Μεταβολές της φωτορύπανσης και οι παράγοντες που την προκαλούν στις προστατευόμενες περιοχές της Κίνας

Από RemoteSensing Wiki

Μεταβολές της φωτορύπανσης και οι παράγοντες που την προκαλούν στις προστατευόμενες περιοχές της Κίνας, 1992-2012

Πρωτότυπος τίτλος: Changes in Light Pollution and the Causing Factors in China’s Protected Areas, 1992–2012

Συγγραφείς: Wenli Xiang, Minghong Tan

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing, 2017, 5th of October

Εισαγωγή

Οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν μεταβάλλει το φυσικό φωτισμό της νύχτας σε μεγάλες περιοχές του πλανήτη. Οι φυσικές εντάσεις, τα φάσματα και οι κύκλοι φωτός έχουν τροποποιηθεί από το τεχνητό φως, συμπεριλαμβανομένου του δημόσιου φωτισμού, της διαφήμισης, του φωτισμού δημόσιων και ιδιωτικών κτιρίων και οχημάτων, καθώς και της λάμψης του ουρανού, που παράγεται από το εκπεμπόμενο προς τα πάνω και το ανακλώμενο ηλεκτρικό φως το οποίο διασκορπίζεται κατά την επαφή του με το νερό, τη σκόνη και τα αέρια στην ατμόσφαιρα. Το 1996-1997, περίπου τα δύο τρίτα του παγκόσμιου πληθυσμού ζούσαν σε περιοχές όπου ο νυχτερινός ουρανός χαρακτηριζόταν ως μολυσμένος. Τόσο η έκταση όσο και η ένταση του τεχνητού φωτός συνεχίζουν να αυξάνονται με την ταχεία ανάπτυξη της αστικοποίησης και της εκβιομηχάνισης. Παρόλο που η εκτεταμένη χρήση του τεχνητού φωτός τη νύχτα έχει βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα της ανθρώπινης ζωής, η αλλαγή του φωτεινού περιβάλλοντος της νύχτας έχει βαθιά επίδραση στα οικοσυστήματα. Για αυτό το λόγο, αναφέρουμε τον όρο "φωτορύπανση". Άμεσα, αποτελεί απειλή για τη βιοποικιλότητα και μπορεί να μεταβάλει τη διανομή ειδών, τη δομή της κοινότητας και, ενδεχομένως, τις λειτουργίες και τις διαδικασίες του οικοσυστήματος. Έμμεσα, η φωτεινή ρύπανση συμβάλει ισχυρά και σε άλλα προβλήματα σχετικά με τη βιοποικιλότητα, συμπεριλαμβανομένου του κατακερματισμού των οικοτόπων και της κλιματικής αλλαγής. Οι προστατευόμενες περιοχές (ΠΠ) εκτελούν βασικές οικολογικές λειτουργίες και είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας. Τα χωρικά πρότυπα των ερημωμένων-μη κατοικημένων τόπων επηρεάζονται έντονα από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, ενώ τα διατηρημένα ενδιαιτήματα μπορούν, σε κάποιο βαθμό, να περιορίσουν τις ανθρωπογενείς πιέσεις και να προσφέρουν καταφύγιο σε ορισμένα είδη. Εντούτοις, οι ΠΠ λειτουργούν αποτελεσματικά μόνο όταν σταματούν την απώλεια των οικοτόπων εντός των ορίων τους και ταυτόχρονα συνδέονται με άλλες άγριες περιοχές. Ο τεχνητός νυχτερινός φωτισμός αντικατοπτρίζει αποτελεσματικά τις ανθρώπινες δραστηριότητες ενώ ταυτόχρονα έχει ισχυρές επιπτώσεις στο οικοσύστημα με αποτέλεσμα να αποτελεί ένα καλό δείκτη για τη μέτρηση της αποτελεσματικότητας διατήρησης των προστατευόμενων περιοχών. Γενικά, όταν μια προστατευόμενη περιοχή λειτουργεί καλά, δεν υπάρχει σε κανένα βαθμό ή υπάρχει μόνο ελαφριά φωτεινή ρύπανση. Η Κίνα είναι η χώρα με τον μεγαλύτερο πληθυσμό και βρίσκεται σήμερα υπό ταχεία οικονομική ανάπτυξη και αστική επέκταση. Από το 1992 έως το 2012, το ακαθάριστο εγχώριο προϊόν της Κίνας αυξήθηκε περίπου έξι φορές, ενώ ο αστικός πληθυσμός της χώρας αυξήθηκε από 320 σε 700 εκατομμύρια (Εθνικό Γραφείο Στατιστικής της Κίνας το 2016). Ως αποτέλεσμα, ο συνολικός φωτισμός νύχτας της Κίνας έχει αυξηθεί σημαντικά, προκαλώντας σημαντική φωτεινή ρύπανση. Για να προστατεύσει τη βιοποικιλότητα της, έχει δημιουργήσει (μέχρι το 2011) 2640 φυλασσόμενες περιοχές (nature reserves), καλύπτοντας το 15% της ξηράς. Αυτό εγείρει ερώτημα σχετικά με τον αντίκτυπο της ταχείας οικονομικής ανάπτυξης και της αστικοποίησης στη φωτορύπανση των ΠΠ. Ωστόσο, παρόλο που έχουν διεξαχθεί μελέτες σχετικά με τη φωτεινή ρύπανση σε προστατευόμενες περιοχές σε παγκόσμια κλίμακα, οι μελέτες σχετικά με τη φωτεινή ρύπανση στην Κίνα δεν ήταν αρκετές και οι προηγούμενες μελέτες επικεντρώθηκαν κυρίως στις αστικές περιοχές. Έτσι, η φωτεινή ρύπανση στις ΠΠ της Κίνας πρέπει να μελετηθεί επειγόντως για να βοηθήσει στην προστασία του άγριου περιβάλλοντος. Επιπλέον, με έκταση 9,6 εκατομμυρίων km^2, οι περιφέρειες της χώρας διαφέρουν σημαντικά όσον αφορά την οικονομική ανάπτυξη και τα φυσικά γεωγραφικά χαρακτηριστικά. Κατά συνέπεια, η φωτεινή ρύπανση των ΠΠ μπορεί να διαφέρει στις διάφορες περιοχές. Στο πλαίσιο αυτό, αξιολογήσαμε τις διαφορές στην φωτεινή ρύπανση των ΠΠ διαιρώντας την Κίνα σε διαφορετικές περιοχές και εστιάζοντας τόσο στην αλλαγή πεδίου εφαρμογής των ΠΠ που επηρεάζονται από τον τεχνητό νυχτερινό φωτισμό όσο και στην αλλαγή της στάθμης της φωτεινής ρύπανσης των ΠΠ.

