Εκτίμηση της καταστροφής των δασών από τυφώνες χρησιμοποιώντας δορυφορική τηλεπισκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Authors: Wanting Wang, John J. Qu, Xianjun Hao, Yongqiang Liu, John A. Stanturf

Εισαγωγή

Στη συγκεκριμένη δημοσίευση αναπτύσσεται ένας γρήγορος αλγόριθμος για την εκτίμηση της καταστροφής που υφίστανται τα δάση από τους τυφώνες, χρησιμοποιώντας μετρήσεις MODIS. Συγκεκριμένα ερευνάται μέσω στατιστικής ανάλυσης η απόδοση πέντε συνήθως χρησιμοποιούμενων επιπέδων βλάστησης, ως δείκτες της καταστροφής των δασών από το πέρασμα των τυφώνων. Ο Κανονικοποιημένος Δείκτης Υπέρυθρης Ακτινοβολίας (NDII) προσδιορίστηκε ως ο βέλτιστος δείκτης μεταξύ των εναλλακτικών δεικτών βλάστησης. Επιπρόσθετα, σχεδιάζεται και τεκμηριώνεται μια προσέγγιση της ανίχνευσης της δασικής ζημιάς σε περιφερειακή κλίμακα, χωρίς να δοθεί βάση στην απογραφή του εδάφους ή να πραγματοποιηθεί κάποια δειγματοληψία. Εξήχθη το συμπέρασμα ότι η σχετική αλλαγή του δείκτη NDII πριν και μετά το πέρασμα του τυφώνα εξαρτάται γραμμικά από μέγεθος της καταστροφής που εκτιμάται από την απογραφή του εδάφους με συντελεστή προσδιορισμού της τάξης του 0.79. Η συγκεκριμένη προσέγγιση εφαρμόστηκε για την αξιολόγηση της σφοδρότητας της δασικής καταστροφής καθώς και του αντίκτυπου στην γύρω περιοχή του Τυφώνα Κατρίνα. Οι τυφώνες αποτελούν έναν σημαντικό παράγοντα ενόχλησης των δασικών οικοσυστημάτων των νοτιοανατολικών πολιτειών των ΗΠΑ. Ένας ισχυρός τυφώνας είναι σε θέση να επηρεάσει εκτενώς τη σύνθεση, τη δομή καθώς επίσης και την αλληλουχία των δασικών εκτάσεων με άμεση συνέπεια την επιρροή του τρόπου απόληξης του άνθρακα. Η εκτίμηση του αντίκτυπου των τυφώνων στις δασικές περιοχές βασίζεται παραδοσιακά στην εδαφολογική έρευνα, στις αεροφωτογραφίες, στα οικολογικά μοντέλα, στα μοντέλα θύελλας, στα μοντέλα τοπογραφικής έκθεσης ή στο συνδυασμό αυτών των μεθόδων. Η έρευνα για την δορυφορική τηλεπισκόπηση της ζημιάς που προκαλείται στα δάση από τους τυφώνες άρχισε τη δεκαετία του ’90, επειδή τα δορυφορικά δεδομένα εμφανίζουν υψηλή χρονική και χωρική ανάλυση, καθώς επίσης και εκτενή κάλυψη σχετικά με επίγειες και εναέριες μετρήσεις.

Μέθοδοι

Στην συγκεκριμένη δημοσίευση, έγινε χρήση του MODIS NBAR (MOD43B4) με σκοπό να προκύψουν οι δείκτες βλάστησης NDVI, EVI και NDII για την περιοχή του φυσικού δάσους De Soto νότια του ποταμού Μισισιπή, η οποία επλήγη τον Αύγουστο του 2005 από τον τυφώνα Κατρίνα. Το εν λόγω σύστημα εμπεριέχει ορατές και υπέρυθρες ακτίνες βραχέων κυμάτων (SWIR) αντικατοπτρισμού της επιφάνειας της γης που προσαρμόζονται στις οπτικές εικόνες κατώτερου σημείου, με ανάλυση της τάξης του ενός km στη μέση ηλιακή γωνία ζενίθ της περιόδου των 16 ημερών. Παρέχει την φασματική αντανάκλαση της επιφάνειας του εδάφους όπως είναι δυνατό να μετρηθεί από το επίπεδο του εδάφους χωρίς ατμοσφαιρική σκέδαση ή απορρόφηση. Οι δασικές εκτάσεις εξακριβώθηκαν μέσω του τύπου κάλυψης της ξηράς IGBP του συστήματος MODIS, ενώ η αλλαγή των δεικτών LAI και Fpar λόγω της σάρωσης του τυφώνα προέκυψε μέσω των τύπων MODIS LAI και FPAR. Όλα τα προαναφερθέντα υποσυστήματα του MODIS προμηθεύτηκαν στα πλαίσια της παρούσας μελέτης από την πύλη δεδομένων LC DAAC EOS. Στο σημείο αυτό, πρέπει να σημειωθεί ότι η επιλογή του MODIS κρίνεται ως η βέλτιστη για την παρακολούθηση αλλαγών της βλάστησης σε επιφάνειες της γης ευρείας χωρικής κλίμακας. Η σημαντικότερη πρόκληση κατά την ανίχνευση απότομων μεταβολών μεγάλης κλίμακας της βλάστησης, είναι η εξάλειψη των σφαλμάτων που προκύπτουν από τη φαινολογία της βλάστησης, τις επιπτώσεις της ατμόσφαιρας καθώς και την αντανάκλαση του εδάφους. Η πρόκληση αυτή αντιμετωπίζεται επιτυχώς μέσω του γεω-καταχωρημένου MODIS NBAR και του αλγορίθμου CLEAN, ο οποίος βασίζεται στη θεωρία του μετασχηματισμού Fourier και χρησιμοποιείται για την συμπλήρωση των κενών που προκύπτουν από παρατηρήσεις χαμηλής ποιότητας των μελετώμενων δεικτών βλάστησης.

