Μακροχρόνια παρακολούθηση της δυναμικής της βλάστησης στο Εθνικό Πάρκο οροσειράς Ροδόπης.

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Long-Term Monitoring of Vegetation Dynamics in the Rhodopi Mountain Range National Park-Greece.

Συγγραφείς: Ξόφης Παντ., Σπηλιώτης Α. Ιωάν., Χατζηγιοβανάκης Στ. και Χρυσομαλίδου Σ. Αναστ.

Παν/κό Ίδρυμα: Τμήμα Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, Σχολή Γεωτεχνικών Επιστημών, Διεθνές Παν/μιο της Ελλάδος, GR66100, Δράμα

Δημοσιεύθηκε: MDPI Open Access Journals, Forests 13, 377 (2022)

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Landsat, τηλεπισκόπηση, εγκατάλειψη γης, ετερογένεια τοπίου

1. Εισαγωγή

Η μεταπολεμική τάση αστυφιλίας και μετανάστευσης στην Ελλάδα τις δεκαετίες ‘50-’70, οδήγησαν στην εγκατάλειψη των αγροτικών και κτηνοτροφικών δραστηριοτήτων στις ορεινές και ημιορεινές περιοχές. Σε συνδυασμό με τη γήρανση του πληθυσμού, οι βοσκότοποι άρχισαν να μειώνονται σε μέγεθος και η απόσταση μεταξύ τους αυξήθηκε, τα λιβάδια μετατράπηκαν σταδιακά σε θαμνώδη βλάστηση και, τελικά, τα δάση αναπτύχθηκαν εις βάρος των γεωργικών εκτάσεων και των βοσκοτόπων. Παρόμοια τάση αλλαγής χρήσης/κάλυψης γης, υπάρχει στην Ευρώπη τα τελευταία 30 χρόνια. Οι αλλαγές αυτές μπορεί να έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές και κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις, θετικές και αρνητικές, αναλόγως των στόχων διατήρησης και διαφόρων τοπικών παραγόντων. Ο ευρύτερος σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση των αλλαγών της βλάστησης από τις αρχές της δεκαετίας του ‘80 (όταν η εγκατάλειψη της γεωργίας έφτασε στο αποκορύφωμά της) έως το 2019, στο Εθνικό Πάρκο Ροδόπης, κάνοντας χρήση πολυχρονικών δεδομένων Landsat. Πιο συγκεκριμένοι στόχοι αποτελούν: (α) η διερεύνηση του βαθμού πύκνωσης της βλάστησης και της απώλειας ανοικτών οικοτόπων διαχρονικά, με χρήση ορισμένων δεικτών, (β) η ποσοτικοποίηση των παρατηρούμενων αλλαγών και (γ) οι πιθανές επιπτώσεις τους στη βιοποικιλότητα και στον κίνδυνο πυρκαγιών.

2.1. Περιοχή Μελέτης

Εικόνα 1: Τοποθεσία της περιοχής μελέτης και χαρακτηριστικά τοπίου και ορεογραφίας.

2. Υλικά και Μέθοδοι

Η περιοχή μελέτης είναι το Εθνικό Πάρκο Oροσειράς Ροδόπης (εφεξής EΠΟΡ) στη Θράκη, το οποίο καταλαμβάνει περίπου 175.000 εκτάρια, με υψομετρικό εύρος 20-2.022μ. υψόμετρο (βλ. Εικόνα 1). Η οροσειρά της Ροδόπης αποτελεί το φυσικό σύνορο μεταξύ Ελλάδας-Βουλγαρίας, με το 18% μόνο της έκτασής της να βρίσκεται σε ελληνικό έδαφος. Μεγάλες εκτάσεις του ΕΠΟΡ βρίσκονται κάτω από εθνικό ή διεθνές καθεστώς προστασίας. Συγκεκριμένα:

• επτά (7) περιοχές του Εθνικού Πάρκου έχουν ενταχθεί στο δίκτυο προστατευόμενων περιοχών Natura 2000 (δύο από αυτές ως Ειδικές Προστατευόμενες Περιοχές και πέντε ως Ειδικές Ζώνες Διατήρησης),

• δύο (2) περιοχές έχουν κηρυχθεί ως Διατηρητέα Μνημεία της Φύσης,

• επτά (7) περιοχές ως Καταφύγια Άγριας Ζωής και

• τρεις (3) περιοχές έχουν χαρακτηριστεί από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο ως Βιογενετικά Αποθέματα.

