Ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης και της δημογραφίας για αποτελεσματικότερη αξιολόγηση των αλλαγών της κατανομής των ορεινών δασών

Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπος Τίτλος: Integrating remote sensing and demography for more efficient and effective assessment of changing mountain forest distribution

Συγγραφείς: Peter J. Monleya, Daniel N.M. Donoghueb, Jan-Chang Chenc, Alistair S. Jumpa,

Πηγή

Εισαγωγή

Εικόνα 1. Διάφορες τοποθεσίες δασικών ζωνών σε πλαγιές βουνών

Η κλιματική αλλαγή παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στον περιορισμό της κατανομής των φυτών. Η κατανόηση του ρόλου που διαδραμάτισαν οι σύγχρονες κλιματικές αλλαγές στις μετατοπίσεις των ειδών είναι το επίκεντρο της μεγάλης δραστηριότητας τις τελευταίες δεκαετίες. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μία αύξηση του μέσου υψομέτρου στο οποίο εμφανίζονται κάποια είδη από 6.1 εώς και 12.2 μέτρα. Η παρατήρηση του υψομετρικού ορίου της αλπικής ζώνης ήταν πάντα ένας δείκτης για την κατανόηση των μεταβολών των ειδών, δεν μας λένε πάντα όμως όλη την αλήθεια.

Όταν θέλουμε να παρατηρήσουμε μεταβολές στα δάση είναι σημαντικό να λάβουμε υπόψιν τόσο την υψομετρική μετατόπιση όσο και την πλευρική, όταν έχουμε πχ επέκταση του δάσους παράλληλα προς μια απότομη πλαγιά. Αυτό μας δείχνει ότι και η τοπογραφία μιας ορεινής περιοχής παίζει πολύ σημαντικό ρόλο σε αυτές τις μεταβολές. Καθώς μπορεί ανάλογα την κλίση το ανάγλυφο και τον προσανατολισμό να δημιουργούνται διαφορετικές κλιματικές συνθήκες σε μια περιοχή χωρίς να υπάρχει καμία ιδιαίτερη υψομετρική μεταβολή (Εικόνα 1). Πέραν των κλιματικών συνθηκών στα ορεινά δάση υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν τα όρια της δασικής ζώνης, όπως πχ μια κατολίσθηση. Έτσι δεν θα πρέπει να θεωρούμε της μεταβολές του ορίου της δασικής ζώνης ενιαίες σε ορεινές περιοχές.

Οι μεταβολές αυτές ωστόσο είτε είναι αποτέλεσμα της κλιματικών ή άλλων αλλαγών επηρεάζουν σημαντικά την βιοποικιλότητα ορεινών περιοχών. Οι καταπατήσεις των δασικών περιοχών είναι ένα πολύ σημαντικός παράγοντας ο οποίος επηρεάζει την βιοποικιλότητα μιας περιοχής οδηγώντας στην εξαφάνιση των πιο ευαίσθητων ειδών. Σαν αποτέλεσμα η μείωση της βιοποικιλότητας θα έχει σοβαρές επιπτώσεις στο εκάστοτε οικοσύστημα. Η παρατήρηση και η ακριβής οριοθέτηση της δασικής ζώνης σε ορεινές περιοχές είναι μια ιδιαίτερα δύσκολη και πολύπλοκη διαδικασία. Κυρίως παράγοντας δυσκολίας των περιοχών αυτών είναι η δυσκολία στην πρόσβαση για την λήψη πιο εξειδικευμένων στοιχείων με αποτέλεσμα πολλές φορές να οδηγηθεί κανείς σε λανθασμένα συμπεράσματα.

Η Τηλεπισκόπηση λόγω της δυνατότητας που μας δίνει να παρατηρήσουμε τέτοιες απομακρυσμένες περιοχές αποτελεί ένα πολύ σημαντικό εργαλείο. Ωστόσο παρόλες τις επενδύσεις που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια για να αυξηθεί η δορυφορική κάλυψη αλλά και η ποιότητα αυτής, οι χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων σε μελέτες δεν είναι ιδιαίτερα διευρυμένη. Ο συνδυασμός χωρικών και τηλεπισκοπικών δεδομένων παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στην καλύτερη κατανόηση και των μοντέλων και των διαδικασιών που ακολουθεί η μετατόπιση της δασικής ζώνης. Σκοπός αυτής της μελέτης πέραν της κατανόηση αυτών των μοντέλων είναι και η βελτίωση της εκτίμησης του εύρους των μεταβολών των ειδών και της επιρροής της βιοποικιλότητας στην λειτουργία ενός οικοσυστήματος.

