Εκτίμηση της επίδρασης της μεταβολής της βλάστησης στις βροχοπτώσεις και την θερμοκρασία...
Από RemoteSensing Wiki
Εκτίμηση της επίδρασης της μεταβολής της βλάστησης στις βροχοπτώσεις και την θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους χρησιμοποιώντας την τηλεπισκόπηση στο υποτροπικό κλίμα της Αιθιοπίας
Πρωτότυπος τίτλος: An assessment of the vegetation cover change impact on rainfall and land surface temperature using remote sensing in a subtropical climate, Ethiopia
Συγγραφείς: Worku Nega a,c,*, Binyam Tesfaw Hailu a,d, Aramde Fetene b*
a* School of Earth Science, College of Natural and Computational Sciences, Addis Ababa University, Ethiopia
b* Ethiopian Institute of Architecture, Building Construction & City Development (EiABC), Addis Ababa University, Ethiopia
c* Institute of Land Administration, Department of Land Administration and Surveying, Debre Markos University, Ethiopia
d* Philipps-Universitat Marburg, Department of Geography, Deutschhausstraße 12, 35032, Marburg, Germany
Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing Applications: Society and Environment, Νοέμβριος 2019
Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]
Λέξεις-Κλειδιά: βροχόπτωση, θερμοκρασία, βλάστηση
Αντικείμενο Εφαρμογής
Σκοπός της μελέτης είναι να αξιολογηθούν οι μεταβολές της βλάστησης για την περίοδο από το 1985 έως το 2017 και να αξιολογηθούν οι επιπτώσεις της στις βροχοπτώσεις και στην επιφανειακή θερμοκρασία του εδάφους σε μια εξαιρετικά αποψιλωμένη και πολυπληθή περιοχή της Αιθιοπίας.
Εισαγωγή
Η μελέτη του ποσοστού της βλάστησης και των επιπτώσεών του στο περιβάλλον με τη χρήση τηλεπισκόπησης αποτελεί βασικό ζήτημα για αποτελεσματική λήψη αποφάσεων στη διατήρηση των φυσικών πόρων. Η αποψίλωση έχει ήδη επηρεάσει σημαντικά το κλίμα στην Αιθιοπία και αποτελεί σοβαρή απειλή για τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, την απώλεια της βιοποικιλότητας, την ερημοποίηση και τον εκτοπισμό ανθρώπων. Η τεχνολογία τηλεπισκόπησης είναι σημαντική για την παρατήρηση και την ποσοτικοποίηση των φυσικών πόρων και των δυναμικών φαινομένων στην επιφάνεια της Γης. Τα τελευταία χρόνια, τα δεδομένα τηλεπισκόπησης έχουν αξιολογήσει αποτελεσματικά τις μακροπρόθεσμες αλλαγές στην κάλυψη της βλάστησης. Οι δορυφορικές εικόνες συνιστούν ένα οικονομικά αποδοτικό μέσο για συλλογή και ανάλυση δεδομένων κάλυψης γης σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Η χαρτογράφηση, η ποσοτικοποίηση και η παρακολούθηση της κάλυψης γης είναι απαραίτητες για την κατανόηση της τρέχουσας κατάστασης του τοπίου. Η εκτίμηση των χωροχρονικών αποκλίσεων της βλάστησης αποτελεί βασικό δείκτη για την κατανόηση των φυσικών αλλαγών του περιβάλλοντος. Ο NDVI μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης για τη μελέτη της διαχρονικής μεταβλητότητας της βλάστησης. Η μελέτη αυτή διερευνά τις επιπτώσεις της βλάστησης στις βροχοπτώσεις και την LST της ζώνης North Gondar για την περίοδο 1985-2017 χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση και στατιστική ανάλυση.
Μεθοδολογία-Ανάλυση
- Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι η North Gondar Zone στην Αιθιοπία. Περιλαμβάνει 23 διοικητικές περιφέρειες και καλύπτει συνολική έκταση 4.476.421 εκτάρια με συνολικό πληθυσμό περίπου 3,5 εκ. Το κλίμα της περιοχής είναι υποτροπικό, δηλαδή θερμό κατά τη διάρκεια της ξηράς περιόδου (Οκτώβριος - Φεβρουάριος) και κρύο κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχών (Ιούνιος – Σεπτέμβριος) με μέση εποχιακή θερμοκρασία μεταξύ 20 και 25οC.
- Γεωχωρικά δεδομένα
Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί διάφορους τύπους δεδομένων τηλεπισκόπησης. Περιλαμβάνει πολυφασματικές εικόνες από τον Landsat 8 OLI (2017) και Landsat 5 TM (1985, 2000 και 2010) για την ανάλυση της βλάστησης όπως επίσης και δεδομένα MODIS/Terra LST (land surface temperature) από το 2000 έως το 2017 για την ανάλυση της τάσης της επιφανειακής θερμοκρασίας (LST). Ακόμη, για την ανάλυση της βροχόπτωσης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το Climate Hazards Group Infrared Precipitation with Stations (CHIRPS) για τα έτη 1981-2017.
