Δυναμική διαταραγμένων οικοσυστημάτων στην περιοχή της Αράλης, χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ

Από RemoteSensing Wiki

Disturbed ecosystems dynamics in the Aral sea region by remote sensing and GIS methods, Dr. R. Ressl, Dr. A. Ptichnikov, Prof. N. Novikova, Dr. P. Reimov, G. Kapustin, D. Forstman, http://www.spot-vegetation.com/vegetationprogramme/Pages/vgtprep/vgt2000/ressl.pdf

Αντικείμενο της εφαρμογής

Όταν στη δεκαετία του ’60 ξεκίνησε η έντονη αρδευτική δραστηριότητα από το δέλτα του Amu-Darya, αλλά και ολόκληρη την Αράλη, άρχισε και η αποξήρανση της λίμνης. Η οικολογική κατάσταση της περιοχής άλλαξε σε μεγάλο βαθμό τις τελευταίες δεκαετίες. Το φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον βρίσκονται σε μια δυναμική ισορροπία, καθώς προσπαθούν να προσαρμοστούν στις έντονες εσωτερικές και εξωτερικές πιέσεις.

Στόχος της εφαρμογής

Ο σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η παρακολούθηση της υπάρχουσας κατάστασης και της δυναμικής των οικοσυστημάτων στην Αράλη, ώστε να προσδιοριστεί η σοβαρότητα και ο βαθμός αποξήρανσης της λίμνης. Επίσης, εποχιακές και ετήσιες δυνητικές εξελίξεις στα οικοσυστήματα μελετήθηκαν, με τη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ. Τα εργαλεία των ΓΣΠ σε συνδυασμό με την επεξεργασία σε Η/Υ των ψηφιακών δορυφορικών εικόνων διαφορετικής διακριτικής ικανότητας, έπαιξαν σημαντικό ρόλο στη μεσο- και μακρο- ανάλυση της κάλυψης/ χρήσης γης, καθώς και στο σχεδιασμό και τη λήψη αποφάσεων.

Το αποτέλεσμα της ταξινόμησης για την εκτίμηση της ερημοποίησης στο δέλτα του Amu Darya

Η εκτίμηση της ερημοποίησης των υγροτόπων του Amu Darya, βασιζόμενη σε διαφορετικούς αισθητήρες (Landsat TM, Landsat MSS, βλάστηση)

Η εκτίμηση της ερημοποίησης των υγροτόπων του Amu Darya βασίστηκε στην πολυετή παρατήρηση στο πεδίο, σε μελέτη της βιβλιογραφίας καθώς και στη μελέτη της δυναμικής των οικοσυστημάτων μέσω τηλεπισκόπησης. Τα δεδομένα αυτά δείχνουν ότι η μεταβολή στα οικοσυστήματα του δέλτα λόγω της αποξήρανσης είναι διαφορετική, ανάλογα με τον τύπο του οικοσυστήματος και εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα του νερού (συμπεριλαμβανομένου του υπέργειου και του υπόγειου νερού), την τοπογραφία και το έδαφος. Γενικά τα οικοσυστήματα των υγροτόπων του Amu Darya μπορούν να διακριθούν σε τέσσερις κατηγορίες. Κάθε τύπος οικοσυστήματος μεταβάλλεται λόγω της αποξήρανσης και της υφαλμύρισης μέσα από μια διαδικασία τεσσάρων βημάτων. Κάθε στάδιο χαρακτηρίζεται από συγκεκριμένους περιβαλλοντικούς δείκτες όπως το ύψος της στάθμης του νερού, το περιεχόμενο σε αλάτι, κτλ. Το επίπεδο της ερημοποίησης μπορεί να εκτιμηθεί μέσω της φυτοκάλυψης, καθώς η παραγωγικότητα και η βιομάζα της βλάστησης μειώνονται όσο επέρχεται το φαινόμενο της ερημοποίησης και συνδέεται με το NDVI. Το επίπεδο της ερημοποίησης των οικοσυστημάτων του δέλτα εκτιμήθηκε με υψηλής διακριτικής ικανότητας δεδομένα Landsat TM του 1989 και του 1994, μεσαίας διακριτικής ικανότητας δεδομένα Landsat MSS και χαμηλής διακριτικής ικανότητας SPOT-4 δεδομένα βλάστησης. Ο χάρτης των οικοσυστημάτων του δέλτα του Amu Darya χρησιμοποιήθηκε για την ταξινόμηση. Η διαδικασία της ταξινόμησης εφαρμόστηκε ξεχωριστά για κάθε τύπο οικοσυστήματος. Για τη διαδικασία της επιβλεπόμενης ταξινόμησης των εικόνων του Landsat TM, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα ERDAS Imagine με περίπου 100 περιοχές εκπαίδευσης, ώστε να ταξινομηθεί σε επίπεδα η ερημοποίηση στα οικοσυστήματα του δέλτα. Το όγδοο συγχωνευμένο (merged) κανάλι του NDVI χρησιμοποιήθηκε επιπρόσθετα στα επτά φασματικά κανάλια του Landsat TM, με σκοπό να ενισχύσει την ταξινόμηση. Έτσι, δημιουργήθηκε το λεπτομερές πρότυπο ερημοποίησης του δέλτα του Amu Darya. Το πρότυπο αυτό έχει κλίμακα 1:50.000 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον προγραμματισμό κάθε περιβαλλοντικού ή αρδευτικού σχεδίου. Τα δεδομένα της βλάστησης ελέγχθηκαν για αντίστοιχη εκτίμηση. Η αρχική ιδέα ήταν να χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα υψηλής συχνότητας για να ελεγχθεί στο ενδιάμεσο χρονικό διάστημα η κατάσταση του υγροτόπου, έτσι ώστε να φανούν οι ανάγκες περαιτέρω ελέγχου και να δοθεί η δυνατότητα για γρήγορες αποφάσεις στον πολιτικό κόσμο. Λόγω, όμως, της έλλειψης δεδομένων υψηλής ανάλυσης για την περίοδο εκείνη, οι εκτιμήσεις δεν ήταν μεγάλης ακρίβειας, σχετίζονταν όμως με τα δεδομένα που έλαβε ομάδα πεδίου το 1998. Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι τα δεδομένα της βλάστησης προτείνονται για γρήγορες εκτιμήσεις της πορείας της ερημοποίησης, ειδικά για ελεγκτικούς σκοπούς. Για τις ακριβείς μετρήσεις προτείνονται τα δεδομένα του Landsat TM ή του Russian Resource.