Μεθοδολογία

Κατεβάσαμε 21 ετησίως (1992-2012) μέσες φωτεινές σύνθετες εικόνες κατά τη διάρκεια της νύχτας από το λειτουργικό σύστημα Linescan (OLS) του Μετεωρολογικού Δορυφορικού Προγράμματος Αμυντικής Μετεωρολογίας (DMSP) που παρέχεται από το Εθνικό Κέντρο Γεωφυσικών Δεδομένων NOAA. Σε προηγούμενες μελέτες, η κατανομή τεχνητού φωτός από αυτές τις εικόνες χρησιμοποιήθηκε για έλεγχο αστικοποίησης, πυκνότητας πληθυσμού, οικονομικής δραστηριότητας, καθώς και για την αξιολόγηση της χωρικής έκτασης της ίδιας της φωτορύπανσης. Οι εικόνες έχουν ανάλυση 30 τόξων δευτερολέπτων και αποκλείουν τις περιστασιακές επιπτώσεις λόγω ύπαρξης σύννεφων και άλλων εκλάμψεων. Κάθε εικονοστοιχείο αντιπροσωπεύεται από έναν ψηφιακό αριθμό (DN) από το 0 έως το 63. Το μηδέν αντιπροσωπεύει το σκοτάδι, ενώ οι πολύ έντονα φωτισμένες αστικές περιοχές συνήθως φτάνουν σε τιμή 63. Για τον προσδιορισμό των προστατευόμενων περιοχών της Κίνας, το πλήρες σύνολο δεδομένων για την Παγκόσμια Βάση Δεδομένων Προστατευόμενων Περιοχών (WDPA) απεκτήθη τον Οκτώβριο του 2016 και περιορίστηκε στα κινεζικά σύνορα. Το WDPA είναι το πιο ολοκληρωμένο παγκόσμιο σύνολο χωρικών δεδομένων για τις θαλάσσιες και χερσαίες προστατευόμενες περιοχές. Τα χωρικά δεδομένα προστατευόμενης περιοχής συλλέγονται με τη μορφή ορίων (πολύγωνο) όπου υπάρχουν ή ως ενιαία δεδομένα συντεταγμένων γεωγραφικού πλάτους και γεωγραφικού μήκους, όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμα οριακά δεδομένα. Όσον αφορά δεδομένα σημεία, δημιουργήθηκε μια χωρική προσέγγιση με τη δημιουργία μιας κυκλικής μνήμης γύρω από τα σημεία σύμφωνα με την αναφερόμενη περιοχή του χώρου που παρέχει το WDPA. Για να αποφευχθεί η μέτρηση αλληλοεπικαλυπτόμενων ΠΠ, χρησιμοποιήθηκε η εντολή "dissolve" στο ArcMap για τη δημιουργία ενός ενοποιημένου συνόλου πολυγώνων που διακρίνει περιοχές υπό κατάσταση προστασίας από μη προστατευμένες περιοχές. Οι χάρτες χρήσης γης προέρχονται από δορυφορικές εικόνες Landsat Thematic Mapper (TM) από το 1990 και το 2010 σε κλίμακα 1: 100.000, που παρέχεται από το Κέντρο Δεδομένων Πόρων και Περιβάλλοντος του Ινστιτούτου Γεωλογικών Επιστημών και Φυσικών Ερευνών, CAS. Ο αριθμός των αγροτικών πληθυσμών στις επαρχίες Shanxi προέρχεται