Δεν υπάρχει μέρος να κρυφτείς: Ανίχνευση σπάνιων φυτών μέσω τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Δεν υπάρχει μέρος να κρυφτείς: Ανίχνευση σπάνιων φυτών μέσω τηλεπισκόπησης
No place to hide: Rare plant detection through remote sensing
Carlos Cerrejón, Osvaldo Valeria, Philippe Marchand, Richard T. Caners, Nicole J. Fenton. Diversity and Distributions (2021)
Πηγή: [1]
Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση προσφέρει ισχυρές εναλλακτικές στις παραδοσιακές μεθόδους εντοπισμού σπάνιων ειδών φυτών που περιορίζεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά τους και από τους περιορισμούς των ίδιων των τεχνικών. Δεδομένα υψηλής και πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης χρησιμοποιούνται για απευθείας αναγνώριση, αν και συχνά έχει περιορισμούς. Επίσης, καταγράφονται βιοχημικές συνθήκες σπάνιων φυτών μέσω των οποίων γίνεται έμμεση πρόβλεψή τους.
1. Εισαγωγή
Τα σπάνια φυτά είναι ιδιαίτερα ευάλωτα στην εξαφάνιση και έχει σημασία να διατηρούνται, καθώς αποτελούν βασικό κλειδί για τη βιοποικιλότητα, ενώ λόγω χαμηλής επικράτησης εντοπίζονται αρκετά δυσκολότερα. Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση αποτελεί μια οικονομική μέθοδο για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών της βιοποικιλότητας που επιτρέπει την ανίχνευση μεμονωμένων βιολογικών οντοτήτων, συναθροίσεις ειδών ή οικολογικές κοινότητες και την απόκτηση πληροφοριών που σχετίζονται με τη βιοποικιλότητα. Μελέτες με χρήση τηλεπισκόπησης για εστίαση ειδικά σε σπάνια φυτά δεν είναι κάτι κοινό, αν και ο αριθμός τους αυξάνεται τα τελευταία χρόνια. Ως ανερχόμενο πεδίο έρευνας, τα οφέλη της τηλεπισκόπησης στον εντοπισμό σπάνιων φυτών δεν είναι ξεκάθαρα. Η οπτική της σπανιότητας κατά τον Rabinowitz διακρίνει επτά τύπους σπανιότητας που βασίζονται σε τρία κριτήρια διχοτόμησης, τη γεωγραφική κατανομή, την ιδιαιτερότητα των οικοτόπων και το μέγεθος του τοπικού πληθυσμού.
2. Μέθοδοι
Η απευθείας ανίχνευση απαιτεί προηγούμενη γνώση της οικολογίας και της κατανομής ενός είδους και τη χρήση υψηλής χωρικής ανάλυσης εικόνων, ενώ μπορεί να γίνει είτε με οπτική αναγνώριση, είτε με μεθόδους ταξινόμησης της εικόνας. Η μοναδικότητα των μορφολογικών χαρακτηριστικών είναι το κλειδί για την αναγνώριση. Με ταξινόμηση παραδοσιακών έγχρωμων αεροφωτογραφιών έγινε η ανίχνευση του ενδημικού κάκτου Neobuxbaumia tetetzo στο Μεξικό. Όταν όμως τα μορφολογικά χαρακτηριστικά δεν είναι αρκετά, τα φασματικά κανάλια και οι παράγωγοι δείκτες αποτελούν αποδοτική εναλλακτική προσέγγιση για απευθείας ανίχνευση, όπως το Allium tricoccum Aiton και το ενδημικό Agathis australis που ανιχνεύθηκαν με χρήση δεικτών βλάστησης και υγρασίας από πολυφασματικούς και υπερφασματικούς δέκτες. Η χρησιμότητα δορυφορικών δεκτών υψηλής και πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης για απευθείας ανίχνευση, όπως των 5 από τα 6 απειλούμενα είδη δέντρων στο δάσος Dukuduku στη Νότια Αφρική με χρήση δορυφόρου WorldView-2 στα 2 μέτρα χωρική ανάλυση, αποτελεί σημαντικό πεδίο. Αντίστοιχα και η χρήση εικόνων SPOT χωρικής ανάλυσης 5 μέτρων που επέτρεψε την χαρτογράφηση του απειλούμενου και ενδημικού αλπικού δέντρου Larix chinensis Beissn στο όρος Taibai στην Κίνα. Επιπλέον, γίνονται μελέτες της συνδυαστικής χρήσης τηλεπισκοπικών δεδομένων από παθητικούς και ενεργούς δέκτες. Η χρήση υπερφασματικής πληροφορίας μαζί με δεδομένα LiDAR επέτρεψαν επιτυχή ανίχνευση των σπάνιων φυτών Quercus garryana Douglas ex Hook και Sequoiadendron giganteum στην Καλιφόρνια. Επιπλέον, με τηλεπισκόπηση γίνεται και η απευθείας ανίχνευση σπάνιων φυτών στο υδάτινο περιβάλλον, όπως η ανίχνευση και χαρτογράφηση του ενδημικού είδους Posidonia oceanica στη Μεσόγειο Θάλασσα με χρήση παραδοσιακών έγχρωμων αεροφωτογραφιών και δεδομένα από τον δορυφόρο WorldView-2.
