Μια νέα προσέγγιση για την ποσοτικοποίηση της πίεσης βόσκησης στα μεσογειακά κτηνοτροφικά συστήματα με τη χρήση GIS και τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: A new approach to quantify grazing pressure under mediterranean pastoral systems using GIS and remote sensing

Συγγραφείς: Marina Castro, Abderrahmane Ameray and João Paulo Castro

Δημοσιεύθηκε: 2020, VOL. 41, NO. 14, 5371–5387 https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1731930

1. Εισαγωγή

Υπάρχει από το 1955 η μείωση των αγροτικών και κτηνοτροφικών πληθυσμών, η οποία παρατηρείται όχι μόνο στην Πορτογαλία αλλά και σε ολόκληρη τη βόρεια μεσογειακή περιφέρεια. Αυτή η δημογραφική αλλαγή οδήγησε στην εγκατάλειψη των αγροτικών περιοχών, ιδίως στις ορεινές περιοχές, με αποτέλεσμα την αύξηση των θαμνώνων και τη μείωση των βοσκοτόπων και των καλλιεργούμενων εκτάσεων. Κατά συνέπεια, υπήρξε αύξηση των φορτίων καύσιμης ύλης και απλοποίηση των ευάλωτων στη φωτιά τοπίων, συμβάλλοντας στην αύξηση των δασικών πυρκαγιών στις ευρωπαϊκές χώρες κατά μήκος της βόρειας λεκάνης της Μεσογείου, με την Πορτογαλία να αντιμετωπίζει μία από τις υψηλότερες κατατάξεις κινδύνου δασικών πυρκαγιών στην Ευρώπη. Οι ειδικοί σε θέματα πυρκαγιάς έχουν συστήσει την εφαρμογή αποτελεσματικών τεχνικών διαχείρισης της καύσιμης ύλης, όπως η δημιουργία δομικών συστημάτων πυροπροστασίας και η μείωση των φορτίων καύσιμης ύλης σε κρίσιμες περιοχές. Η κατανόηση της κατανομής των ζώων σε κλίμακα ενορίας είναι ζωτικής σημασίας για τον σχεδιασμό μέτρων βόσκησης για την προώθηση προγραμμάτων πρόληψης πυρκαγιών. Επιπλέον, εν μέσω μεταβαλλόμενων καθεστώτων πυρκαγιάς, υπάρχει ανάγκη για μια πιο ολοκληρωμένη στρατηγική, όπου η εκτεταμένη βόσκηση των ζώων θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως εργαλείο για τη μείωση των κινδύνων πυρκαγιάς, ιδίως σε ορεινές περιοχές όπου απαιτείται εντατικοποίηση της βόσκησης. Τα κτηνοτροφικά συστήματα έχουν ιστορικά προσαρμοστεί στην κλιματική μεταβλητότητα μέσω στρατηγικών κινητικότητας των ζώων. Σε περιοχές όπως η Βόρεια Πορτογαλία, όπου οι παραγωγοί μικρών μηρυκαστικών είναι ακτήμονες, η βόσκηση των ζώων γίνεται σε μη περιφραγμένη περιοχή της ενορίας, με την καθοδήγηση βοσκών. Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένων των δεκτών GNSS και των μη επανδρωμένων αεροσκαφών, διευκολύνουν την παρακολούθηση των κινήσεων βόσκησης και τη συλλογή λεπτομερών χωρικών πληροφοριών σχετικά με την κατανομή του ζωικού κεφαλαίου. Τα πολυφασματικά δεδομένα από πλατφόρμες όπως Sentinel-2, σε συνδυασμό με τα ΓΣΠ, επιτρέπουν την ακριβή ταξινόμηση των χρήσεων γης και της κάλυψης, βοηθώντας στην ανάλυση των προτύπων βόσκησης με την αξιοποίηση της πιο κοινής ταξινόμησης την Maximum Likelihood(ML). Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στην ανάπτυξη μιας προσέγγισης για τη μοντελοποίηση των κτηνοτροφικών συστημάτων σε μεσογειακά κτηνοτροφικά συστήματα, εστιάζοντας στη βόρεια Πορτογαλία. Με την ενσωμάτωση πολυφασματικών δεδομένων Sentinel-2 και τεχνικών γεωεπεξεργασίας, η μελέτη επιδιώκει να κατανοήσει την πίεση βόσκησης και τις επιπτώσεις της στον κίνδυνο πυρκαγιάς. Ο στόχος είναι να αξιοποιηθούν τα ΓΣΠ και η τηλεπισκόπηση για τη δημιουργία μιας βάσης για την τρέχουσα πίεση βόσκησης, η οποία μπορεί να ενημερώσει τις πολιτικές πρόληψης των πυρκαγιών και τις στρατηγικές διαχείρισης.