από την στατιστική εφημερίδα Shanxi. Δεν υπάρχει καμπύλη βαθμονόμησης των αισθητήρων φωτισμού τη νύχτα και οι χρονοσειρές αυτού του εγγράφου περιλαμβάνουν δεδομένα από έξι διαφορετικούς δορυφόρους με διαφορετικούς αισθητήρες. Αυτό σημαίνει ότι οι DN στις εικόνες πρέπει να διασταυρωθούν προσεκτικά ώστε να μειωθούν οι διαφορές μεταξύ τους. Δεδομένου ότι οι ΠΠ της Κίνας βρίσκονται κυρίως στις αγροτικές περιοχές, η μελέτη αυτή χρησιμοποίησε τη βελτιωμένη μέθοδο Tan για τη διόρθωση των νυχτερινών φωτεινών δεδομένων, έχοντας υπ’ όψιν ότι η μέθοδος αυτή επικεντρώνεται στην Κίνα και επιλέγει μεγάλο αριθμό σημείων αναφοράς στις αγροτικές περιοχές με σκοπό τη βελτίωση της ακρίβειας και της συνέπειας των δεδομένων από τις αγροτικές περιοχές. Αντίθετα, άλλες μέθοδοι επικεντρώνονται κυρίως στις αστικές περιοχές. Αν και τα δεδομένα DMSP βαθμονομήθηκαν, υπήρχαν ακόμα διακυμάνσεις μεταξύ διαφόρων ετών, οδηγώντας σε μια ανακριβή εκτίμηση της εξέλιξης της αλλαγής της φωτεινής ρύπανσης από έτος σε έτος. Έτσι, διαιρέσαμε τις χρονολογικές σειρές μελέτης σε πέντε υποπεριόδους (1992-1995, 1996-2000, 2001-2004, 2005-2008 και 2009-2012) και χρησιμοποιήσαμε τις μέσες εικόνες DMSP κάθε υποπεριοχής για να υπολογίσουμε την αλλαγή τάσης. Για να αποκτήσουμε δεδομένα φωτός νύχτας προστατευόμενων περιοχών, μετατράπηκαν δεδομένα προστατευόμενης περιοχής από πολυγωνικά σε δυαδικά δεδομένα ράστερ (δηλ. με τιμές 1 για ΠΠ και τιμές 0 για όλες τις άλλες περιοχές) και πολλαπλασιάστηκαν με τα δεδομένα DMSP. Λαμβάνοντας υπόψη τις περιφερειακές διαφορές στην οικονομική ανάπτυξη και τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της φύσης, διαιρέσαμε την ηπειρωτική Κίνα σε εννέα μέρη: Βορειοανατολική Κίνα, Βόρεια Κίνα, Ανατολική Κίνα, Κεντρική Κίνα, Νότια Κίνα, Εσωτερική Μογγολία, Βορειοδυτική Κίνα, Νοτιοδυτική Κίνα και Qinghai-Θιβέτ (Σχήμα 1). Το Qinghai-Θιβέτ και η Εσωτερική Μογγολία διαχωρίστηκαν επειδή καλύπτουν μεγάλες εκτάσεις και παρουσιάζουν χαρακτηριστικά διαφορετικά από αυτά των άλλων περιοχών. Στη συνέχεια, μελετήσαμε την μεταβολή της εμβέλειας και την ένταση της αλλαγής της φωτορύπανσης στις εννέα περιοχές, χρησιμοποιώντας την ακόλουθη μέθοδο. Η ροή αυτής της εργασίας απεικονίζεται στο Σχήμα 2.

Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση υπερπλήρωσης του νυχτερινού φωτός, θεωρήσαμε τα εικονοστοιχεία με τιμή DN (digital number-ψηφιακός αριθμός) πάνω από 5,5 ως φωτισμένα εικονοστοιχεία που επηρεάστηκαν από το τεχνητό φως. Η αναλογία των εικονοστοιχείων που φωτίζονται σε προστατευόμενες περιοχές (proportion of lit pixels in protected areas-POLP) ενός τόπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης για να αντικατοπτρίζει την έκταση των ΠΠ με φωτορύπανση, γεγονός που επέτρεψε συγκρίσεις μεταξύ διαφόρων τόπων με διαφορετικές ΠΠ. Το POLP υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: POLPij=Arealitij/Areatotalij όπου POLPij είναι η αναλογία των εικονοστοιχείων που φωτίζονται σε προστατευμένες περιοχές της περιοχής i στην υποπερίοδο j, Arealitij είναι η περιοχή των φωτισμένων εικονοστοιχείων σε προστατευμένες περιοχές της περιοχής i στην υποπερίοδο j και Areatotalij είναι η συνολική έκταση των προστατευόμενων περιοχών της περιοχής i στην υποπερίοδο j. Ακολούθως, η απόλυτη μεταβολή (που χρησιμοποιήθηκε για τη σύγκριση διαφόρων περιοχών) και η σχετική μεταβολή (που χρησιμοποιήθηκε για να συγκριθεί μια περιοχή με τον εαυτό της) του POLP από την πρώτη έως την πέμπτη υποπερίοδο υπολογίστηκαν για να διερευνηθεί η μεταβολή του αντικειμένου της φωτορύπανσης κατά την περίοδο: Abs.Changei=POLP5i−POLP1i Rel.Changei=(POLP5i−POLP1i)/POLP1i όπου η Abs.Changei είναι η απόλυτη αλλαγή του POLP στην περιοχή i, η Rel.Changei είναι η σχετική αλλαγή του POLP στην περιοχή i, το POLP1i είναι το POLP της περιοχής i στην πρώτη υποπερίοδο και το POLP5i είναι το POLP της περιοχής i την πέμπτη υποπερίοδο. Η φωτεινότητα/λάμψη μπορεί να αντικατοπτρίζει την ένταση της φωτορύπανσης. Πρώτον, για να διερευνήσουμε τη γενική αλλαγή της έντασης της φωτορύπανσης (δηλαδή πόσα εικονοστοιχεία επιδεινώθηκαν από τη φωτορύπανση και πόσα μετριάστηκαν), χρησιμοποιήσαμε τη μέση τιμή DN των νυχτερινών φωτεινών δεδομένων της πέμπτης υποπεριόδου μείον εκείνη της πρώτης και υπολογίσαμε το ποσοστό των εικονοστοιχείων των οποίων η λάμψη αυξήθηκε (DN αλλαγή >3) και εκείνο των οποίων μειώθηκε (αλλαγή DN <3), ενώ τα εικονοστοιχεία με αλλαγή DN κάτω από 3 θεωρήθηκαν ότι δεν υπόκεινται σε καμία αλλαγή. Δεύτερον, για να διερευνήσουμε τις αλλαγές στην ένταση της φωτεινής ρύπανσης, διαιρέσαμε τα φωτισμένα εικονοστοιχεία σε τρία επίπεδα σύμφωνα με την τιμή DN (Πίνακας 1). Τα εικονοστοιχεία με τιμές μεταξύ 5,5 και 10 θεωρήθηκαν ότι αντιπροσωπεύουν μέτρια επίπεδα φωτεινής ρύπανσης επειδή ο αριθμός των εικονοστοιχείων μειώθηκε ραγδαία με την αύξηση της τιμής DN και η ταχύτητα της μείωσης επιβραδύνθηκε σημαντικά στην τιμή 10. Τα εικονοστοιχεία με τιμές άνω των 30 υποδεικνύουν ισχυρή φωτεινή ρύπανση, καθώς αυτή η τιμή χρησιμοποιείται γενικά ως κατώφλι για την εύρεση αστικών περιοχών. Τα εικονοστοιχεία με τιμές μεταξύ 10 και 30 υποδεικνύουν μεσαία επίπεδα. Για να αξιολογηθεί ο τρόπος με τον οποίο άλλαξαν τα επίπεδα της φωτεινής ρύπανσης από την πρώτη έως την πέμπτη υποπερίοδο, χρησιμοποιήσαμε τη μήτρα μεταφοράς της στάθμης της φωτεινής ρύπανσης, η οποία δείχνει τον αριθμό των εικονοστοιχείων που μεταφέρονται από το ένα επίπεδο στο άλλο.

