Καθορισμός του βέλτιστου μεγέθους δείγματος για την εκτίμηση των ζημιών της κόμης των δέντρων σε έγχρωμες υπέρυθρες (CIR) αεροφωτογραφίες.

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Determining the Optimal Sample Size for Assessing Crown Damage on Color Infrared (CIR) Aerial Photographs

Συγγραφείς: Jelena Koli´c , Renata Pernar, Ante Seletkovi´c, Anamarija Jazbec and Mario Anˇci´c

Δημοσιεύθηκε: Sustainability 2023, 15(22), 15918; https://doi.org/10.3390/su152215918

Λέξεις κλειδιά: οπτική ερμηνεία αεροφωτογραφιών CIR, εκτίμηση ζημιών, βέλτιστο μέγεθος δείγματος,

ψηφιακός σταθμός φωτογραμμετρικής εργασίας.

Αντικείμενο εφαρμογής: Αποτίμηση δασικής γης

1. ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η παρακολούθηση της υγείας των δασών είναι ζωτικής σημασίας για τη βιώσιμη διαχείριση των δασών. Οι έγχρωμες υπέρυθρες (CIR) αεροφωτογραφίες είναι αποτελεσματικές για την αξιολόγηση της υγείας των δέντρων, αλλά ο καθορισμός του βέλτιστου μεγέθους δείγματος είναι απαραίτητος για αξιόπιστες αξιολογήσεις. Αυτή η μελέτη, που διεξήχθη σε πεδινά δάση της Κροατίας, είχε ως στόχο να καθορίσει το βέλτιστο μέγεθος δείγματος για την αξιολόγηση των ζημιών σε πρεμνοειδή δρύινα δέντρα χρησιμοποιώντας διάφορες πυκνότητες πλέγματος σημείων και αριθμό ερμηνευόμενων δέντρων ανά δείγμα. Τα αποτελέσματα δεν έδειξαν σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση των ζημιών μεταξύ των διαφόρων πυκνοτήτων δειγμάτων και αριθμών ερμηνευμένων δέντρων. Ωστόσο, η μείωση της πυκνότητας των δειγμάτων κάτω από 200 × 200 m μείωσε σημαντικά την ακρίβεια και έχασε τη χωρική κατανομή των ειδών και των βαθμών ζημίας. Μια πυκνότητα πλέγματος 100 × 100 m με ένα ερμηνευμένο δέντρο ανά σημείο ράστερ βρέθηκε να είναι το βέλτιστο μέγεθος δείγματος, τονίζοντας τη σημασία των χωρικά κατανεμημένων σημείων με λιγότερα δέντρα.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η αειφόρος διαχείριση των δασών είναι ζωτικής σημασίας για τον μετριασμό των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής και των φυσικών καταστροφών στα δάση, τα οποία αντιμετωπίζουν προκλήσεις όπως η αποψίλωση των δέντρων, η υποβάθμιση των οικοτόπων, τα χωροκατακτητικά είδη και οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Η παρακολούθηση της υγείας των δασών, ιδίως μέσω της εκτίμησης των ζημιών στα δέντρα και την κόμη, είναι απαραίτητη για την κατανόηση της εξέλιξης των ασθενειών και την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης. Οι έγχρωμες υπέρυθρες (CIR) αεροφωτογραφίες, που καταγράφουν ορατή και κοντινή υπέρυθρη ακτινοβολία, χρησιμοποιούνται συνήθως για το σκοπό αυτό λόγω της ικανότητάς τους να ανιχνεύουν αλλαγές στην ανάκλαση που σχετίζονται με ζημιές στα δέντρα. Ωστόσο, ο καθορισμός του βέλτιστου μεγέθους δείγματος είναι κρίσιμος για αξιόπιστες εκτιμήσεις.

Προηγούμενες έρευνες στην Κροατία χρησιμοποίησαν τη φωτοερμηνεία αεροφωτογραφιών CIR για την εκτίμηση των δασικών ζημιών χρησιμοποιώντας συστηματικά δείγματα με πλέγματα κουκκίδων. Οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες CIR προσφέρουν νέες δυνατότητες για την εκτίμηση των ζημιών, αλλά εγείρουν ανησυχίες σχετικά με το μέγεθος του δείγματος. Οι μέθοδοι δειγματοληψίας έχουν μελετηθεί εκτενώς στην αξιολόγηση της διαχείρισης των δασών, με τα δείγματα με πλέγματα κουκκίδων να αποδεικνύονται αποτελεσματικά λόγω της χωρικής κατανομής τους και της ικανότητάς τους να ερμηνεύουν μεγάλο αριθμό δέντρων. Ωστόσο, ο καθορισμός του κατάλληλου μεγέθους δείγματος για τις ψηφιακές αεροφωτογραφίες CIR είναι απαραίτητος για να διασφαλιστούν αξιόπιστες εκτιμήσεις.