Ο NDVI για τον Ιούνιο του 1998

Ο NDVI για το Σεπτέμβριο του 1998

Ο NDVI ως εργαλείο ανίχνευσης των αλλαγών στην κάλυψη της γης στους υγροτόπους

Σε παλιότερες μελέτες, χρησιμοποιήθηκαν Landsat TM δεδομένα υψηλής ανάλυσης διαφόρων ετών, για να μελετηθούν οι αλλαγές στους υγροτόπους του δέλτα. Στην περίπτωση της βλάστησης, υπήρχαν δεδομένα μόνο από το 1998, όμως παρείχαν τη δυνατότητα ελέγχου για εποχιακές αλλαγές. Για τη μέτρηση της δυναμικής αυτής, υπολογίστηκε ο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – απλή αριθμητική ένδειξη που φανερώνει αν η περιοχή μελέτης έχει ζωντανή βλάστηση ή όχι). Η σύγκριση των τιμών του δείχνει ότι:

• Η φυσική βλάστηση στη βόρεια πλευρά του δέλτα, όπως και στην περιφέρεια των οάσεων, έχει τη μέγιστη κάλυψη και βιομάζα τον Ιούνιο, ενώ μειώνεται σε μεγάλο βαθμό το Σεπτέμβριο.
• Ο NDVI είναι ένα καλό εργαλείο για το διαχωρισμό της εφημερικής και της αλοφυτικής φυσικής βλάστησης από την ομοιάζουσα με τη βλάστηση των υγροτόπων, λόγω της διαφοράς στον εποχιακό NDVI.

Τα σιτηρά δεν παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές στον NDVI κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης. Η συγκεκριμένη μελέτη έγινε με σκοπό τη σύγκριση της κατάστασης των οικοσυστημάτων της περιοχής Sudochie του δέλτα του Amu Darya. Συγκρίνοντας δεδομένα του 1989 (Landsat MSS) με δεδομένα του 1998 (βλάστηση) βρέθηκε ότι το εμβαδό της επιφάνειας του νερού μειώθηκε κατά 6%, και η ποσότητα της πολύ υποβαθμισμένης βλάστησης αυξήθηκε κατά 10%. Η ειδική σύγκριση έγινε μεταξύ του NDVI που προήλθε από το NOAA AVHRR (1994) και του τρέχοντος NDVI της βλάστησης. Η μελέτη αυτή έδειξε ότι το επίπεδο άρδευσης των υγροτόπων το 1998 ήταν συγκριτικά μεγαλύτερο από το 1994. Ο NDVI των υγροτόπων του 1998 για τους ίδιους μήνες (Ιούνιο, Σεπτέμβριο) ήταν αναλογικά μεγαλύτερος από το 1994. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τη μεγαλύτερη απορροή στο δέλτα το 1998 σε σχέση με το 1994.

