθηκε υπόψη ότι η βλάστηση διαφοροποιείται φασματικά έντονα από τα υπόλοιπα στοιχεία του χώρου. Από τις δοκιμές προέκυψε για το φασματικό κριτήριο 0,8 και για το κριτήριο σχήματος 0,2 (που μοιράστηκε κατά 0,9 στο λείο της οριογραμμής και κατά 0,1 στο συμπαγές των τμημάτων). Έτσι εντοπίστηκαν με ακρίβεια οι συγκεντρώσεις πράσινου, ακόμα και ο διαχωρισμός τους σε παρόμοιες κατηγορίες βλάστηση με stressΙ, ΙΙ κλπ). Τα κανάλια (4,3,2) είχαν την ίδια τιμή βάρους, ενώ επιλέχθηκε μικρή τιμή κλίμακας ώστε να διευκολυνθεί ο εντοπισμός συγκέντρωσης πράσινης και σκιασμένης βλάστησης.
Σχήμα 2. (α) Τμήμα εικόνας IKONOS σ’ έγχρωμο σύνθετο RGB:432 μετά την κατάτμηση, όπου σημαίνονται τα όρια των νέων τμημάτων με μπλε χρώμα και (β) η αρχική εικόνα για αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της κατάτμησης. Στo τμήμα της εικόνας (β) σημαίνεται η υγιής βλάστηση με κόκκινο χρώμα, σε σχέση με την βλάστηση σε κατάσταση stress I, ΙΙ, ΙΙΙ που σημαίνεται με πράσινο, αχνό κόκκινο, καφέ χρώμα αντίστοιχα
Ακολούθησε ταξινόμηση βάσει της εγγύτερης γειτνίασης με χρήση NDVI, όπου NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) με τη βοήθεια της συνάρτησης ασαφούς συμμετοχής καθώς και το λόγο ¼ για την κατηγορία gaiodi. Οι λόγοι των καναλιών που δημιουργήθηκαν έχουν ως πλεονέκτημα την ανάδειξη των φασματικών χαρακτηριστικών των διαφορών στοιχείων της εικόνας ανεξαρτήτως έκτασης και συνθηκών φωτισμού. Τα όρια των ασαφών συναρτήσεων που αντιστοιχούν στις ιδιότητες NDVI και το λόγο ¼ προέκυψαν από αλλεπάληλες δοκιμές με τη βοήθεια φωτοερμηνείας απεικονίσεων των τιμών του γκρι όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Τα τελικά όρια που επιλέχθηκαν για τον ndvi είναι stress I: 0,01-0,17, stress II:0,17-0,27, stress III:0,27-0,36, no stress:0,36-0,8, skia: -0,3-0,01 και για τον ¼ είναι από 0,6 έως 1,1.
Σχήμα 3. Τμήμα εικόνας IKONOS όπου σημαίνεται με γαλάζιο χρώμα η κατηγορία βλάστηση stress I (α) και τα όρια των τιμών του δείκτη ndvi της κατηγορίας αυτής (β)
Στη συνέχεια έγινε ταξινόμηση βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης ως προς τις μέσες φασματικές τιμές στα τρία κανάλια όπου διακρίθηκαν τα εξής: δένδρα που δεν παρουσιάζουν stress (NDVI: 0,36- 0,8), δένδρα που έχουν ασθενές stress III (NDVI: 0,27-0,36), δένδρα που έχουν αρκετό stress II (NDVI: 0,17-0,27), σε δένδρα που παρουσιάζουν έντονο stress I (NDVI: 0,01-0,17), ενώ για τον καλύτερο διαχωρισμό τους από τα υγιή δένδρα ελάτης (no stress) διακρίθηκαν και δένδρα που είναι σκιασμένα (skia: NDVI: -0,3-0,01), καθώς και μία επιπλέον κατηγορία: τα γαιώδη υλικά (gaiodi) όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.