Η απευθείας προσέγγιση όχι μόνο προσφέρει δυνατότητα ανίχνευσης σπάνιων φυτών, αλλά και εκτίμησης της κατάστασής τους. Επίσης, περιγράφεται η πιθανότητα της προσέγγισης απευθείας ανίχνευσης όχι μόνο να ανιχνεύει σπάνια φυτά, αλλά επίσης να τα καταγράφει χωρικά και χρονικά ή ακόμα και να εντοπίζονται νέοι πληθυσμοί τους. Με έμμεση προσέγγιση τηλεπισκόπησης γίνεται πρόβλεψη σπάνιων φυτών κάτω από περιβαλλοντικές συνθήκες όπου η απευθείας ανίχνευση δεν θα ήταν δυνατή. Υψηλή απόδοση πρόβλεψης επιτεύχθηκε για το ενδημικό φυτό Euphorbia fontqueriana Greuter με συνδυασμό δεδομένων ανάλυσης 2 μέτρων και δεικτών βλάστησης, χωρίς σχεδόν καθόλου συμβολή μη τηλεπισκοπικών μεταβλητών του εδάφους. Πιο μετριοπαθείς προβλέψεις έγιναν για χαρτογράφηση των οικοτόπων οκτώ απειλούμενων ειδών στην Ιαπωνία με χρήση υπερφασματικών δεδομένων.
Επίσης ακριβείς προβλέψεις παρέχονται και με την ενσωμάτωση παράγωγου χάρτη βλάστησης από δεδομένα Quickbird μαζί με τοπογραφικές μεταβλητές για τρία απειλούμενα είδη στα νησιά Moorea. Το ενδημικό φυτό Schoenocrambe suffrutescens χαρτογραφήθηκε επιτυχώς συνδυάζοντας μεγάλη ποικιλία τηλεπισκοπικών παραγόντων, περιλαμβανομένων τοπογραφικών μεταβλητών, φασματικών καναλιών, καθώς και δείκτες βλάστησης, υγρασίας και εδάφους. Η χρήση τηλεπισκόπησης μέτριας ανάλυσης είναι πιο κοινή μέθοδος και χρησιμοποιεί πολύ ευρύτερη ποικιλία παραγόντων πρόβλεψης απ’ ότι όταν χρησιμοποιούνται υψηλής και πολύ υψηλής ανάλυσης δεδομένα. Μοντελοποιήθηκαν κατανομές 19 ειδών δέντρων από σπάνια σε πιο κοινά και βρέθηκε ότι τα μοντέλα που συνδυάζουν τηλεπισκοπικούς και μη τηλεπισκοπικούς παράγοντες παρέχουν καλύτερη απόδοση για όλα τα είδη, και ακόμα περισσότερο για εκείνα που είναι πιο σπάνια. Επιπλέον, μπορούν να παρέχονται πληροφορίες που αφορούν γεωλογικές συσχετίσεις για την πρόβλεψη σπάνιων φυτών. Μόνο ένας γεωλογικός δείκτης Landsat κατέστησε εφικτή την πρόβλεψη της καταλληλότητας οικότοπου για 6 εδαφικά ενδημικά είδη στη Νεβάδα. Η τηλεπισκόπηση παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για τις θέσεις σπάνιων φυτών με καλή προβλεπτικότητα σε υψηλές και μέσες αναλύσεις, έτσι ώστε όχι μόνο να χαρακτηρίζονται οι οικότοποι σπάνιων φυτών, αλλά και να καταγράφονται χωρικά και χρονικά. Αναδεικνύεται η πρακτική αξία των μοντέλων πρόβλεψης να βασίζονται μερικώς ή και εξ ολοκλήρου σε τηλεπισκοπικούς παράγοντες πρόβλεψης. Καθώς τα σπάνια φυτά συνήθως εμφανίζουν χαμηλή επικράτηση, η συνολική απόδοση πρόβλεψης μετρητικά οδηγεί συνήθως σε υπεραισιόδοξα αποτελέσματα σχετικά με την ακρίβεια των μοντέλων. Έτσι, προτείνεται η χρήση δύο