Αποτελέσματα

Με βάση το WDPA, οι φυλασσόμενες περιοχές της Κίνας καλύπτουν συνολική έκταση 1,59 εκατομμυρίων km^2. Το ποσοστό των προστατευόμενων περιοχών ολόκληρης της περιοχής του Qinghai-Θιβέτ είναι το μεγαλύτερο (41,29%), ενώ για την Ανατολική Κίνα βρέθηκε το χαμηλότερο ποσοστό (3,20%) (Πίνακας 2). Η Βορειοανατολική Κίνα, η περιοχή της Εσωτερικής Μογγολίας και η Νοτιοδυτική Κίνα έχουν παρόμοιες τιμές, σχεδόν 10%. Στο Qinghai-Θιβέτ το μέγεθος των προστατευόμενων περιοχών ήταν υψηλότερο, ακολουθούμενο από την Εσωτερική Μογγολία και τη Βορειοδυτική Κίνα. Αντίθετα, στη Νότια Κίνα, την Ανατολική Κίνα, την Κεντρική Κίνα και τη Βόρεια Κίνα, οι προστατευόμενες περιοχές είναι σχετικά μικρές.

Συνολικά, για την Κίνα, η προστατευόμενη περιοχή που υποβλήθηκε σε φωτορύπανση αυξήθηκε περίπου 1,79 φορές από το 1992 έως το 2012, ενώ οι POLPs σε όλες τις περιοχές υπερδιπλασιάστηκαν από το 1992 έως το 2012 (Πίνακας 3). Γενικά, οι ανατολικές αναπτυγμένες περιοχές (Βόρεια Κίνα, Ανατολική Κίνα και Νότια Κίνα) έδειξαν ευρύτερα πεδία φωτεινής ρύπανσης και υψηλότερες απόλυτες αυξήσεις του POLP σε σύγκριση με τις άλλες περιοχές. Η απόλυτη αύξηση της Ανατολικής Κίνας ήταν η υψηλότερη και το POLP υπερέβη το 40% στην πέμπτη υποπερίοδο. Στην περιοχή Qinghai-Θιβέτ, αν και η απόλυτη αλλαγή ήταν η μικρότερη (0,076%), το POLP αυξήθηκε κατά 19 φορές, κατά τη διάρκεια της περιόδου.

