Αξιολόγηση των κλιματικών επιδράσεων στη δυναμική της βλάστησης μέσω της τηλεπισκόπισης
Από RemoteSensing Wiki
Assessment of climate impact on vegetation dynamics by using remote sensing
Αξιολόγηση των κλιματικών επιδράσεων στη δυναμική της βλάστησης μέσω της τηλεπισκόπισης
Συγγραφείς: G.J. Roerink, M. Menenti, W. Soepboer, Z. Su
Πηγή: Physics and Chemistry of the Earth, 2003
Η κλιματική μεταβλητότητα έχει μεγάλο αντίκτυπο στη δυναμική της βλάστησης. Για την ποσοτικοποίηση αυτού του αντίκτυπου εκπονήθηκε έρευνα με δορυφορικές εικόνες και μετεωρολογικά δεδομένα για την περιοχή Sahel της Αφρικής και την Ευρώπη.
Μέθοδος
Η κατάσταση της βλάστησης καθορίζεται από δύο βασικούς παράγοντες, το κλίμα και τον άνθρωπο, αλλά και από άλλους λιγότερο σημαντικούς όπως ο τύπος του χώματος και το υψόμετρο. Οι δορυφορικοί δέκτες NOAA/AVHRR και METEROSAT παρείχαν τις απαραίτητες πληροφορίες για τη σύσταση του δείκτη NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), που είναι ενδεικτικός της κατάστασης της βλάστησης. Μία χρονοσειρά του NDVI παρουσιάζει την χρονική συμπεριφορά της, δηλαδή τη δυναμική της βλάστησης, η οποία ποσοτικοποιείται μέσω ανάλυσης Fourier.
Δεδομένα
Η έρευνα διενεργείται με δύο σετ δεδομένων, που καλύπτουν την Ευρώπη και μέρος της Sahel στην Αφρική. Τα δεδομένα NDVI, που προήλθαν τις δορυφορικές εικόνες NOAA/AVHRR χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της δυναμικής της βλάστησης. Μετεωρολογικά δεδομένα, η κατακρήμνιση και η καθαρή ακτινοβολία, χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν το κλίμα. Για την Ευρώπη χρησιμοποιήθηκαν 422 σταθμοί του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού, ενώ για τη Sahel, η κατακρήμνιση υπολογίστηκε από 107 βροχόμετρα. Η καθαρή ακτινοβολία μετρήθηκε μόνο από ένα μετεωρολογικό σταθμό.
Κλιματικός δείκτης
Η εξατμισοδιαπνοή παίζει σημαντικότατο ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών. Ελέγχεται από δύο κυρίως μετεωρολογικές παραμέτρους, την καθαρή ακτινοβολία και την κατακρήμνιση. Ο κλιματικός δείκτης (Climate Indicator –CI) είναι ο λόγος της κατακρήμνισης επί την λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης προς την καθαρή ακτινοβολία: CI = LP /Rn, όπου L η λανθάνουσα θερμότητα της εξάτμισης, P η κατακρήμνιση και Rn η καθαρή ακτινοβολία.
HANTS
Για να εξαχθούν τα χαρακτηριστικά της δυναμικής της βλάστησης, εφαρμόζεται ανάλυση Fourier στις εικόνες NDVI, η οποία θα ανακλά την αρχή, το μήκος και το μέγεθος της δυναμικής της βλάστησης κατά τη διάρκεια του χρόνου. Για αυτό το λόγο αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος Harmonic Analysis of Time Series (HANTS). Αυτός ο αλγόριθμος εξετάζει μόνο τις σημαντικότερες συχνότητες που αναμένονται να εμφανιστούν στα χρονοδιαγράμματα, και εφαρμόζει μια διαδικασία προσαρμογής της καμπύλης ελαχίστων τετραγώνων που βασίζεται στις αρμονικές συνιστώσες.
Αποτελέσματα
Το πρώτο βήμα είναι η ανάλυση HANTS της χρονοσειράς NDVI της Ευρώπης και της Sahel. Ο αριθμός συχνοτήτων που χρησιμοποιήθηκε στην ανάλυση ορίστηκε στις 3 και για τις δύο περιπτώσεις: ο μέσος NDVI (συχνότητα = 0) και το ετήσιο εύρος (συχνότητα =1), τα οποία αντιπροσωπεύουν τη βασική δυναμική της βλάστησης, και το εύρος των 6 μηνών (συχνότητα = 2), το οποίο είναι απαραίτητο για να εξομαλύνει την προσαρμογή. Η εικόνα 1 απεικονίζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης HANTS, που είναι έγχρωμα σύνθετα του μέσου NDVI στο κόκκινο, το εύρος ενός χρόνου στο πράσινο, και το εύρος των 6 μηνών στο μπλε κανάλι.
