Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπος Τίτλος

Μια προσέγγιση τηλεπισκόπησης και GIS για την μελέτη μακροπρόθεσμης ανάκτησης βλάστησης δάσους πεύκου που έχει πληγεί από τη φωτιά στη Νότια Ελλάδα

Τίτλος

A Remote Sensing and GIS Approach to Study the Long-Term Vegetation Recovery of a Fire-Affected Pine Forest in Southern Greece

Πηγή

mdpi

doi

Συγγραφείς

Foula Nioti, Fotios Xystrakis, Nikos Koutsias, Panayotis Dimopoulos

Η μελέτη και η διαχείριση οικοσυστημάτων επιρρεπών σε πυρκαγίες εξαρτάται άμεσα απο το δυναμικό αναγέννησης και την δυνατότητα ανάκτησης των διαφόρων τύπων βλάστησης εντός αυτών. Στην παρούσα μελέτη, αξιολογείται η ανάκτηση της βλάστησης σε δασικές εκτάσεις Τραχείας Πεύκης (Pindus brutia) μετά από την πυρκαγιά του 1983 στο νησί Κάρπαθος που βρίσκεται στο νοτιοανατολικό Αίγαίο, Ελλάδα, με κύριους στόχους (α) για τον εντοπισμό των περιβαλλοντικών παραμέτρων που θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάκτηση των δασικών εκτάσεων P. brutia που κάηκαν και (β) για τον προσδιορισμό των αλλαγών κάλυψης γης (1982–2009) που σχετίζονται με αυτό το συμβάν πυρκαγιάς. Υπολογίστηκαν και συγκρίθηκαν οι δείκτες NDVI και NBR καθώς και θεματικοί χάρτες αλλαγών κάλυψης γης λίγους μήνες μετά την πυρκαγιά, το 1984 και μετά από σχεδόν 30 χρόνια το 2012, ενώ αναλύθηκε η επορροή διαφόρων περιβαλλοντικών παραγόντων. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική ανάκαμψη, αλλά και ότι ορισμένες δασικές εκτάσεις μετατράπηκαν σε θαμνώδη βλάστηση. Το υψόμετρο, η κλίση, η ακτινοβολία και η φυσιογνωμία πριν από την πυρκαγιά είχαν επιρροή στην ανάκτηση, με το υψόμετρο και την κλίση να εξηγούν τις αλλαγές στους δορυφορικούς δείκτες. Η Pinus brutia έδειξε καλή δυνατότητα ανάκτησης μετά την πυρκαγιά σε περιοχές με αυξημένη διαθεσιμότητα υγρασίας.

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο νησί της Κάρπαθου στο Ανατολικό Αιγαίο, όπου μια μεγάλη πυρκαγιά το 1983 έκαψε 4475 εκτάρια δασικής έκτασης Pinus brutia, μαζί με άλλους τύπους βλάστησης όπως τα φρύγανα. Η ουλή πυρκαγιάς, που περιγράφεται μεταξύ 27 ° 7'25.9Ε -35 ° 38'12.3N (νοτιοδυτικά) και 27 ° 13'5.6'E -35 ° 45'19.7N (βορειοανατολικά), περιλαμβάνει άκαμπτη μπαλώματα εντός της γενικής καμένης περιμέτρου. Η Κάρπαθος, στη θερμομεσογειακή κλιματική ζώνη, έχει υψόμετρα που κυμαίνονται από 0 έως 684 m. Το μεσογειακό κλίμα του νησιού περιλαμβάνει μια ξηρή περίοδο από τα μέσα Μαρτίου έως τα μέσα Οκτωβρίου. Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 386,7 mm, η μέση ετήσια θερμοκρασία 19,4 ° C, ελάχιστη θερμοκρασία ψυχρότερου μήνα 0,8 ° C και μέγιστη θερμοκρασία θερμοκρασίας 45 ° C. Το γεωλογικό υπόστρωμα αποτελείται από σκληρό ασβεστόλιθο και φλύσχη.

Geographical location and changes between pre- and post-fire land cover.

Για την πυρκαγιά του 1983, δεν ήταν προσβάσιμος ακριβής, λεπτομερής χάρτης της καμένης περιοχής, μόνο ένα γενικό σκίτσο της περιμέτρου του εγκαύματος με περιορισμένες χωρικές πληροφορίες, ειδικά για άκαυστα μπαλώματα, το οποίο διορθώθηκε ώστε να προσδιοριστεί χωρικά η ουλή της πυρκαγιάς με την βοήθεια δορυφορικών εικόνων LANDSAT του 1984 και πολυχρονικά δορυφορικά δεδομένα αρχειοθετημένα από το USGS LANDSAT.