Αποτελέσματα

Στο σχήμα 1 φαίνεται η σχετική μεταβολή των δεικτών βλάστησης που προέκυψε μετά το πέρασμα του καταστροφικού τυφώνα Κατρίνα. Συγκεκριμένα στο σχήμα 1(a) παρατίθεται ο χάρτης της σοβαρότητας της καταστροφής που παρουσιάστηκε από την Δασική Υπηρεσία USDA, ενώ στα σχήματα 1(b) έως (f) φαίνεται η σχετική αλλαγή των δεικτών βλάστησης NDII, NDVI, EVI, LAI και Fpar μετά το πέρασμα του τυφώνα και ειδικότερα στις 14 Σεπτεμβρίου 2005. Παρατηρώντας το σχήμα 1(a), φαίνονται επισημασμένες δύο περιοχές. Η περιοχή η οποία επισημαίνεται με το μαύρο κουτί, αντιστοιχεί στην περιφέρεια με την σφοδρότερη ζημιά, η οποία χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των στατιστικών μεταβλητών, ενώ η περιοχή που εσωκλείεται στο κόκκινο κουτί είναι ενδεικτική των ορίων της καταστροφής. Στα σχήματα 1(b) έως (f), η μωβ γραμμή αντιστοιχεί στην πορεία του τυφώνα ενώ η κόκκινη ζώνη στα αριστερά κεντράρεται κατά μήκος του ποταμού Μισισιπή, όπου το μεγαλύτερο μέρος του εδάφους είναι καλλιεργήσιμο. Για να διευκολυνθεί η σύγκριση χρησιμοποιείται η ίδια χρωματική κλίμακα, όπου το πράσινο και το μπλε αναπαριστά την αύξηση των δεικτών βλάστησης μετά τον τυφώνα, ενώ το κίτρινο, το πορτοκαλί και το κόκκινο αντιστοιχεί στην καταστροφή που προκλήθηκε από το πέρασμά του. Συγκρίνοντας το σχήμα 1(a) με τα υπόλοιπα σχήματα των δεικτών βλάστησης, προκύπτει ότι ο δείκτης NDII συμφωνεί περισσότερο με τα αποτελέσματα της Δασικής Υπηρεσίας USDA από ότι οι δείκτες NDVI και EVI. Επιπρόσθετα, οι δείκτες LAI και Fpar δεν είναι σε θέση να υποδείξουν τις περιοχές που επλήγησαν περισσότερο που φαίνονται στο σχήμα 1(a) και αυτό γιατί το σύστημα MODIS FPAR υποεκτιμά σημαντικά το εύρος της μεταβολής του δείκτη Fpar. Συνεπώς, οι δείκτες NDVI, NDII και EVI, οι οποίοι είναι σε θέση να αναπαραστήσουν την καταστροφή που προκαλείται από τους τυφώνες σε ικανοποιητικό βαθμό, αναλύονται διεξοδικά όσον αφορά στις στατιστικές παραμέτρους.

Σχήμα 1: Σχετική μεταβολή των δεικτών βλάστησης μετά το πέρασμα του τυφώνα Κατρίνα

Στα πλαίσια της συγκεκριμένης δημοσίευσης, αναπτύχθηκε επίσης ένας ταχύς αλγόριθμος εκτίμησης της καταστροφής των δασών από το πέρασμα των τυφώνων, ο οποίος αποτελείται από 7 βήματα. Η εφαρμογή του αλγορίθμου για την περιοχή του δάσους De Soto που επλήγη από τον τυφώνα Κατρίνα, οδήγησε στην εξαγωγή του χάρτη απεικόνισης της σοβαρότητας της ζημιάς που παρατίθεται στο σχήμα 2. Ο χάρτης αυτός αναπαριστά την κατανομή της δασικής καταστροφής σε μια κλίμακα [0,1] σε επίπεδο εικονοστοιχείου. Τα εικονοστοιχεία χρώματος ανοιχτού γκρι δείχνουν ότι δεν υφίσταται ζημιά, ενώ τα χρώματος από μπλε, πράσινο κίτρινο έως και κόκκινο ισοδυναμούν με την κλιμακωτή σφοδρότητα της καταστροφής από ελαφριά έως και ιδιαίτερα σημαντική.

Σχήμα 2: Σοβαρότητα δασικής καταστροφής ανά εικονοστοιχείο

Συμπέρασμα

Συνοψίζοντας, στην παρούσα δημοσίευση αναπτύχθηκε μια καινοτόμος προσέγγιση για τον προσδιορισμό της καταστροφής των δασικών περιοχών από τους τυφώνες μέσω δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Η στατιστική ανάλυση και η σύγκριση των μελετώμενων δεικτών βλάστησης με τα αποτελέσματα της Δασικής Υπηρεσίας USDA οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ο δείκτης NDII είναι βέλτιστος για την εκτίμηση της δασικής καταστροφής. Επιπρόσθετα, η ανάπτυξη ενός γρήγορου αλγορίθμου συγκρινόμενου με τις μετρήσεις που έλαβαν χώρα στο έδαφος της υπό μελέτη δασικής περιοχής του De Soto, έδειξε γραμμική εξάρτηση του δείκτη NDII και της συνολικής καταστροφής με συντελεστή προσδιορισμού r2 = 0,79 και p-value < 0,0001.