Σχεδόν το 60% των ευρωπαϊκών ειδών βλάστησης συναντάται εδώ, καθιστώντας την περιοχή πολύ σημαντική για την διατήρηση της βιοποικιλότητας. Οι κύριοι τύποι κάλυψης της γης είναι: κωνοφόρα μαύρης πεύκης (Pinus nigra), δασική πεύκη (P. sylvestris L.), ερυθρελάτη (Picea abies L.), οξιά (Fagus sylvatica L.), σημύδα (Betula pendula Roth), βελανιδιά (Quercus sp.), αειθαλή πλατύφυλλα, ανοικτές εκτάσεις που διατηρούνται λόγω ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, κυρίως βοσκοτόπια, καθώς και ένα μικρό ποσοστό γεωργικών εκτάσεων. Επίσης, το Εθνικό Πάρκο είναι πλούσιο σε βιοποικιλότητα άγριας ζωής, φιλοξενώντας είδη πανίδας, όπως: η καφέ αρκούδα (Ursus arctos), ο γκρίζος λύκος (Canis lupus), το κόκκινο ελάφι (Cervus elaphus), ο χρυσαετός (Aquila chrysaetos).

2.2. Δεδομένα τηλεπισκόπησης

Στην παρούσα μελέτη επικεντρωνόμαστε στην πύκνωση της ξυλώδους βλάστησης. Συνολικά 120 εικόνες Landsat (Path: 183, Row: 031), γεωμετρικά και ατμοσφαιρικά διορθωμένες, με 16-bit ραδιομετρική ανάλυση, μεταφορτώθηκαν από το κέντρο EROS. Εξ αυτών, 21 επιλέχθηκαν για τη δημιουργία ενός συνόλου δεδομένων χρονοσειράς, που καλύπτει μια περίοδο 35 ετών. Οι υπόλοιπες εικόνες αποκλείστηκαν από την ανάλυση, είτε λόγω εκτεταμένης νεφοκάλυψης/σκίασης, είτε λόγω απογύμνωσης των γραμμών του Landsat 7. Η περίοδος λήψης των επιλεγμένων εικόνων ήταν μεταξύ της 1ης Αυγούστου και της 16ης Σεπτεμβρίου. Το συγκεκριμένο χρονικό παράθυρο επιλέχθηκε, επειδή αντιστοιχεί στην ξηρότερη περίοδο της περιοχής μελέτης, όταν η ετήσια ποώδης βλάστηση – που δε μας αφορά – έχει εκλείψει. Λόγω της μεγάλης χρονικής διαθεσιμότητας των δεδομένων Landsat (από το 1972), αυτά χρησιμοποιούνται εκτενώς για τη δημιουργία χρονοσειρών.

2.3. Ανάλυση δεδομένων τηλεπισκόπησης

Δύο τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση των μεταβολών κάλυψης της ξυλώδους βλάστησης: ο αλγόριθμος Tasseled Cap Transformation (TCT) και η εφαρμογή δεικτών βλάστησης (Vegetation Indices, VI’s).

Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής μελέτης.

Ο αλγόριθμος TCT αντιπροσωπεύει το γραμμικό μετασχηματισμό των ζωνών σε τρεις δείκτες: φωτεινότητα, πρασινάδα, υγρασία. Η φωτεινότητα συνδέεται συνήθως με γυμνά ή αραιά φυτεμένα εδάφη, η πρασινάδα με υγιή βλάστηση και η υγρασία συνδέεται συνήθως με νερό και άλλα υγρά χαρακτηριστικά.