2. Υλικά Και Μέθοδοι

2.1. Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει την περιοχή Trás-os-Montes στη βορειοανατολική Πορτογαλία, με έκταση περίπου 660.000 km². Η περιοχή αυτή παρουσιάζει μεγάλη κλιματική ποικιλομορφία, με ποικίλες βροχοπτώσεις που κυμαίνονται από 400 mm στην άνω κοιλάδα Douro έως 1500 mm στις ορεινές περιοχές στα βόρεια. Το τοπίο αποτελείται από δάση βελανιδιάς και πεύκου, με ετήσιες και μόνιμες καλλιέργειες, καθώς και άλλες χρήσεις γης, όπως θαμνώνες, λιβάδια και οικιστικές περιοχές.

2.2. Συλλογή Δορυφορικών Δεδομένων και Επεξεργασία

Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν πολυφασματικές εικόνες Sentinel-2 από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος. Ελήφθησαν δεδομένα από τον Ιούλιο του 2018 και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία για να καλύψουν ολόκληρη την περιοχή της Bragança. Τα δεδομένα υποβλήθηκαν σε ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις, συμπεριλαμβανομένης της ορθοδιόρθωσης και της ατμοσφαιρικής διόρθωσης με τη χρήση του επεξεργαστή Sen2Cor. Μετά την προεπεξεργασία, τα δεδομένα επαναδειγματοληπτήθηκαν σε ανάλυση 10 m × 10 m και συνδυάστηκαν σε ένα μωσαϊκό που προβάλλεται στη ζώνη UTM 29 WGS84. Για την ανάλυση εξετάστηκαν οκτώ κατηγορίες χρήσεων και καλύψεων γης, συμπεριλαμβανομένων των ετήσιων καλλιεργειών, των μόνιμων καλλιεργειών, των λιβαδιών, των θαμνώνων, των βοσκημένων δασών, των μη βοσκημένων δασών, των αστικών περιοχών και των υδάτινων σωμάτων. Η θεματική ταξινόμηση περιελάμβανε τη χρήση ταξινομητών RF με επίβλεψη για τη διάκριση των έξι αρχικών κατηγοριών χρήσης και κάλυψης γης. Οι δείκτες βλάστησης και εδάφους υπολογίστηκαν και ενσωματώθηκαν με φασματικά δεδομένα για την ταξινόμηση. Εφαρμόστηκαν δύο επαναλήψεις του αλγορίθμου RF: η μία λαμβάνοντας υπόψη μόνο τα φασματικά δεδομένα και η άλλη ενσωματώνοντας δείκτες βλάστησης και εδάφους. Εφαρμόστηκαν βελτιώσεις μετά την ταξινόμηση και η ακρίβεια των ταξινομήσεων αξιολογήθηκε με τη χρήση της συνολικής ακρίβειας και του συντελεστή Cohen's Kappa. Μετά την ταξινόμηση, η κατηγορία δασών χωρίστηκε σε βοσκημένα και μη βοσκημένα δάση χρησιμοποιώντας δεδομένα COS2015. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να προκύψουν συνολικά οκτώ κλάσεις για την ενσωμάτωση στη διαδικασία μοντελοποίησης της πίεσης βόσκησης (GP). Η περιοχή μελέτης στην περιοχή Trás-os-Montes της Πορτογαλίας αναλύθηκε με τη χρήση πολυφασματικών εικόνων Sentinel-2 και πραγματοποιήθηκε θεματική ταξινόμηση για την οριοθέτηση των κλάσεων χρήσης γης και κάλυψης. Χρησιμοποιήθηκαν ταξινομητές RF με επίβλεψη, ενσωματώνοντας φασματικά δεδομένα με δείκτες βλάστησης και εδάφους για τη βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. Η ταξινόμηση που προέκυψε, η οποία επικυρώθηκε με βάση πραγματικών δεδομένων, αποτέλεσε τη βάση για τη μοντελοποίηση GP, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για τα πρότυπα βόσκησης στα μεσογειακά ποιμενικά συστήματα.