Ερμηνεύοντας τη δασική ζώνη σε τηλεπισκοπικές εικόνες

Καταλληλότητα των δεδομένων

Εικόνα 2. Η ταξινόμηση των ορεινών δασικών ζωνών με ένα μόνο χαρακτηριστικό περιορίζει την ερμηνεία των ταξινομημένων προϊόντων. Ένα δάσος που ταξινομείται μόνο με βάση την δεντροκάλυψη του μπορεί να υποδεικνύει πως η πυκνότητα των δέντρων διαφέρει σε μια περιοχή αλλά τόσο τα παλιά δάση ανάπτυξης όσο και οι περιοχές νέας εγκατάστασης μπορούν να μοιράζονται την ίδια τάξη δασών (π.χ. κλειστό δάσος πάνω αριστερά, ανοικτό δάσος πάνω δεξιά).Ομοίως, αν ταξινόμηση εμφανίζεται μόνο κατά το ύψος, τότε εντοπίζονται περιοχές εγκατάστασης, αλλά οι διαδικασίες που ελέγχουν τις διαφορές στην πυκνότητα των νεαρών δεν μπορούν να ερμηνευθούν. Ως εκ τούτου, απαιτείται μια ταξινόμηση που βασίζεται σεπολλαπλές ταξινομήσεις για την καταγραφή τόσο της χωρικής κατανομής όσο και του μεγέθους των δένδρων / νεαρών ζώων σε όλη την οικολογική ζώνη. Η χωρική ανάλυση των εικόνων τηλεπισκόπησης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο διαχωρισμό των μικρών διαφορών στη δομή των δασών. Η χονδρική ανάλυση (συνεχείς γραμμές) συλλαμβάνει πληροφορίες σε μια ευρύτερη περιοχή και κατά συνέπεια έχει ως αποτέλεσμα μικτά φατνία όπου η δασώδης περιοχή είναι μικρότερη από την περιοχή που καλύπτεται από ένα μόνο φατνία. Οι εικόνες λεπτότερης ανάλυσης, που αντιπροσωπεύονται από τις διακεκομμένες γραμμές, μειώνουν το σφάλμα κατά την ταξινόμηση των μικτών φατνίων συλλαμβάνοντας μια μικρότερη περιοχή που επιτρέπει την αναγνώριση περιοχών με ομοιογενή δομή.

Για να υπολογιστεί πόσο κατάλληλη είναι η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων για την διερεύνηση της δασικής ζώνης πρέπει να λάβουμε υπόψιν την ανομοιογένεια των δασικών ζωνών, τις αλλαγές που έχουν συμβεί σε βάθος χρόνου και την ανάγκη κάλυψης μεγάλων εκτάσεων.

Όσον αφορά το είδος των αισθητήρων, το μεγάλο εύρος καναλιών αποτελεί ένα σημαντικό πλεονέκτημα για μια σωστότερη απεικόνιση ωστόσο θα πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψιν κατά πόσο η χρήση πολλών καναλιών είναι αναγκαία καθώς αυξάνει σημαντικά και το κόστος της έρευνας. Για πιθανά προβλήματα που μπορεί να προκύψουν από νεφοκάλυψη σε δορυφορικές λήψης μπορεί να γίνει συνδυασμός φωτογραφιών κοντινών χρονικών περιόδων προκειμένου να ξεπεραστεί το πρόβλημα. Σχετικά με τους αισθητήρες SAR που χρησιμοποιούν μικροκύματα, παρουσιάζουν προβλήματα γεωμετρικής παραμόρφωσης και σκιές σε περιοχές με απότομες κλίσεις και λόγω του αυξημένου κόστους και της μειωμένης ανάλυσης δεν χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα για ορεινές περιοχές. Σε αντίστοιχη μοίρα βρίσκονται και οι αισθητήρες LiDAR οι οποίοι δεν προτιμούνται λόγω της μειωμένης εμβέλειας και του αυξημένους κόστους χρήσης.