Οι δείκτες βλάστησης (VI's) επιτρέπουν μια σχετικά γρήγορη καταγραφή και καλή κατανόηση των μεταβολών στο χώρο και το χρόνο. Επιλέχθηκαν πέντε διαφορετικοί δείκτες: α. ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI), β. ο δείκτης Soil Adjusted Vegetation (SAVI), γ. ο δείκτης Enhanced Vegetation 2 (EVI2), δ. ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς νερού (NDWI) και ε. ο δείκτης γυμνού εδάφους (BSI). O NDVI θεωρείται, λόγω ιδιοτήτων, κατάλληλος δείκτης για τη μελέτη των προτύπων βλάστησης στην πάροδο του χρόνου και του χώρου. Ο δείκτης SAVI ελαχιστοποιεί την επίδραση της φωτεινότητας του εδάφους, οπότε έχει καλύτερη εφαρμογή σε μεγάλες διακυμάνσεις χρώματος και υγρασίας εδάφους. Ο EVI2 έχει καλύτερη απόδοση σε περιοχές με υψηλή βιομάζα, ενώ ο NDWI βελτιώνει την ακρίβεια στην περιεκτικότητα σε νερό της βλάστησης. Τέλος, ο δείκτης BSI καταγράφει τις μεταβολές του εδάφους, ποσοτικοποιώντας την ορυκτή σύστασή του.

Όλοι οι παραπάνω δείκτες και μετασχηματισμοί υπολογίστηκαν για το σύνολο των εικόνων Landsat. Επιδιώκοντας την καλύτερη απόδοση τιμών, όλοι οι δείκτες “τεντώθηκαν” (stretched) σε ένα εύρος από -1 έως 1 βάσει της εξίσωσης:

VIrescaled = [(VI – VΙmin) *2 / (VImax – VImin)] – 1,

όπου VI = η τιμή του δείκτη βλάστησης (NDVI, SAVI, EVI2, NDWI, BSI), VIrescaled = η “τεντωμένη τιμή” του αντίστοιχου δείκτη, VImin = η ελάχιστη τιμή και VImax = η μέγιστη τιμή του δείκτη σε όλη την εικόνα.

Χίλια (1.000) τυχαία σημεία εντοπίστηκαν σε ολόκληρη την περιοχή μελέτης, χρησιμοποιώντας το εργαλείο Sampling Design Tool, διαθέσιμο ως πρόσθετο στο ArcMap 10.8. Χρησιμοποιήθηκε γραμμική παλινδρόμηση και το Mann-Kendall test για τον έλεγχο των σχέσεων και των σημαντικών τάσεων μεταξύ χρόνου και δεικτών βλάστησης. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε Αντικειμενοστραφής Ανάλυση Εικόνας (ΟΒΙΑ – Object Oriented Image Analysis) στις εικόνες του πρώτου (1984) και του τελευταίου (2019) έτους της μελέτης για να ποσοτικοποιηθούν οι αλλαγές της βλάστησης. Το 1984 προσδιορίστηκαν τρεις κλάσεις: ανοικτές εκτάσεις, δάση πλατύφυλλων και δάση κωνοφόρων. Το 2019 προσδιορίστηκαν τέσσερις κλάσεις: προστέθηκαν τα υδάτινα σώματα στις ήδη υπάρχουσες κατηγορίες, λόγω μεσολάβησης της κατασκευής δύο φραγμάτων. Η ΟΒΙΑ αποδείχτηκε αντικειμενική προσέγγιση στην ταξινόμηση αντικειμένων. Εκτός από τις φασματικές πληροφορίες της εικόνας, για την παρούσα ταξινόμηση έγινε χρήση βοηθητικών δεδομένων όπως: το υψόμετρο, η ανατολικότητα και η βορεινότητα, τα οποία δημιουργήθηκαν με τη χρήση του Παγκόσμιου Ψηφιακού Μοντέλου Υψομέτρου (GDEM) “ASTER”.

Ύστερα, κατασκευάστηκε ένας πίνακας μετάβασης (transition matrix), ώστε να ποσοτικοποιηθεί η αλλαγή και να προσδιοριστεί το μοτίβο της. Έγινε ανάλυση της ποικιλομορφίας του τοπίου με τη βοήθεια δύο δεικτών (landscape diversity indices) για να διαπιστωθεί αν οι παρατηρούμενες αλλαγές αύξαναν την ομοιογένεια ή την ετερογένεια. Τέλος, δημιουργήθηκε ένα πολυχρονικό φασματικό προφίλ (multitemporal spectral profile) με βάση τις τιμές του NDVI. Το διάγραμμα ροής της παρούσας μελέτη παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.

3. Αποτελέσματα

Εικόνα 3: Δυναμική και τάση των δεικτών βλάστησης κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης (a-f). Τα γραφήματα έχουν κατασκευαστεί με βάση 1000 τυχαία τοποθετημένα σημεία, που αντιστοιχούν σε 1000 εικονοστοιχεία.