Σχήμα 4.(i) Τμήμα της εικόνας μετά την κατάτμηση, (ii) Η ταξινόμησή της, (iii) Το υπόμνημά της
Από τις αρχικά είκοσι περιοχές επιλέχθηκαν τελικά τέσσερεις με μέτρια ή ήπια κλίση (<45%) και έκθεση νότια, νοτιοανατολική ή νοτιοδυτική βάσει στοιχείων προηγούμενων μελετών, με σκοπό τη λήψη βελονών για τη μέτρηση του δείκτη φθορισμού που παρουσιάζουν τα δέντρα ελάτης στις διάφορες καταστάσεις stress (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ). Τα δείγματα μετρήθηκαν με το φασματικό όργανο ΡΕΑ και για κάθε κατηγορία η τιμή ήταν: stress I:0,067-0,5 , stress II: 0,617-0,793 , stress III: 0,809-0,843. Στη συνέχεια διερευνήθηκε ο βαθμός συσχέτισής του με τους προηγούμενους αβιοτικούς παράγοντες με την εξίσωση Fischer
z =(1/2) * [ln(1+x)/(1-x)] όπου z: Fv/Fm, χ: έκθεση ή χ: κλίση
3. Αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης ήταν άκρως ικανοποιητικά σ’ όλες τις δοκιμαστικές επιφάνειες, όπως φαίνεται και από τον δείκτη σταθερότητας της ταξινόμησης στην παρακάτω γραφική προβολή (Σχήμα 5). Η σταθερότητα της ταξινόμησης αποδίδει για κάθε αντικείμενο εικόνας μία τιμή, από σκούρο πράσινο (1,0, μη-ασαφή ) μέχρι κόκκινο (0,0, απολύτως ασαφή). Ακόμη, η σταθερότητα της ταξινόμησης που παρουσιάζει μία δοκιμαστική επιφάνεια φαίνεται στον Σχήμα 6, όπου σημειώνονται η μέγιστη και ελάχιστη τιμή που λαμβάνει κάθε κατηγορία, η τιμή της μέγιστης απόκλισης (stdD), η μέση τιμή των εικονοστοιχείων (Mean).
Σχήμα 5.Η σταθερότητα ταξινόμησης του τμήματος της εικόνας του σχήματος 4
Εν συνεχεία από τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης του δείκτη φθορισμού ως προς την έκθεση και κλίση προέκυψε ότι ο δείκτης φθορισμού παρουσιάζει έντονη διακύμανση στις 4 επιλεγμένες δοκιμαστικές επιφάνειες, δίνοντας ακρίβεια αποτελεσμάτων κατά 95%. Ακόμη ερευνήθηκε η σχέση μεταξύ των δύο περιβαλλοντικών δεικτών (ndvi, fluorescence), η οποία εκφράστηκε για τις τρεις καταστάσεις stress μέσω λογαριθμικών εξισώσεων, οι οποίες βρέθηκαν να είναι πολύ ικανοποιητικές (R²=0,90) (Σχήμα 7,8,9). Κατάσταση stress Ι: y = 0.0576Ln(x) + 0.192 Κατάσταση stress ΙΙ: y =0,3345Ln(x) + 0,3376 Κατάσταση stress ΙΙΙ: y = 1,5924Ln(x) + 0,6272
4. Συμπεράσματα
Η παρούσα έρευνα στηρίζεται σε σύγχρονες μεθόδους παρατήρησης και αποτύπωσης της γης, συνδυάζοντας με τον τρόπο αυτό την μακροσκοπική έρευνα (τηλεπισκόπηση) με την in situ παρατήρηση, ενώ ακόμη παρόμοια έρευνα δεν έχει μέχρι στιγμής λάβει χώρα στο σύνολο της επικράτειας. Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν πράγματι ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό δύναται να χρησιμοποιηθεί ο συνδυασμός των δύο περιβαλλοντικών δεικτών: κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (ndvi) και του δείκτη φθορισμού (fluorescence) για την εκτίμηση της φυτοϋγειονομικής κατάστασης του ελατοδάσους και κατά προέκταση ενός δασικού περιβάλλοντος, με σκοπό την καλύτερη διαχείριση και προστασία του. Μελλοντικά προτείνεται η μελέτη του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (ndvi) με την μέθοδο της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης τονίζοντας τα κριτήρια του σχήματος και όχι τόσο τα φασματικά κριτήρια, ενώ ακόμη προτείνεται η μελέτη του δείκτη φθορισμού (Fv/Fm) σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος.
Πηγή:Φωτεινή Ι. Κόκλα, Δημήτριος Π. Αργιαλάς, Κωνσταντίνος Κασσιός. Ανακτήθηκε από http://www.parnitha-np.gr/paper_kokla_argialas%5D.pdf 23-12-2010
