Βαθμονόμηση της τηλεανίχνευσης, ανάλυση NDVI σε ροές CO2 Και σε οικοσύστημα αρτεμισία-στέπα

Από RemoteSensing Wiki

Βαθμονόμηση της τηλεανίχνευσης, ανάλυση NDVI σε ροές CO2 Και σε οικοσύστημα αρτεμισία-στέπα

Original Title: Calibration of remotely sensed, coarse resolution NDVI to CO2 fluxes in a sagebrush–steppe ecosystem

Συγγραφείς: B.K. Wylie et al

Πηγή: US. Geological Survey, EROS Data Centre with Raytheon Systems Company

Περίληψη Η ροή του διοξειδίου του άνθρακα στο οικοσύστημα (NEE), μπορεί να διαχωριστεί στην συνολική παραγωγή (GPP) και την κατανάλωση του (R). Με την συνεισφορά της τηλεπισκόπησης και μοντελοποίησης μας δίνεται η δυνατότητα να προβλέπουμε και να χαρτογραφόυμε την ροή αυτή. Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι η 14-ήμερη εκτίμηση της ροής CO2 κατά την διάρκεια της ημέρας (Fday) και της νύχτας (Rn) με την χρήση της τηλεπισκόπησης και άλλων δεδομένων. Υπολογίστηκαν οι ροές Fday και Rn με την μέθοδο Bowen ratio–energy balance (BREB) στην περιοχή της βορειοανατολικής Idaha, USA, στην διάρκεια 1996-1999. Για την εκτίμηση της ροής λάβαμε υπόψιν τις μετεωρολογικές συνθήκες καθώς και την μεταβολή της βλάστησης κατά την διάρκεια των τεσσάρων εποχών (iNDVI). Προσομοιώσεις έδειξαν ότι περιοδικές μετρήσεις του Fday σε συνδυασμό με το iNDVI δίνουν μεγαλύτερη ακρίβεια στην πρόβλεψη.

Εισαγωγή Η όλο και αυξανόμενη συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα και οι επιπτώσεις του φαινομένου αυτού μας απασχολεί έντονα τις τελευταίες δεκαετίες. Συνεπώς η ποσοτικοποίηση της ροής του άνθρακα στην ατμόσφαιρα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Το αμερικάνικο τμήμα γεωργικής έρευνας (USDA-ARS), έκανε προσπάθειες να προσδιορίσει την ροή από το έδαφος και την δημιουργία ενός αλγορίθμου για τον υπολογισμό της ροής σε παρόμοια εδάφιά. Μία άλλη προσέγγιση για την ποσοτικοποίηση της ροής είναι οι μικρομετεορογικές μέθοδοι. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται οι eddy covariance και Bowen ratio–energy balance (BREB). Με την μέθοδο eddy covariance ουσιαστικά μετράμε την ταχύτητα, την κατεύθυνσή του αέρα και την συγκέντρωση του άνθρακα καθώς περνά μέσα από ένα προκαθορισμένο σημείο. Η μέθοδος αυτή απαιτεί ειδικό εξοπλισμό. Αντιθέτως, τεχνικές όπως η αεροδυναμική και η BREB χρησιμοποιούν απλούς αισθητήρες.

Θεωρία

Η ροή του διοξειδίου του άνθρακα στο οικοσύστημα (NEE), μπορεί να περιγράφει με δύο τρόπους:

i. Ως η διαφορά της συνολική παραγωγή (GPP) και την κατανάλωση του (R).

NEE =GPP – R

ii. Η έκφραση που περιγράφει την Μεταβολή της ολικής ποσότητας άνθρακα στο οικοσύστημα είναι

NEE = dC/dt + Ε

Όπου C η πυκνότητα του άνθρακα στο οικοσύστημα ενώ το Ε υποδηλώνει τον ρυθμό διάβρωσης του εδάφους.

Ο προσδιορισμός του GPP γίνεται με την εξίσωση Monteith ή με την μέθοδο RUE. Σύμφωνα με την RUE το GPP είναι ανάλογο της απορροφημένης ραδιενέργειας (APAR) και του συντελεστή ε.