2.3. Μοντελοποίηση πίεσης βόσκησης

Η μοντελοποίηση της πίεσης βόσκησης (GP) στην περιοχή Bragança της βορειοανατολικής Πορτογαλίας περιλαμβάνει μια προσέγγιση αξιολόγησης με πολλαπλά κριτήρια σε περιβάλλον ΓΣΠ, χρησιμοποιώντας οπτικά δεδομένα Sentinel-2, τη χωρική βάση δεδομένων χρήσης και κάλυψης γης της Πορτογαλίας (COS2015), διοικητικά όρια και μια χωρική βάση δεδομένων που περιέχει θέσεις στάβλων και καταμετρήσεις ζώων. Αρχικά, η πυκνότητα ζωικού κεφαλαίου (SD) υπολογίζεται συνολικά, και στη συνέχεια κατανέμεται αναλογικά στις κλάσεις χρήσης/κάλυψης γης (LUC) που βόσκονται με βάση τις προτιμήσεις βόσκησης και τα ποσοστά των κλάσεων που δεν βόσκονται. Ένας συντελεστής διόρθωσης προτιμήσεων προσαρμόζει τις μη βοσκημένες περιοχές. Εξετάζεται η μέγιστη δυνητική απόσταση ταξιδιού από κάθε στάβλο, με προσδιορισμό των ευκλείδειων αποστάσεων από τα όρια των ενοριών. Η SD υπολογίζεται με τη χρήση ομόκεντρων δακτυλίων γύρω από τους στάβλους, λαμβάνοντας υπόψη τα μεταβλητά σχέδια βόσκησης και τις επικαλυπτόμενες περιοχές βόσκησης. Δημιουργείται ένα συστηματικό δίκτυο σημείων διανομής και η χωρική παρεμβολή μέσω συνήθους kriging δημιουργεί μια συνεχή επιφάνεια SD με ανάλυση 25 μέτρων. Οι τιμές SD των κλάσεων χωρίς βόσκηση μεταφέρονται στις κλάσεις με βόσκηση, δίνοντας μια διορθωμένη επιφάνεια SD (SD'). Αυτή η επιφάνεια SD' ενσωματώνεται με τα καλύτερα αποτελέσματα ταξινόμησης LUC χρησιμοποιώντας τεχνικές γεωεπεξεργασίας σταθμισμένης χωρικής επικάλυψης για τη δημιουργία ενός δυναμικού παγκόσμιου χάρτη GP για την περιοχή Bragança.

2.4. Χωροχρονικές μεταβάσεις και δομή του τοπίου

Η χωροχρονική ανάλυση των μεταβάσεων του τοπίου στην περιοχή μελέτης, καθώς και των διαχρονικών μεταβάσεων όλων των τύπων χρήσης/κάλυψης γης από το 1945 έως το 2020, πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας μία κοινή μέθοδο μεταταξινόμησης για ανίχνευση αλλαγών μεταξύ των διαφορετικών ημερομηνιών της περιόδου μελέτης. Η χρήση της μεταταξινόμησης είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός matrix αλλαγών χρήσεων/καλύψεων γης, το οποίο υπολογίστηκε με τη χρήση εντολών επικάλυψης στο λογισμικό του ArcGIS© για όλες τις χρονικές περιόδους. Επιπλέον, δημιουργήθηκε ένας σχετικός χάρτης της χωροχρονικής μετάβασης χρήσεων/καλύψεων γης. Οι πίνακες μετάβασης επέτρεψαν στην ανάλυση των αλλαγών να συμπεριλάβει πρόσθετες συνιστώσες της αλλαγής, όπως κέρδη και απώλειες γης, καθαρές αλλαγές, συνολικές αλλαγές, και εναλλαγές.

3. Αποτελέσματα και Συζήτηση

3.1.Ταξινόμηση χρήσεων και καλύψεων γης

Η εφαρμογή της επιβλεπόμενης ταξινόμησης Random Forest (RF) στις εικόνες Sentinel-2 διευκόλυνε την κατάτμηση του τοπίου σε επιθυμητές κατηγορίες χρήσης και κάλυψης γης (LUC). Η αποτελεσματική χρήση των ταξινομητών, μαζί με την προσεκτική επιλογή των δεδομένων εκπαίδευσης και επικύρωσης, εξασφάλισε ακριβή αποτελέσματα ταξινόμησης. Η ερμηνεία των πινάκων ενδεχομένων βοήθησε στην αξιολόγηση της ακρίβειας ταξινόμησης και στον καθορισμό των βέλτιστων αλγορίθμων και φασματικών ζωνών για τη διαδικασία τμηματοποίησης. Οι ταξινομητές RF παρουσίασαν υψηλή διακριτική ικανότητα, επιτυγχάνοντας συνολική ακρίβεια 90,8% και συντελεστή kappa 88,8%. Η ενσωμάτωση των δεικτών βλάστησης και εδάφους βελτίωσε περαιτέρω την απόδοση ταξινόμησης, αποδίδοντας συνολική ακρίβεια 91,2% και συντελεστή kappa 89,3%, με εξαιρετική ποιότητα ταξινόμησης. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι οριακές ακρίβειες παρέμειναν υψηλές, ξεπερνώντας το 80%, τόσο από την πλευρά του παραγωγού όσο και από την πλευρά του χρήστη. Η ενσωμάτωση του NDVI και του δείκτη φωτεινότητας (BI) αποδείχθηκε αποτελεσματική στη βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης, ιδίως στη διάκριση μεταξύ διαφορετικών τύπων κάλυψης γης. Ο NDVI ενίσχυσε την αντίθεση στην απορρόφηση του φωτός από το νερό από το έδαφος και τη βλάστηση, ενώ ο BI έκανε αποτελεσματική αντίθεση στο γυμνό έδαφος, ιδίως μετά τη συγκομιδή, συμβάλλοντας στη βελτίωση της διάκρισης μεταξύ θαμνώνων και βοσκοτόπων. Ο χάρτης LUC που προέκυψε απεικόνιζε τις θαμνώδεις εκτάσεις ως τον πιο άφθονο τύπο χρήσης γης, ακολουθούμενο από τις μόνιμες καλλιέργειες, τα λιβάδια, τα μη βοσκημένα δάση, τις ετήσιες καλλιέργειες, τα βοσκημένα δάση, τις αστικές περιοχές και τα υδάτινα σώματα. Τα ευρήματα αυτά ευθυγραμμίζονται με προηγούμενες μελέτες που υποδεικνύουν σημαντικές τροποποιήσεις του τοπίου στην περιοχή της Bragança, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μετατοπίσεις από τη γεωργία σε θαμνότοπους και μείωση της δασικής κάλυψης.