Η παρούσα μελέτη αποσκοπούσε στον προσδιορισμό του καταλληλότερου μεγέθους δείγματος και του αριθμού των ερμηνευόμενων δέντρων ανά δείγμα σε ψηφιακές αεροφωτογραφίες CIR για την αξιολόγηση των ζημιών στην κόμη και της κατάστασης της υγείας των δέντρων. Περιελάμβανε την καταγραφή των ζημιών σε συστηματικά δείγματα με διαφορετικές πυκνότητες πλέγματος κουκκίδων και αριθμό δέντρων και την ανάλυση των δεδομένων για τον προσδιορισμό του σχήματος και του μεγέθους του δείγματος που θα εξασφάλιζε αξιόπιστη εκτίμηση των ζημιών.

Το βέλτιστο μέγεθος δείγματος για την αξιολόγηση των ζημιών στην κόμη σε αεροφωτογραφίες CIR βρέθηκε να είναι μια πυκνότητα πλέγματος 100 × 100 m με ένα ερμηνευμένο δέντρο ανά ραστερικό σημείο. Η μελέτη αυτή υπογραμμίζει τη σημασία των χωρικά κατανεμημένων σημείων με λιγότερα δέντρα για αξιόπιστες εκτιμήσεις.

2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Η ερευνητική περιοχή οριοθετήθηκε στα πεδινά δάση που αποτελούνται κυρίως από πρεμνοφυείς δρυς και στενόφυλλες φλαμουριές, τα οποία βρίσκονται εντός των διαχειριστικών μονάδων "Josip Kozarac" και "Opeke" στην Κροατία. Οι εν λόγω μονάδες κάλυπταν έκταση 5759,13 εκταρίων και 547,27 εκταρίων, αντίστοιχα, με υψόμετρο που κυμαινόταν από 94 έως 105 μέτρα πάνω από το επίπεδο της θάλασσας.(Εικόνα 1)

Οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες λήφθηκαν με τη χρήση πολυφασματικής ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής UCX-Vexcel με εστιακή απόσταση 100,5 mm. Οι φωτογραφίες αυτές, συνολικού αριθμού 122, ελήφθησαν με χωρική ανάλυση 0,1 m, εξασφαλίζοντας λεπτομερή απεικόνιση του δασικού θόλου. Η διαμήκης επικάλυψη μεταξύ διαδοχικών φωτογραφιών ορίστηκε στο 60%, ενώ η εγκάρσια επικάλυψη διατηρήθηκε στο 36%.

Η εκτίμηση των ζημιών στην κόμη, μια βασική πτυχή της αξιολόγησης της υγείας των δέντρων, πραγματοποιήθηκε σε αυτές τις ψηφιακές έγχρωμες υπέρυθρες (CIR) αεροφωτογραφίες για τα κύρια είδη δέντρων, δηλαδή τη βελανιδιά και τη στενόφυλλη τέφρα. Η ερμηνεία των φωτογραφιών πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του πακέτου λογισμικού PHOTOMOD Lite 4.4. σε ψηφιακό φωτογραμμετρικό σταθμό εργασίας (DPS).

Πριν από την έναρξη της διαδικασίας ερμηνείας, καθιερώθηκε μια ολοκληρωμένη μέθοδος για τη χαρτογράφηση των ζημιών στην κόμη. Αυτό περιελάμβανε την ανάπτυξη ενός κλειδιού φωτοερμηνείας ειδικά για την ερευνητική περιοχή, το οποίο διευκόλυνε την ταξινόμηση της κατάστασης υγείας των δέντρων με βάση τους διαφορετικούς βαθμούς βλάβης της κόμης. Για την ταξινόμηση αυτή χρησιμοποιήθηκε μια κλίμακα που κυμαίνεται από 0% έως 100%, με πρόσθετες κατηγορίες για τα κούτσουρα.

Η ερμηνεία των ζημιών στην κόμη πραγματοποιήθηκε συστηματικά, με τη δημιουργία σχεδίων ή ακολουθιών που αποτελούνται από παρακείμενες ψηφιακές αεροφωτογραφίες. Η διαδικασία αυτή περιελάμβανε τέσσερα βασικά βήματα: σχηματισμός μπλοκ, τριγωνισμός αεροφωτογραφιών, προσαρμογή μπλοκ και επεξεργασία μπλοκ. Ο εναέριος τριγωνισμός, ζωτικής σημασίας για τον καθορισμό του χωρικού προσανατολισμού των φωτογραφιών, αυτοματοποιήθηκε με τη μέθοδο δέσμης ακτίνων, με τη βοήθεια μετρήσεων GPS/IMU που καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια των εναέριων ερευνών.