GPP = ε APAR

Η ποσότητα APAR υπολογίζεται την ενεργή ραδιενέργεια που φτάνει στην επιφάνεια της γης (PAR) και το ποσό της ραδιενέργειας που απορροφάτε από τα φυτά (fPAR). Η βλάστηση και τιμή του PAR καθορίζουν τον συντελεστή ε.

APAR = PAR x Fpar

Μέθοδος Περιγραφή τοπίου Όπως ήδη αναφέρθηκε ο υπολογισμός της ροής CO2 έγινε για την περιοχή της βορειοανατολικής Idaha, USA, σε υψόμετρο 1700m. Η χλωρίδα του τόπου περιλαμβάνει κυρίως γρασίδι, σιτάρι, Αρτεμίσια βαλσαμόριζα και μυριόφυλα. Το κλίμα είναι ημίξηρο με κρύο χειμώνα και ζεστά καλοκαίρια. Η μέση ετήσια κατακρήμνιση τα τελευταία 64 χρόνια είναι 325mm. Η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι 6 oC ενώ το καλοκαίρι η θερμοκρασία κυμαίνεται από 34-39 oC. Το έδαφος είναι έφορο και έχει βραχώδες υπόστρωμά.

Μετρήσεις αναλογίας Browen

Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε ένας χώρος 400x400m με παρόμοια βλάστηση και έδαφος που περιγράψαμε παραπάνω. Ένα σύστημα BREB εγκαταστάθηκε στην μέση του εδαφίου. Οι μετρήσεις που έγιναν αναφέρονται αναλυτικά από τους Dugas (1993) και Dugas et al. (1999). Συνοπτικά, μετρήθηκε η συγκέντρωση υγρού και ατμού CO2 με υπέρυθρο αναλυτή. Δείγματα αέρα από δύο διαφορετικά ύψη 0.8 και 1.8m οδηγούνταν στο IRGA, το οποίο σύγκρινε την συγκέντρωση άνθρακα στα δύο ύψη. Η θερμοκρασία στα δυο σημεία μετριόταν με θερμοζεύγος. Οι μετρήσεις γίνονταν κάθε δευτερόλεπτο και αποθηκεύονταν κάθε 20 λεπτά. Οι υπολογισμοί τις ροής και της ενέργειας έγιναν χρησιμοποιώντας τις μέσες τιμές ανά 20 λεπτά.

Περιγραφή δεδομένων Τα NDVI δεδομένα επηρεάζονται από την μόλυνση των σύννεφων και την αραίωση της ατμόσφαιρας. Για την αποφυγήν αλλοίωσης των δεδομένων μπορείς να αυξήσεις τον χρόνο διεξαγωγής των μετρήσεων, εμείς επιλέξαμε 12 ημέρες. Στην συνέχεια έγινε σύγκριση των δεδομένων.

Στατιστική ανάλυση

Η  μέθοδος γραμμικής παλινδρόμησης χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία σχέσεων μεταξύ μεταβλητών πρόβλεψης και των Fday και Rn από τον πύργο ροής BREB, χρησιμοποιώντας ανεξάρτητες μεταβλητές (όπως θερμοκρασία του αέρα, σχετική υγρασία, κατακρήμνιση, ταχύτητα του αέρα κ.α.). Μας ενδιέφερε να αποφασίσουμε εάν η πρόβλεψη του Fday και Rn θα μπορούσε να βελτιωθεί με την προσθήκη των ανεξάρτητων αυτών μεταβλητών. 
Οι τεχνικές δέντρου παλινδρόμησης χρησιμοποιούνται για να αναπτύξουν σχέσεις και προβλέψεις που δεν λαμβάνουν υπόψη την γραμμικότητα, ευθύνονται για τις αλληλεπιδράσεις υψηλής τάξης, και

χρησιμοποιούν αποτελεσματικά θεματικά ή κατηγορικά δεδομένα. Τα δέντρα παλινδρόμησης είναι χρήσιμα τόσο για την διαστρωμάτωση όσο και για την πρόβλεψη. Στην δική μας μελέτη παρήχθησαν τρία διαδοχικά δέντρα παλινδρόμησης στην προσπάθεια κάθε επόμενο δέντρο να βελτιώσει λάθη πρόβλεψης από τα προγενέστερα του. Οι παλινδρομήσεις και τα δέντρα παλινδρόμησης για την αξιολόγηση των πύργων κινητής ροής εκπαιδεύθηκαν στο ένα τρίτο των δεδομένων και δοκιμάστηκαν στα δύο τρίτα των δεδομένων, τρείς επανειλημμένες φορές.