Περιοχές χωρίς βλάστηση παρουσιάζονται με μαύρο χρώμα, όπως η Σαχάρα, οι κορυφές των Άλπεων και αστικές περιοχές, όπως το Παρίσι. Oι καλλιεργήσιμες εκτάσεις έχουν ισχυρούς 12-μηνους συντελεστές που συνεπάγονται πράσινο χρώμα. Υψηλή βλάστηση όλο το χρόνο συνεπάγεται κόκκινο χρώμα. Το μπλε χρώμα τις περισσότερες φορές υποδηλώνει εποχιακές αλλαγές στη βλάστηση, όπως η μικρή περίοδος ανάπτυξης στη Σαβάννα, ή το θερισμό των καλλιεργήσιμων εκτάσεων.
Το δεύτερο βήμα είναι η σύνδεση του CI με τον NDVI FC για όλες τις διαθέσιμες τοποθεσίες. Για κάθε μετεωρολογικό σταθμό, η τιμή CI απεικονίζεται ως προς τη σχέση της με τον αντίστοιχο μέσο NDVI, που προέκυψε από την ανάλυση HANTS. Το αποτέλεσμα είναι πως μεταξύ τους παρατηρείται ισχυρή συσχέτιση. Με βάση τα δεδομένα λοιπόν, υπολογίζεται τόσο η χωρική όσο και η χρονική ευαισθησία του NDVI FC (της δυναμικής της βλάστησης), καθώς είναι διαθέσιμα για αρκετά χρόνια. Εάν εκφράσουμε τα πρότυπα της χρονικής ευαισθησίας που παρατηρήθηκαν, με απλά λόγια, μπορούμε να συμπεράνουμε τα ακόλουθα:
- Σε ξηρές περιοχές (έρημοι, περιοχές της Ισπανίας), όπου η καθαρή ακτινοβολία είναι συνήθως άφθονη, η ευαισθησία της βλάστησης στις ετήσιες αλλαγές της κατακρήμνισης είναι πολύ υψηλή. Τόσο η συνολική ποσότητα της βλάστησης όσο και η εποχιακή διαφορά μεταξύ της ξηρής και της υγρής περιόδου αυξάνονται με την αύξηση της κατακρήμνισης.
- Σε πιο υγρές περιοχές (το περισσότερο μέρος της Ευρώπης), η αυξημένη κατακρήμνιση συνεπάγεται μεγαλύτερες ποσότητες βλάστησης, αλλά η εποχιακή διαφορά παραμένει σχεδόν η ίδια.
- Σε περιοχές με μεγάλη υγρασία (βουνά, βόρεια Ευρώπη), όπου η κατακρήμνιση είναι υπέρμετρη, ο βασικός περιοριστικός παράγοντας της βλάστησης είναι η καθαρή ακτινοβολία. Τόσο η συνολική ποσότητα της βλάστησης όσο και η εποχιακή διαφορά μειώνονται.
Συμπεράσματα
Από την έρευνα αυτή συμπεραίνουμε πως ο αλγόριθμος HANTS είναι κατάλληλο εργαλείο για την περιγραφή της χρονικής συμπεριφοράς των παραμέτρων της τηλεπισκόπισης, όπως ο δείκτης NDVI. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του HANTS είναι ότι οι συνιστώσες Fourier (FC) ανακλούν τα σύννεφα και τις ιδιότητες του κύκλου της βλάστησης χωρίς σφάλματα. Η χωρική και χρονική ανάλυση αποκάλυψε μια ισχυρή σχέση μεταξύ του κλιματικού δείκτη και του NDVI FC. Παρόλα αυτά, η ευαισθησία της εποχιακής διαφοράς βλάστησης (ετήσιος NDVI FC) έχει διαφορετική χωρική και χρονική συμπεριφορά. Σε αυτήν την περίπτωση η έρευνα δείχνει αμφιλεγόμενες απαντήσεις στο ερώτημα αν οι κλιματικές επιδράσεις στη δυναμική της βλάστησης είναι εργοδικό φαινόμενο, που ισχύει για όλη τη γη. Προκύπτει λοιπόν, ότι χρειάζονται μεγαλύτερες βάσεις δεδομένων χωρικά και χρονικά.