Δημιουργήθηκαν συνολικά πέντε έργα, καθένα από τα οποία προχώρησε στα τέσσερα βήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκαν πίνακες κωδικών για κάθε στερεοζεύγος εντός αυτών των έργων. Αυτοί οι πίνακες κωδικών χρησίμευσαν ως σημείο αναφοράς για τη συλλογή δεδομένων στην ενότητα PHOTOMOD Stereo Draw, παρέχοντας λεπτομερείς περιγραφές των ερμηνευόμενων αντικειμένων (δέντρων), συμπεριλαμβανομένης της θέσης, του είδους και του βαθμού ζημίας τους.

Για τη διαδικασία ερμηνείας χρησιμοποιήθηκε ένα συστηματικό πλέγμα δειγμάτων 100 × 100 m.(Εικόνα 2) Σε κάθε σημείο ράστερ εντός αυτού του πλέγματος, ερμηνεύτηκαν οι τέσσερις πλησιέστερες κόμες δέντρων από τις αεροφωτογραφίες. Αυτή η συστηματική προσέγγιση εξασφάλισε την πλήρη κάλυψη της περιοχής μελέτης, διατηρώντας παράλληλα τη συνέπεια στη δειγματοληψία.

Τα δεδομένα που προέκυψαν από τη διαδικασία ερμηνείας εξήχθησαν σε μορφές .DXF και .SHP για περαιτέρω στατιστική ανάλυση και γεωχωρική χαρτογράφηση. Οι δείκτες ζημίας, όπως το ποσοστό ζημίας, η μέση ζημία, ο δείκτης ζημίας και η μέση ζημία των σημαντικά κατεστραμμένων δένδρων, υπολογίστηκαν με βάση τα ερμηνευμένα είδη δένδρων και τις δειγματοληπτικές επιφάνειες.

Ο καθορισμός του βέλτιστου μεγέθους δείγματος περιελάμβανε την εξέταση της μεταβλητότητας της εκτιμώμενης μέσης ζημίας, της επιθυμητής ακρίβειας και του συντελεστή αξιοπιστίας. Χρησιμοποιήθηκαν στατιστικές δοκιμές, συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής χ^2 και της διωνυμικής κατανομής, για την αξιολόγηση της αξιοπιστίας της εκτίμησης της υγείας των δέντρων για διαφορετικές πυκνότητες σημείων δειγματοληψίας και αριθμό ερμηνευμένων δέντρων ανά δείγμα.

Κατασκευάστηκαν θεματικοί χάρτες που απεικονίζουν τη χωρική κατανομή της μέσης ζημίας για όλα τα είδη δέντρων στις λωρίδες έρευνας και σε ολόκληρη την ερευνητική περιοχή. Οι χάρτες αυτοί παρείχαν οπτική εικόνα της έκτασης και της σοβαρότητας των ζημιών στην κόμη, διευκολύνοντας τη λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων για τις πρακτικές διαχείρισης των δασών.

Η χρήση ψηφιακών αεροφωτογραφιών και προηγμένων τεχνικών φωτοερμηνείας επέτρεψε την ολοκληρωμένη αξιολόγηση των ζημιών στην κόμη στα πεδινά δάση. Χρησιμοποιώντας συστηματικές μεθόδους δειγματοληψίας και αυστηρές στατιστικές αναλύσεις, η μελέτη προσδιόρισε τα βέλτιστα μεγέθη δείγματος και τις προσεγγίσεις ερμηνείας που είναι απαραίτητες για ακριβείς εκτιμήσεις της υγείας των δέντρων. Η απεικόνιση της κατανομής των ζημιών μέσω θεματικής χαρτογράφησης ενίσχυσε περαιτέρω την κατανόηση της δυναμικής της υγείας των δασών, συμβάλλοντας έτσι σε πολύτιμες γνώσεις για τις στρατηγικές διαχείρισης των δασών και τις προσπάθειες διατήρησης.(Εικόνα 3)(Εικόνα 4)

3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Η ερμηνεία των ζημιών στην κόμη για διαφορετικά μεγέθη δειγμάτων και αριθμό ερμηνευμένων δέντρων ανά δείγμα παρείχε πληροφορίες για την κατανομή των δέντρων ανά βαθμό ζημίας. Ο στατιστικός έλεγχος με τη χρήση του τεστ χ^2 δεν αποκάλυψε σημαντικές διαφορές μεταξύ των πυκνοτήτων των δειγμάτων και του αριθμού των ερμηνευμένων δέντρων σε σχέση με τη μέση εκτίμηση της ζημίας. Η ερμηνεία τεσσάρων δέντρων σε πλέγμα 100 × 100 οδήγησε στην εκτίμηση 5258 δέντρων ανά λωρίδα, χωρίς να εντοπιστούν σημαντικές διαφορές.