Μοντέλο αλλαγής της κάλυψης γης στο δέλτα του Amu Darya

Η σύγκριση των τηλεπισκοπικών εικόνων μπορεί να αποτελέσει μια καλή βάση για την εκτίμηση του βαθμού ερημοποίησης και την παρακολούθηση των οικοσυστημάτων. Παρ’ όλ’ αυτά, η πρόβλεψη της δυναμικής των οικοσυστημάτων βασίζεται κυρίως στις συνθήκες του νερού και του εδάφους. Οι συνθήκες του εδάφους μπορούν να εκτιμηθούν από υπάρχοντες λιθολογικούς χάρτες, ενώ οι συνθήκες του νερού βασίζονται στο υψομετρικό επίπεδο και την τοποθεσία του κύριου καναλιού του Amu Darya και των παραποτάμων του. Τα παρακάτω βήματα ακολουθήθηκαν για τη δημιουργία του μοντέλου:

• Χαρτογράφηση των οικοσυστημάτων του δέλτα του Amu Darya με τηλεπισκοπικές εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας.
• Χαρτογράφηση της λιθολογίας του εδάφους.
• Δημιουργία του ψηφιακού υψομετρικού προτύπου (DEM) του δέλτα του Amu Darya, βασισμένο στις ισοϋψείς ενός χάρτη του δέλτα κλίμακας 1:25.000.
• Χαρτογράφηση της άρδευσης με τη χρήση τηλεπισκοπικών εικόνων της τελευταίας δεκαετίας, DEM και στατιστικών δεδομένων.
• Υπολογισμός ζωνών υδροστατικής επιρροής των καναλιών του ποταμού.
• Καθορισμός ημι-εμπειρικών εκτιμήσεων των αντιδράσεων των οικοσυστημάτων του δέλτα σε διαφορετικές συνθήκες άρδευσης για την ανάπτυξη κανόνων για τη λήψη αποφάσεων.
• Δημιουργία πινάκων διπλής εισόδου για τη λιθολογία και την άρδευση και χαρτογράφηση παραγόντων του τοπίου στο μη-αρδευόμενο δέλτα του Amu Darya.
• Δημιουργία ενός χάρτη πρόγνωσης των οικοσυστημάτων του δέλτα για το 2010 με την επικάλυψη του χάρτη οικοσυστημάτων και τη μήτρα εξόδου των περιβαλλοντικών συνθηκών χρησιμοποιώντας τους κανόνες λήψης αποφάσεων.

Τα αποτελέσματα της σύγκρισης της περιοχής των οικοσυστημάτων το 1989 και το 2010 παρουσιάζονται παρακάτω:

• Οι περιοχές των οικοσυστημάτων στο αρχικό στάδιο ερημοποίησης ή μη εκτεθειμένες στο φαινόμενο αναμένεται να αυξηθούν. Αυτό, συνδέεται με τα σχέδια να ποτιστούν κάποιες περιοχές του δέλτα και της Αράλης.
• Οι περιοχές των οικοσυστημάτων στο τρίτο στάδιο ερημοποίησης θα μειωθούν σε μεγάλο βαθμό. Αυτό, θα βασίζεται στη μερική μετάβαση σε μετα-υδρομορφική κατάσταση ή στην ανάστροφη δυναμική που προκλήθηκε από την άρδευση.
• Οι περιοχές σε μετα-υδρομορφική κατάσταση θα αυξηθούν κυρίως σε περιοχές βύθισης. Αντίθετα, οι περιοχές των ίδιων οικοσυστημάτων άλλων κατηγοριών θα μειωθούν ελαφρά λόγω της ανθρωπογενούς άρδευσης.
• Γενικά, τα οικοσυστήματα του δέλτα αναμένεται να διαχωριστούν σε τεχνητά και φυσικά ποτιζόμενα και μετα-υδρομορφικά.
• Η χωρική δομή των οικοσυστημάτων θα απλοποιηθεί και ο αριθμός των οικότονων θα μειωθεί οδηγώντας σε μείωση της βιοποικιλότητας.

Το μοντέλο είναι ένα πρώτο βήμα σε μια σοβαρή ανάλυση και πρόγνωση των περιβαλλοντικών συνθηκών στο δέλτα του Amu Darya. Τα δεδομένα της βλάστησης παρέχουν τη βάση για τη γρήγορη εκτίμηση και έλεγχο των οικολογικών διεργασιών του δέλτα.

Μερικές πρακτικές συστάσεις

Τα δεδομένα της βλάστησης δίνουν τη δυνατότητα:

• Προσδιορισμού και ανάλυσης της χωρικής δομής των οικοσυστημάτων
• Δημιουργίας χαρτών διαφορετικών παραμέτρων των οικοσυστημάτων, συμπεριλαμβανομένου του βάθους της ερημοποίησης, ετήσια και εποχιακή δυναμική της βλάστησης, κτλ.

Διαπιστώθηκε ότι τα δεδομένα της βλάστησης είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για τη διαμόρφωση των δυναμικών μοντέλων του οικοσυστήματος παράλληλα με την έρευνα που βασίζεται στα δεδομένα του Landsat. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτίμηση και τον έλεγχο οικολογικών διεργασιών στους υγροτόπους, όπως η ερημοποίηση. Η χρήση τους πρέπει να βασίζεται σε πιο έγκυρη ταξινόμηση, που θα προέρχεται από δεδομένα υψηλής διακριτικής ικανότητας, όπως Landsat TM ή SPOT.