συμπληρωματικών μετρήσεων για να αξιολογηθεί η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει την παρουσία σπάνιων φυτών και συγκεκριμένα την ευαισθησία και την ακρίβεια. Ευαισθησία και ακρίβεια είναι απόλυτα ενδεικτικές μετρήσεις της πρακτικής χρησιμότητας των μοντέλων για την εύρεση νέων τοποθεσιών σπάνιων φυτών. Υπάρχουν χαρακτηριστικά των σπάνιων φυτών που σχετίζονται με τη μορφολογία, τη φαινολογία, τη φυσιολογία και την οικολογική τους θέση και τα οποία είναι κοινά για σπάνια και κοινά φυτά. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των σπάνιων φυτών παρέχουν καθοριστικές πληροφορίες για την απευθείας ανίχνευσή τους, ενώ απαιτούνται δύο συνθήκες γι’ αυτό, η πολύ υψηλή χωρική ανάλυση και η ημερομηνία στην οποία λήφθηκε η τηλεπισκοπική εικόνα να αντιστοιχεί σε χρόνο που το φυτό φέρει το ξεχωριστό αυτό μορφολογικό χαρακτηριστικό που επιτρέπει τη διάκρισή του. Έτσι έγινε η απευθείας ανίχνευση του σπάνιου Boronia deanei με βάση τα ροζ λουλούδια του και τη μορφή ανάπτυξής του.
Οι φαινολογικές διαδικασίες μπορούν να ωφελήσουν την απευθείας ανίχνευση, εάν πληρούνται οι προηγούμενες προϋποθέσεις. Η φασματική ακτινοβολία που σχετίζεται με φαινολογικά χαρακτηριστικά μπορεί να επηρεάσει άμεσα τις πληροφορίες που καταγράφονται στους τηλεπισκοπικούς δέκτες. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί μια ακούσια προκατάληψη όταν προβλέπονται πιθανώς κατάλληλοι οικότοποι φυτών καθώς οι καταγεγραμμένες πληροφορίες σχετίζονται με την πραγματική κατανομή τους. Οι προβλέψεις σπάνιων δέντρων βελτιώθηκαν με την ένταξη πολύ-χρονικών παραγόντων των οποίων η χωρική πληροφορία επηρεάζεται απευθείας από τα φαινολογικά χαρακτηριστικά των φύλλων τους, έτσι έχει γίνει η ανίχνευση φαινολογικών αλλαγών στα φύλλα τεσσάρων σπάνιων φυτών μελέτης. Η φασματική πληροφορία των φυτών επηρεάζεται από τα φυσιολογικά χαρακτηριστικά τους, όπως η συγκέντρωση και η κατανομή των βιοχημικών συστατικών. Η χρήση πολυφασματικών καναλιών και φυσιολογικών δεικτών σε υψηλή χωρική ανάλυση έχει δείξει σημαντική συμβολή στην ανίχνευση σπάνιων ειδών δέντρων. Επιπλέον, ωφέλιμη μπορεί να είναι και η χρήση υπερφασματικών καναλιών και δεκτών LiDAR που μπορούν να εκτιμήσουν τα φυσιολογικά χαρακτηριστικά των φυτών με περισσότερη λεπτομέρεια. Οι ενεργοί εναέριοι δέκτες ανιχνεύουν φυτά υπό κάλυψη, ενώ η αποδοτικότητα της έμμεσης τηλεπισκοπικής προσέγγισης βασίζεται σε δύο συνθήκες, την χωρική ανάλυση του δέκτη που πρέπει να προσαρμόζεται στο μέγεθος της περιοχής και οι ιδιαιτερότητες της περιοχής των σπάνιων φυτών για τον καθορισμό της ακρίβειας της πρόβλεψης. Η