Χρησιμοποιήσαμε διαγράμματα για να εξετάσουμε την γραμμικότητα και την ομογένεια.

Αποτελέσματα

Στο διάγραμμα που ακολουθεί αναπαρίστανται οι σωρευτικές καθαρές ροές του διοξειδίου του άνθρακα, οι ροές του διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της ημέρας, ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης σε σχέση με το χρόνο και η κατακρήμνιση, σε όλη την καλλιεργητική περίοδο (Μάρτιος-Ιούλιος) για τα 4 χρόνια που διήρκησε η μελέτη. Στο διάγραμμα που ακολουθεί αναπαρίστανται οι σχέσεις μεταξύ του δείκτη κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης για χρονική περίοδο 14 ημερών, της ροής του διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της ημέρας και της 14ήμερης κατακρήμνισης για τα 4 χρόνια που διήρκησε η μελέτη. Στο dδίπλα διάγραμμα αναπαρίστανται οι εποχιακές τάσεις του δείκτη κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης για χρονική περίοδο 14 ημερών, της εξατμισοδιαπνοής, της ροής του διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της ημέρας και της κατακρήμνισης όπως αυτά μετρήθηκαν τα 4 χρόνια της μελέτης.

Παρόμοιες αναλύσεις με αυτές που χρησιμοποιήθηκαν για την ροή διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της ημέρας Fday, χρησιμοποιήθηκαν και για την ροή διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της νύχτας Rn , χωρίς όμως κανένα από τα μοντέλα παλινδρόμησης του Rn να έχει σημαντικά αποτελέσματα έτους. Η εξατμισοδιαπνοή αποτέλεσε τον καλύτερο προγνωστικό δείκτη για το Rn. Σημαντικός προγνωστικός δείκτης, 3ος πιο σημαντικός για την ακρίβεια, αποτέλεσε η θερμοκρασία.

Όσον αφορά την προσομοίωση του κινητού πύργου τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι συντελεστές παλινδρόμησης ήταν αρκετά σταθεροί κατά τις 3 διαδοχικές περιόδους. Αυτά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι περιοδικές μετρήσεις των Fday, δυνατότητα που παρέχεται από τους κινητούς πύργους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή των Fday με μόνο ελάχιστες απώλειες σε πληροφορίες ροής. Οι κινητές μετρήσεις ροής θα μπορούσαν επίσης να παρέχουν μια χωρική εκτίμηση των ροών του διοξειδίου του άνθρακα επιτρέποντας τριπλάσιο αριθμό περιοχών να παρακολουθείται από τον ίδιο εξοπλισμό.

Σύνοψη

  Η υποδιαίρεση των NEE η Fnet σε συνιστώσες του Fday και Rn επέτρεψαν στην ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης και για τις Fday και για τις Rn. Αυτά τα μοντέλα είναι πιο λειτουργικά από ένα μοντέλο για την πρόβλεψη της NEE. O δείκτης iNDVI(δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης για συγκεκριμένη χρονική περίοδο) είναι μια σημαντική κινητήρια δύναμη να λάβει κανείς υπόψιν του για την χαρτογράφηση των ροών διοξειδίων του άνθρακα κατά την διάρκεια της ημέρας(Fday). Τα μοντέλα παλινδρόμησης παρέχουν μια ισχυρή πρόβλεψη των ροών του διοξειδίου του άνθρακα κατά την διάρκεια της νύχτας(Rn). O συνδυασμός προβλέψεων Fday και Rn είναι πολύ χρήσιμος για τον υπολογισμό τόσο των χρονικών όσο και των χωρικών επιδράσεων στην πηγή άνθρακα. Τέλος οι πύργοι κινητών ροών μπορούν να επιτρέψουν μια καλύτερη χωρική αναπαράσταση των περιφερειακών ροών διοξειδίων του άνθρακα, σε σχέση με τους πύργους σταθερών ροών, καθώς και την διευκόλυνση της χωρικής προβολής των ροών με ελάχιστη απώλεια της ακρίβειας από μετρήσεις ροής συγκεκριμένης τοποθεσίας.