- Προεπεξεργασία δεδομένων
Σε αυτή τη μελέτη, εφαρμόστηκαν ατμοσφαιρικές και ραδιομετρικές διορθώσεις, χρησιμοποιώντας το λογισμικό ERDAS Imagine 2015. Τα σύνολα δεδομένων MODIS διατέθηκαν στη μορφή ιεραρχικών δεδομένων (HDF) και για τη μετατροπή αυτών των αρχείων στο κατάλληλο σύστημα συντεταγμένων (Adindan UTM Zone 37 N) και στην μορφή tiff , χρησιμοποιήθηκε το ArcGIS 10.3.
- NDVI και οριοθέτηση εικόνας
Ο NDVI είναι ένας δείκτης βλάστησης που διακρίνει αποτελεσματικά την ύπαρξη της βλάστησης. Η τιμή NDVI ενός εικονοστοιχείου κυμαίνεται μεταξύ -1 και 1. Υψηλότερες τιμές υποδηλώνουν πλουσιότερη και υγιέστερη βλάστηση, ενώ οι τιμές πιο κοντά στο 0 και το -1 αντιστοιχούν σε άγονες εκτάσεις και υδάτινες επιφάνειες αντίστοιχα. Η σχέση το δείκτη NDVI είναι η ακόλουθη:
Εφαρμόστηκαν όρια για τον προσδιορισμό των ελάχιστων και μέγιστων τιμών κατωφλίου μίας επεξεργασμένης εικόνας NDVI. Στη μελέτη αυτή, το όριο καθορίστηκε στην τιμή 0,45. Οι δορυφορικές εικόνες με NDVI> 0.45 ταξινομήθηκαν ως βλάστηση και τα εικονοστοιχεία με τιμή <0.45 ταξινομήθηκαν ως περιοχές χωρίς βλάστηση. Σε αυτή τη μελέτη στις ταξινομημένες εικόνες χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος image differencing για την ανίχνευση των μεταβολών της βλάστησης.
- Αξιολόγηση ακριβείας
Στη μελέτη αυτή, η ακρίβεια εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας σημεία ελέγχου εδάφους από παρατηρήσεις πεδίου ως κύρια πηγή δεδομένων αναφοράς συμπληρωματικά με τα σημεία του Google Earth. Συνολικά 500 σημεία αναφοράς και από τις δύο πηγές χρησιμοποιήθηκαν για να ταξινομήσουν την δορυφορική εικόνα και να επαληθεύσουν το αποτέλεσμα. Ακόμη υπολογίστηκε ο συντελεστής k ο οποίος δίνει μια εκτίμηση της συνολικής συμφωνίας μεταξύ των εικόνων και των στοιχείων αναφοράς.
- Υπολογισμός επιφανειακής θερμοκρασίας
Τα δεδομένα MODIS LST με χωρική ανάλυση 1 km βαθμονομήθηκαν για να λαμβάνουν τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου με βάση την παρακάτω σχέση:
Θερμοκρασία(οC)= (ψηφιακός αριθμός*0.02)-273.15)
Η μέση μηνιαία τιμή LST για κάθε έτος στην περίοδο μελέτης (2000-2017) υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την αριθμομηχανή raster στο ArcGIS προσθέτοντας τέσσερις διαδοχικές σύνθετες εικόνες διάρκειας 8 ημερών και διαιρώντας με το 4. Στη συνέχεια, ο μέσος όρος LST της περιόδου ξηρασίας για κάθε έτος της περιόδου μελέτης υπολογίστηκε με βάση το λόγο του αθροίσματος του μηνιαίου LST για κάθε μήνα του έτους προς το 7, το οποίο δείχνει τον αριθμό των μηνών ξηρής περιόδου (Οκτώβριος-Απρίλιος ).
- Ανάλυση τάσεων και στατιστική ανάλυση
Η τάση των δεδομένων βροχόπτωσης και LST αναλύθηκε χρησιμοποιώντας το Mann-Kendall trend που δείχνει κατά πόσο οι τάσεις των χρονοσειρών της βροχόπτωσης και του LST μειώνονται, αυξάνονται ή δεν υπάρχουν. Ακόμη, για να ελεγχθεί ο συσχετισμός μεταξύ της κάλυψης από βλάστηση με τις μέσες ετήσιες τιμές των βροχοπτώσεων και της επιφανειακής θερμοκρασίας εφαρμόστηκε σε κάθε εικονοστοιχείο ο συντελεστής συσχέτισης Pearson (PCC).