απόδοση της πρόβλεψης των μοντέλων μπορεί να διαφέρει μεταξύ τύπων σπάνιων φυτών. Η γεωγραφική κατανομή των ειδών έχει μια έμμεση παρά άμεση επίδραση στην απόδοση των μοντέλων πρόβλεψης μέσω της απόκτησης τηλεπισκοπικών προϊόντων. Η ιδιαιτερότητα του οικοτόπου επηρεάζει την απόδοση πρόβλεψης του μοντέλο, όπως και το μέγεθος του τοπικού πληθυσμού, καθώς είδη με μικρότερους πληθυσμούς είναι πιο ευάλωτα σε δημογραφικά, περιβαλλοντικά και γενετικά τυχαία γεγονότα ή ανθρώπινη παρέμβαση που μπορεί να μειώσει την πιθανότητα αντίστασής τους. Αυτό οδηγεί σε χαμηλό ποσοστό κατειλημμένων κατάλληλων τοποθεσιών που θα μειώσει την ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου. Αντίθετα, είδη με μεγαλύτερους πληθυσμούς είναι πιο ανθεκτικά και κατ’ επέκταση πιο σταθερά στο χρόνο. Η απόδοση πρόβλεψης μπορεί να επηρεάζεται αρνητικά από την έκταση της γεωγραφικής κατανομής και θετικά από την ιδιαιτερότητα του οικότοπου και το μέγεθος του τοπικού πληθυσμού. Έτσι, η πρόβλεψη ευρέως κατανεμημένων σπάνιων φυτών μέσω του συνολικού τους εύρους κατανομής δεν είναι πρακτική για την ανίχνευσή τους.
3. Συμπεράσματα
Η άμεση και έμμεση χρήση τηλεπισκόπησης παρέχει εξαιρετικές πιθανότητες για την ανίχνευση και πρόβλεψη σπάνιων φυτών στο χερσαίο και το υδάτινο περιβάλλον. Η απευθείας ανίχνευση είναι συχνά περιορισμένη, αλλά δυνατή με υψηλής και πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης δεδομένα για είδη με χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Γενικά, οι παράγοντες πρόβλεψης με τηλεπισκόπηση συμβάλλουν θετικά στην απόδοση πρόβλεψης όταν συνδυάζονται με μη τηλεπισκοπικούς. Μερικά χαρακτηριστικά σπάνιων φυτών επηρεάζουν τη δυνατότητα για απευθείας εντοπισμό τους με τηλεπισκόπηση, κάτι που επηρεάζεται από το χώρο που καταλαμβάνει ένα είδος. Από την άλλη, η απόδοση πρόβλεψης των τηλεπισκοπικών εικόνων πρέπει να ταιριάζει το μέγεθος του οικοτόπου που καταλαμβάνεται από τα είδη, αλλιώς μικροί οικότοποι μπορεί να μένουν αδιάκριτοι σε χαμηλές αναλύσεις. Παρόμοια, η απόδοση πρόβλεψης μοντέλων μπορεί να επηρεάζεται από τη σπανιότητα του είδους σύμφωνα με τα κριτήρια ταξινόμησης της σπανιότητας. Εμφανίσεις νέων σπάνιων φυτών μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισαγωγής για τη βελτίωση μοντέλων πρόβλεψης, για την απόκτηση καλύτερης γνώσης και βοήθεια κατανόησης των αιτιών της σπανιότητάς τους και ενημέρωσης της κατάστασης διατήρησής τους. Αναδεικνύονται έτσι οι ισχυρές δυνατότητες της τηλεπισκόπησης στην ανίχνευση και πρόβλεψη σπάνιων φυτών με πρακτικές εφαρμογές στη διατήρηση και διαχείριση σπάνιων ειδών.