Οι δορυφορικές εικόνες αποτελούν την συχνότερη επιλογή για την παρακολούθησης περιβαλλοντικών μεταβολών σε σχετικά διευρυμένες περιοχές λόγω του μειωμένου κόστους σε σχέσεις με άλλες μεθόδους όπως οι επίγειες πλατφόρμες ή τα μικρά τηλεκατευθυνόμενα αεροπλάνα. Πέραν του κόστους μας προσφέρουν συνεχή πληροφορία σε πολύ μεγάλη έκταση. Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα των δορυφορικών εικόνων είναι η δυνατότητα λήψης διαχρονικών εικόνων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι δορυφόροι Landsat από τους οποίους μπορούμε να βρούμε εικόνες από το 1973 με χωρική ανάλυση 80 μ. ή από το 1982 με 30 μ. αντίστοιχα. Για την ορθότερη παρατήρηση των μεταβολών της δασικής ζώνης θα πρέπει να συμπεριληφθούν όσο το δυνατόν περισσότερες εικόνες από σχετικά κοντινές χρονικές περιόδους.

H χωρική ανάλυση, το ελάχιστο μέγεθος δηλαδή που καλύπτει ένα pixel, είναι όπως προαναφέρθηκε σημαντικός παράγοντας για μια ορθή απεικόνιση μια δασικής ζώνης. Όσο μεγαλύτερη τόσο πιο ξεκάθαρα αποτελέσματα θα έχουμε, εκτός των Landsat που έχουν χωρική ανάλυση 30*30 μέτρα ανά pixel σε πρόσφατες μελέτες έχουν χρησιμοποιηθεί και δορυφόροι με ανάλυση 10*10 μέτρα ή και μικρότερη. Όπως η χωρική έτσι και η ραδιομετρική ανάλυση, το εύρος τιμών δηλαδή που μπορεί να πάρει ένα pixel ( 8-bit -> 256 τιμές, 16-bit -> 65536) όσο μεγαλύτερη τόσο πιο ξεκάθαρα αποτελέσματα θα έχουμε καθώς απεικονίζεται πολύ καλύτερα η ανομοιογένεια της βλάστησης.

Προκειμένου να ορίσουμε την δασική ζώνη θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν τρεις παράγοντες την δεντροκάλυψη της περιοχής, το είδος των δέντρων-φυτών, και το ύψος των δέντρων. Κάθε ένας παράγοντες θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί από μόνος του για να ορίσει μια δασική ζώνη ωστόσο λαμβάνοντας υπόψιν και τους τρεις μπορούμε να έχουμε μια πιο ακριβής εικόνα για τις κινήσεις της δασικής ζώνης και την λειτουργία του οικοσυστήματος (Εικόνα 2). Το ύψος είναι μια σημαντική μεταβλητή η οποία μας παρέχει πληροφορίες για την ηλικία των δέντρων δίνοντας μας έτσι την δυνατότητα να χωρίσουμε τα δάση σε ηλικιακές κατηγορίες.

Οικολογική σημασία της ταξινόμησης

Η ταξινόμηση της εικόνας με την χρήση διαφόρων μεθόδων αποτελεί μια διαδικασία που μας βοηθά να προσδιορίσουμε την κάλυψη ή της χρήσεις γης της εικόνας σε μια προσπάθεια να εξάγουμε διάφορα συμπεράσματα. Δύο ευρέως διαδεδομένες κατηγορίες ταξινομήσεων είναι οι ανελαστικές και ελαστικές ταξινομήσεις, κάθε μια εκ των οποίων παρουσιάζει τα δικά της πλεονεκτήματα.