Για τις ΠΠ σε όλες τις περιοχές, η αναλογία των εικονοστοιχείων που αυξάνουν τη φωτεινότητα (αλλαγή DN>3) ήταν σημαντικά υψηλότερη από εκείνες που μειώνουν τη φωτεινότητα (αλλαγή DN<-3) (Σχήμα 3), πράγμα που σημαίνει ότι η περιοχή όπου η φωτορύπανση επιδεινώθηκε ήταν πολύ μεγαλύτερη από την περιοχή όπου ελαφρύνεται η ρύπανση. Στην Ανατολική Κίνα, οι ΠΠ υποβλήθηκαν στο υψηλότερο εύρος αύξησης της φωτεινότητας, ακολουθούμενη από τις ΠΠ στη Βόρεια Κίνα. Αντίθετα, οι αυξήσεις στη φωτεινότητα ήταν σχετικά χαμηλές στις ΠΠ του Qinghai-Θιβέτ, της Βορειοδυτικής Κίνας και της Εσωτερικής Μογγολίας. Δεν υπήρχε εικονοστοιχείο στις ΠΠ του Qinghai-Tibet που έδειχνε μείωση της φωτεινότητας, ενώ στη Βόρεια Κίνα, το ποσοστό προστατευόμενης περιοχής που μειωνόταν στη φωτεινότητα ήταν το υψηλότερο, ακολουθούμενο από τη βορειοανατολική Κίνα.

Συμπεράσματα

Με την επικάλυψη των φωτεινών δεδομένων DMSP και της χωρικής κατανομής των ΠΠ της Κίνας, η εργασία αυτή μελέτησε το πώς η φωτορύπανση στις ΠΠ της Κίνας άλλαξε από το 1992 στο 2012. Σε εθνικό επίπεδο, αφενός, η αναλογία των φωτεινών εικονοστοιχείων στις ΠΠ αυξήθηκε περίπου 1,79 φορές, από 1,513% κατά την πρώτη υποπερίοδο (1992-1995) σε 4,225% κατά την πέμπτη υποπερίοδο (2009-2012). Επιπλέον, η κατάσταση ποικίλλει μεταξύ των περιφερειών. Στις ανατολικές αναπτυγμένες περιοχές (Βόρεια Κίνα, Ανατολική Κίνα και Νότια Κίνα), η φωτεινή ρύπανση των ΠΠ ήταν πιο σοβαρή από ό, τι σε άλλες περιοχές και επιδεινώθηκε σημαντικά. Από αυτές, η κατάσταση της Ανατολικής Κίνας ήταν η πιο σοβαρή. Στις ΠΠ αυτής της περιοχής, η αναλογία των φωτισμένων pixel αυξήθηκε κατά περίπου 32,4% και όλα τα pixels σε έντονο επίπεδο φωτεινής ρύπανσης δεν βελτιώθηκαν. Στις ΠΠ του Qinghai-Θιβέτ, αν και η αύξηση της φωτορύπανσης δεν ήταν σημαντική σε σύγκριση με άλλες περιοχές, το φάσμα των ΠΠ με υπάρχουσα φωτορύπανση αυξήθηκε περίπου 19 φορές. Η φωτεινή ρύπανση σε μια ΠΠ εξαρτάται τόσο από τις ανθρώπινες δραστηριότητες (πηγές φωτεινής ρύπανσης) όσο και από τα ίδια τα χαρακτηριστικά της ΠΠ (επηρεάζοντας την εξάπλωση της φωτορύπανσης). Η αύξηση των οικιστικών περιοχών έχει ισχυρή θετική σχέση με την αύξηση της φωτορύπανσης, ενώ ακόμη και μια μικρή αύξηση της κατοικημένης περιοχής μπορεί να προκαλέσει μεγάλη αύξηση της φωτορύπανσης. Αυτό ήταν το πιο σημαντικό όσον αφορά τη περιοχή της Βόρειας Κίνας. Συνεπώς, πρέπει να ελέγχεται η επέκταση των κατοικημένων περιοχών εντός και γύρω από προστατευόμενες περιοχές. Από την άλλη μεριά, οι ΠΠ με μικρότερη έκταση τείνουν να έχουν υψηλότερα ποσοστά εμβαδού με φωτεινή ρύπανση, οπότε οι ΠΠ δεν πρέπει να οικοδομούνται σε κατακερματισμό.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]