3.2. Πίεση βόσκησης

Χρησιμοποιώντας τα διοικητικά όρια και τα δεδομένα θέσης των κτηνοτροφικών στάβλων, υπολογίστηκε η πυκνότητα βοσκής (SD) και έγινε παρεμβολή με χωρική παρεμβολή kriging. Η προκύπτουσα επιφάνεια SD παρείχε πληροφορίες σχετικά με την ένταση της βόσκησης σε ολόκληρη την περιοχή, με την πιο κοινή πίεση βόσκησης να κυμαίνεται από 0 έως 0,25 πρόβατα ανά εκτάριο. Οι μέσες τιμές της πίεσης βόσκησης διέφεραν μεταξύ των κατηγοριών χρήσεων γης, με υψηλότερες τιμές να παρατηρούνται στις μόνιμες καλλιέργειες και τις ετήσιες καλλιέργειες σε σύγκριση με τους θαμνότοπους και τα βοσκημένα δάση. Η μελέτη υπογραμμίζει τη σημασία της κατανόησης των χωρικών προτύπων της πίεσης βόσκησης για την αποτελεσματική διαχείριση της γης και τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, ιδίως για τον μετριασμό των κινδύνων πυρκαγιών. Η ένταση της βόσκησης παραμένει κρίσιμος παράγοντας για τη διατήρηση ανθεκτικών στη φωτιά τοπίων, με επιπτώσεις στις πρακτικές διαχείρισης γης και στην ανθεκτικότητα των οικοσυστημάτων στις διαταραχές. Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τις δυνατότητες της βόσκησης ως προληπτικού μέτρου κατά των πυρκαγιών στα μεσογειακά ποιμενικά συστήματα, ευθυγραμμιζόμενα με προηγούμενες έρευνες που τονίζουν τη σχέση μεταξύ της έντασης της βόσκησης και των προτύπων κάλυψης γης σε παρόμοια τοπία. Οι αποτελεσματικές πρακτικές διαχείρισης της γης, συμπεριλαμβανομένης της βόσκησης, διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη μείωση των κινδύνων πυρκαγιών και στον μετριασμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνδέονται με τις τροποποιήσεις του τοπίου.

4. Συμπεράσματα

Η μελέτη επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση της πυκνότητας αποθεματοποίησης (SD) και της πίεσης βόσκησης (GP) στη βορειοανατολική Πορτογαλία με τη χρήση δορυφορικών εικόνων Sentinel-2 και προηγμένων τεχνικών GIS. Η Random Forest (RF) ταξινόμησε με ακρίβεια τη χρήση και την κάλυψη γης (LUC), αποκαλύπτοντας χαμηλή πίεση βόσκησης σε όλη την περιοχή. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν διαφορές στην πίεση βόσκησης μεταξύ των διαφόρων τύπων LUC, με υψηλότερη πίεση στις μόνιμες και ετήσιες καλλιέργειες σε σύγκριση με τα βοσκημένα δάση και τους θαμνώνες. Ο αγροτικός πίνακας LUC είναι ένα GP λογικά συμβατό με ένα μωσαϊκό, ενώ η LUC που σχετίζεται με το δασικό πίνακα έχει εξαιρετικά χαμηλή GP(grazing pressure), και επομένως δεν είναι συμβατή με ένα ανθεκτικό στη φωτιά τοπίο. Τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη σημασία της διαχείρισης της έντασης της βόσκησης για την ανθεκτικότητα του τοπίου και την πρόληψη των πυρκαγιών, υποδηλώνοντας επιπτώσεις για τα προγράμματα βόσκησης σε τοπική και περιφερειακή κλίμακα.