Για την επίτευξη της επιθυμητής ακρίβειας 1%, χρειάστηκαν συνολικά 8223 δέντρα ερμηνεία, ενώ με 5258 δέντρα επιτεύχθηκε ακρίβεια 1,3%. Περαιτέρω ανάλυση καθόρισε ότι 3577 δέντρα πρέπει να ερμηνευθούν για να επιτευχθεί μέση ζημία 31,04% με ακρίβεια 1,5% και αξιοπιστία 95%. Η θεματική χαρτογράφηση απεικόνισε τις τάσεις κατανομής της μέσης ζημιάς σε διαφορετικές πυκνότητες δειγμάτων και αριθμούς ερμηνευμένων δέντρων.

Το βέλτιστο μέγεθος του δείγματος και ο αριθμός των ερμηνευμένων δέντρων ανά σημείο καθορίστηκαν σε 100 × 100 m με ένα ερμηνευμένο δέντρο ανά σημείο ράστερ. Ωστόσο, η μείωση της πυκνότητας δειγμάτων κάτω από 200 × 200 m οδήγησε σε απώλεια ακρίβειας και μείωση του αριθμού των δέντρων που ερμηνεύτηκαν ανά υποδιαμέρισμα, επηρεάζοντας σημαντικά την εκτίμηση της υγείας των δέντρων.

Οι δείκτες ζημιών παρέμειναν σταθεροί ανεξάρτητα από το μέγεθος του δείγματος ή τον αριθμό των ερμηνευμένων δέντρων ανά δείγμα, τονίζοντας την αξιοπιστία της μεθοδολογίας. Η μελέτη αποκάλυψε επίσης ότι η φωτοερμηνεία παρείχε μεγαλύτερη ακρίβεια από τις εκτιμήσεις πεδίου, ιδίως για μικρότερες πυκνότητες δειγμάτων.

4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Η δοκιμή διαφόρων πυκνοτήτων δειγμάτων και αριθμού ερμηνευόμενων δέντρων υπογράμμισε τη σημασία του μεγέθους του δείγματος στην εκτίμηση της ζημίας της κόμης. Η μείωση των πυκνοτήτων δείγματος κάτω από 200 × 200 m επηρέασε αρνητικά την ακρίβεια και μείωσε την αντιπροσώπευση συγκεκριμένων ειδών και βαθμών ζημίας εντός του δείγματος.(Εικόνα 5)

Τα ευρήματα επιβεβαιώνουν εκ νέου τη σημασία ενός συστηματικού μεγέθους δείγματος με καλά κατανεμημένα σημεία και μικρότερο αριθμό δέντρων ανά σημείο. Η φωτοερμηνεία επέδειξε συγκρίσιμη ακρίβεια με τις εκτιμήσεις πεδίου, ενώ απαιτούσε σημαντικά λιγότερο χρόνο και πόρους, καθιστώντας την πιο αποτελεσματική μέθοδο για την εκτίμηση της υγείας των δασών.(Εικόνα 6)

Ο χωρικός εντοπισμός και η παρακολούθηση των κατεστραμμένων δέντρων είναι ζωτικής σημασίας για τη βιώσιμη διαχείριση των δασών. Οι αεροφωτογραφίες CIR παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη δυναμική της υγείας των δασών με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντας έγκαιρες παρεμβάσεις για τη διατήρηση της ζωτικότητας και της παραγωγικότητας των δασών.(Εικόνες 7 και 8)

5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη διεξήγαγε αξιολόγηση των ζημιών στην κόμη με τη χρήση ψηφιακών αεροφωτογραφιών CIR και καθόρισε τα βέλτιστα μεγέθη δειγμάτων και τον αριθμό δέντρων ανά δείγμα για την περιοχή μελέτης. Τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την έρευνα περιλαμβάνουν τα εξής:

Το βέλτιστο συστηματικό μέγεθος δείγματος είναι 100 × 100 m με ένα ερμηνευόμενο δέντρο ανά σημείο, αποφεύγοντας δείγματα με μεγαλύτερο αριθμό δέντρων σε λιγότερα σημεία.

Η έρευνα ενισχύει τις υπάρχουσες μεθόδους για την αξιολόγηση της υγείας των δέντρων σε αεροφωτογραφίες CIR, εξασφαλίζοντας στατιστικά αξιόπιστα αποτελέσματα με βέλτιστα μεγέθη δείγματος.

Η αξιοποίηση των ψηφιακών αεροφωτογραφιών CIR προσφέρει νέες δυνατότητες για τη βιώσιμη διαχείριση των δασών, ιδίως για την αντιμετώπιση των προκλήσεων που θέτει η κλιματική αλλαγή.

Συνολικά, η μελέτη συμβάλλει στην τελειοποίηση των πρακτικών διαχείρισης των δασών, βελτιώνοντας την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα των μεθόδων εκτίμησης των ζημιών της κόμης.