Εικόνα 4: Χάρτες εδαφοκάλυψης των ετών 1984(a) και 2019(b) και χάρτης από ανοικτούς οικοτόπους σε δάση πλατύφυλλων ή κωνοφόρων (c).

Τα αποτελέσματα που προέκυψαν και όλοι οι δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν δείχνουν ότι, κατά την περίοδο μελέτης, υπήρξε συνεχής τάση αύξησης φυτοκάλυψης, με μείωση των ανοικτών - γεωργικών ή κτηνοτροφικών – εκτάσεων (βλ. Εικόνα 3: b-f). Αντίστοιχα, στον αλγόριθμο TCT μόνο ο δείκτης “πρασινάδα” είχε στατιστικά σημαντική σχέση με το χρόνο (βλ. Εικόνα 3a). Η παρατηρούμενη τάση επιβεβαιώθηκε περαιτέρω με τη χρήση αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας σε δύο ζεύγη εικόνων, που λήφθηκαν το 1984 και το 2019 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι σχεδόν τα 22.000 εκτάρια ανοικτών οικοτόπων έχουν χαθεί σε δάση πλατύφυλλων και κωνοφόρων.

Η ταξινόμηση ΟΒΙΑ για τις δύο χρονικές περιόδους αποκάλυψε σημαντικές διαφοροποιήσεις του τοπίου (βλ. Εικόνα 4) και επιβεβαίωσε το αποτέλεσμα που αναφέρθηκε προηγουμένως. Η συνολική ακρίβεια ταξινόμησης του 2019 είναι 92% και το Kappa coefficient = 0,78, ενώ για το 1984 η συνολική ακρίβεια είναι 91,6% και Κ= 0,85.

Το πολυχρονικό προφίλ NDVI που δημιουργήθηκε (βλ. Εικόνα 5), είναι ενδεικτικό της μεγάλης αύξησης των τιμών του NDVI των εικονοστοιχείων που μετατράπηκαν σε δάση πλατύφυλλων, καθώς κι εκείνων που παρέμειναν δάση πλατύφυλλων καθ’ όλη τη διάρκεια της μελέτης. Το αποτέλεσμα αυτό καταδεικνύει ότι, εκτός από την απώλεια ανοικτών ενδιαιτημάτων, τα δάση πλατύφυλλων γίνονται πυκνότερα. Οι τιμές NDVI στα δάση κωνοφόρων έμειναν λίγο πολύ σταθερές, ενώ τα εικονοστοιχεία που μετατράπηκαν από ανοικτούς οικοτόπους σε δάση κωνοφόρων, παρουσίασαν μια μικρή μόνο αύξηση στις τιμές NDVI τους.

Εικόνα 5: Πολυχρονικό προφίλ NDVI των κύριων μεταβάσεων που παρατηρήθηκαν στην περιοχή μελέτης.

4. Συμπεράσματα

Η τάση μείωσης των ανοικτών οικοτόπων έναντι των δασικών εκτάσεων, έχει οδηγήσει σε σημαντική απώλεια της ετερογένειας του τοπίου και σε ένα τοπίο όπου επικρατούν τα πλατύφυλλα. Η τάση αυτή ωφελεί τη συνδεσιμότητα των δασών, μειώνοντας τον κατακερματισμό τους, με θετικές συνέπειες για τη βιοποικιλότητα, ιδιαίτερα για τα μεγάλα θηλαστικά, τη δέσμευση άνθρακα, την αναψυχή και άλλες υπηρεσίες των δασικών οικοσυστημάτων. Από την άλλη πλευρά, τα είδη που εξαρτώνται για τροφή και φωλεοποίηση από τα ανοικτά ενδιαιτήματα ενδέχεται να εμφανίσουν μείωση του πληθυσμού τους. Ταυτόχρονα, ο κίνδυνος πυρκαγιών είναι πιθανό να αυξηθεί στο εγγύς μέλλον λόγω αυξημένης ποσότητας και "συνέχειας" της καύσιμης ύλης.

Τα αποτελέσματα συζητώνται σε σχέση με τις πολιτικές και διαχειριστικές παρεμβάσεις, που μπορεί να απαιτηθούν, ώστε να εξασφαλιστεί η μέγιστη δυνατή προστασία και διατήρηση των οικολογικών πόρων.