Προκειμένου να πραγματοποιηθεί να ταξινόμηση χρησιμοποιούνται κάποιες περιοχές εκπαίδευσης οι οποίες θα βοηθήσουν στο να ταξινομηθούν τα pixel σε ομάδες. Πέραν την υψηλής ανάλυσης η οποία μπορεί να μας βοηθήσει φωτοερμηνεύσουμε σωστά την εικόνα να δημιουργήσουμε πιο ξεκάθαρες περιοχές εκπαίδευσης τα δεδομένα πεδίου αποτελούν ένα εξίσου σημαντικό παράγοντα που μπορεί να βελτιώσει ακόμα περισσότερο την τελική μας ταξινόμηση. Ωστόσο λόγω της δυσκολίας στην πρόσβαση στις ορεινές περιοχές είναι αρκετά δύσκολο να συλλέξουμε δεδομένα πεδίου.

Προτεραιότητες της έρευνας

O συνδυασμός χωρικής, χρονικής ανάλυσης και γεωγραφικής κάλυψης των φωτογραφιών θα μπορούσε να είναι καταλληλότερος για την ορεινές περιοχές. Μια από τις προτεραιότητες αυτής της έρευνας είναι και ο προσδιορισμός της καταλληλότερης μεθόδου ή συνδυασμό μεθόδων για των προσδιορισμό των μεταβολών στις δασικές ζώνες.

Προσπαθώντας να προσδιορίσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία είναι σημαντικό να ορίσουμε την ανάλυση εικόνας στην οποία χάνονται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της δασικής ζώνης. Έτσι παρόλο που ο Landsat μας δίνει μια αρκετά ικανοποιητική ανάλυση, με την χρήση εικόνων από τον Sentinel 2 (10*10 μέτρα) μπορούμε να έχουμε ακόμη καλύτερα αποτελέσματα. Σημαντικό μειονέκτημα του Sentinel ωστόσο αποτελεί ότι μπορούμε να έχουμε εικόνες από το 2016 και έπειτα.

Τελικά η χρησιμότητα των δορυφορικών εικόνων βασίζεται στην δυνατότητα που σου δίνουν να διαχωρίσεις την βλάστηση σε ομάδες που έχουν μια περιβαλλοντική συσχέτιση. Ωστόσο στα όρια των δασικών περιοχών παρατηρούνται ως επί το πλείστον αλλαγές στα είδη δέντρων της περιοχής, στην ανάπτυξη ή την χωρική τους επέκταση. Γι αυτό το λόγω είναι σημαντικό να μπορούμε να παρατηρήσουμε και την κατανομή των νέων σε ηλικία δέντρων τα οποία καθορίζουν την κατεύθυνση της κίνησης της ζώνης.

Η πληθώρα μορφών των δασικών ζωνών, ανάλογα την πυκνότητα των νέων ηλικιακά δέντρων την χωρική κατανομή και το μέγεθος τους, μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην δημιουργία βιβλιογραφίας που σε συνδυασμός με τηλεπισκοπικές μεθόδους θα βοηθήσει σε μελλοντικές παρακολουθήσεις των μεταβολών των ζωνών.

Όπως έχει προαναφερθεί ο συνδυασμός δεδομένων πεδίου με τηλεπισκοπηκά δεδομένα μπορεί να οδηγήσει με πολύ ακριβή συμπεράσματα για αυτό το λόγο θα πρέπει να εμπλουτιστούν περαιτέρω οι φασματικές βιβλιοθήκες με νέες φασματικές υπογραφές προκειμένου να βοηθηθούν και μελλοντικές αντίστοιχες έρευνες.

Συμπεράσματα

Λόγω των περιβαλλοντικών αλλαγών που λαμβάνουν χώρα αποτελεί επιτακτική ανάγκη η παρακολούθηση των μεταβολών στην κατανομή των ειδών και ο προσδιορισμός των επιπτώσεων τους σε μια ευρεία γεωγραφική περιοχή. Έτσι λαμβάνοντας υπόψιν τα όσα έχουν προαναφερθεί και με την εφαρμογή των μέτρων βελτίωσης που προτείνονται η τηλεπισκόπηση θα μπορέσει να αποτελέσει ένα πολύ σημαντικό εργαλείο προς αυτήν την κατεύθυνση