Αποτελέσματα
- NDVI και καλύψεις γης
Σύμφωνα με την Εικόνα 1 για τα έτη 1985 και 2017, o NDVI της περιοχής μελέτης κυμαίνεται από +1.00 έως -0.51 και +0.53 έως -0.22, αντίστοιχα. Το 2000 και 2010 οι τιμές NDVI κυμαίνονταν από -0,56 έως 0,67 και από -0,53 έως 0,63 αντίστοιχα. Συνολικά, η μέγιστη τιμή του δείκτη βλάστησης μειώθηκε από 1,00 το 1985 σε 0,53 το 2017συνεπώς, η κάλυψη της βλάστησης ήταν μεγαλύτερη το 1985 από ό,τι το 2017. Σύμφωνα με την Εικόνα 2 μέχρι το 2000, η βλάστηση είχε μειωθεί στο 3,9% της συνολικής έκτασης. Μέχρι το 2017, μόνο το 2,6% της περιοχής μελέτης καλυπτόταν από βλάστηση. Συνολικά, η ζώνη North Gondar έχει χάσει περίπου το 2,1% της κάλυψης από βλάστηση τα τελευταία 32 χρόνια.
- Αξιολόγηση ακριβείας
Για το 1985, η αξιολόγηση ακρίβειας δείχνει ότι η συνολική ακρίβεια ήταν 86,4% με συντελεστή k=0,72. Ενώ το 2017 η συνολική ακρίβεια της εικόνας ταξινόμησης (92,2%) και του συντελεστή k (0,84) βελτιώθηκαν αμφότερες.
- Ανάλυση τάσεων ετήσιας βροχόπτωσης και ξηρής περιόδου LST
Η Mann-Kendall trend έδειξε ότι οι αλλαγές στη μέση, την ελάχιστη και την μέγιστη ετήσια βροχόπτωση κατά την περίοδο μελέτης ήταν στατιστικά αμελητέες. Ωστόσο, σε όλες τις τιμές παρατηρήθηκε μία μικρή ανοδική τάση κατά την περίοδο της μελέτης. Στην LST δεν διαπιστώθηκε καμία σημαντική τάση κατά την περίοδο της μελέτης.
- Σχέση μεταξύ NDVI και βλάστησης με τις βροχοπτώσεις
Η συσχέτιση Pearson δείχνει ότι ο NDVI και οι βροχοπτώσεις έχουν μέτρια συσχέτιση, με συντελεστή συσχέτισης R= 0,76. Ωστόσο, η τοπική μέση ετήσια βροχόπτωση ελαττώθηκε κατά 143,9 mm πιθανόν επειδή η βλάστηση μειώθηκε συνολικά κατά 56952 ha στα βόρεια, κεντρικά και νοτιοανατολικά τμήματα της περιοχής μελέτης από το 2000 μέχρι το 2017.
- Σχέση μεταξύ NDVI και βλάστησης με την LST
Ο συντελεστής συσχέτισης που επιτυγχάνεται για τα LST και NDVI είναι k= -0,98. Αυτό δείχνει ότι το LST είναι έντονα, αρνητικά συσχετισμένο με το NDVI. Συνεπώς, περιοχές με το λιγότερη κάλυψη βλάστησης εμφανίζουν μεγαλύτερες επιφανειακές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η μέγιστη τιμή LST αυξήθηκε από 38,04 οC το 2000 σε 40,73 οC το 2010 ενώ η βλάστηση μειώθηκε σε μέγεθος από 173,971 ha το 2000 σε 141.785 ha το 2010. Για την περίοδο 2010 έως 2017, η βλάστηση μειώθηκε στα 117.019 ha και η μέγιστη LST έφτασε τους 42,63 οC.
Συμπεράσματα
Η μελέτη αυτή χρησιμοποιεί τις τιμές NDVI για την παρακολούθηση της βλάστησης στο κεντρικό, βόρειο και νοτιοανατολικό τμήμα της ζώνης North Gondar, της Αιθιοπίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η περιοχή μελέτης έχει χάσει το 2,1% της βλάστησης της τα τελευταία 32 χρόνια. Ακόμη, η περιοχή δείχνει μια τάση αύξησης της ελάχιστης, μέγιστης και μέσης ετήσιας βροχόπτωσης από το 1981 έως το 2017. Οι ετήσιες ελάχιστες, μέγιστες και μέσες βροχοπτώσεις αυξήθηκαν κατά 1,41 mm, 4,88 mm και 3,56 mm αντίστοιχα κατά την περίοδο της μελέτης. Το Mann-Kendall trend έδειξε επίσης ότι οι τάσεις στο ελάχιστο, μέγιστο και μέσο όρο LST δεν ήταν στατιστικά σημαντικές, ωστόσο, η ετήσια ελάχιστη, μέγιστη και μέση τιμή LST αυξήθηκε κατά 0,01οC, 0,09 ̊C και 0,03 ̊C, αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης. Οι στατιστική μελέτη έδειξε ότι μεταξύ των ετών 2000 και 2017, η μέση ετήσια βροχόπτωση μειώθηκε κατά 144 mm και η μέση ξηρή περίοδος LST αυξήθηκε κατά 2 ° C, καθώς η βλάστηση μειώθηκε κατά 56.952 ha.