Για την αξιολόγηση της επίδρασης του φυσικού περιβάλλοντος στην ανάκτηση μετά την πυρκαγιά της δασικής βλάστησης P. brutia, εξετάστηκαν διάφορες μεταβλητές. Αυτά περιελάμβαναν υψόμετρο, όψη, κλίση, γεωλογικό υπόστρωμα, δεδομένα εδάφους, ηλιακή ακτινοβολία και απόσταση από το υδρογραφικό δίκτυο. Το υψόμετρο προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (30 m DEM). Το DEM χρησίμευε επίσης για την εκτίμηση της κλίσης και της όψης της κλίσης. Οι πληροφορίες για το γεωλογικό υπόστρωμα και το βάθος του εδάφους ελήφθησαν από γεωλογικούς και εδαφικούς χάρτες 1:50.000. Η πλησιέστερη απόσταση από το υδρογραφικό δίκτυο υπολογίστηκε με χρήση των 30m DEM και ArcGIS Hydrology Tools. Η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία υπολογίστηκε λαμβάνοντας υπόψη τις κλίσεις, τον προσανατολισμό και την ανάγλυφη σκίαση. Υπολογίστηκαν επίσης αποστάσεις από κάθε σημείο δειγματοληψίας μέχρι την πλησιέστερη άκαυστη τοποθεσία και άκαυτο πευκοδάσος. Όλες αυτές οι μεταβλητές προσδιορίστηκαν για κάθε σημείο δείγματος στον δειγματοληπτικό σχεδιασμό της περιοχής μελέτης.

Για να εντοπιστούν οι αποκλίσεις των χαρτών κάλυψης γης μεταξύ πριν και μετά την πυρκαγιά και των περιορισμών των δορυφορικών δεδομένων, αναπτύχθηκε ένα σύστημα ταξινόμησης. Το πρόγραμμα περιλαμβάνει τέσσερις κατηγορίες κάλυψης γης: πυκνό δάσος P. brutia (> 25% κάλυψη), ανοιχτό δάσος P. brutia (< 25% κάλυψη), θαμνώδεις εκτάσεις (με διάσπαρτα δέντρα) και φρύγανα (περιοχές αραιής βλάστησης χωρίς δέντρα ή ψηλούς θάμνους). ). Αυτό το σύστημα εφαρμόστηκε τόσο στους χάρτες βλάστησης πριν όσο και μετά την πυρκαγιά. Για τον χάρτη βλάστησης πριν από την πυρκαγιά, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πεδίου από το 1981 και δορυφορικές εικόνες LANDSAT από το 1975 και το 1984. Ο χάρτης βλάστησης μετά την πυρκαγιά χρησιμοποίησε δεδομένα κάλυψης εδάφους CORINE 2000 και εικόνες θεματικού χάρτη LANDSAT-5 από το 2008 και το 2009. Στους χάρτες κάλυψης γης πριν και μετά την πυρκαγιά, για να αναδειχθούν οι αλλαγές στην κατανομή της βλάστησης 26 χρόνια μετά την πυρκαγιά, χρησιμοποιήθηκε ένας τακτικός δείκτης για την αξιολόγηση των αλλαγών στις κατηγορίες ανάκτησης, με αποτέλεσμα έναν τελικό χάρτη των αλλαγών της βλάστησης εντός της καμένης περιοχής.

Geographical location and changes between pre- and post-fire land cover.

Οι αλλαγές στους δείκτες βλάστησης αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας δεδομένα δορυφορικής τηλεπισκόπησης, συγκεκριμένα τον Δείκτη Κανονικής Διαφοράς Βλάστησης (NDVI) και τον Κανονικό Λόγο Εγκαύματος (NBR) για τις εικόνες LANDSAT του 1984 και του 2012. Αυτοί οι δείκτες βλάστησης χρησιμοποιούνται συνήθως στην τηλεπισκόπηση καμένων περιοχών για τη χαρτογράφηση των ουλών πυρκαγιάς ή την εκτίμηση της σοβαρότητας των εγκαυμάτων, ελαχιστοποιώντας την επίδραση εξωγενών παραγόντων και ενισχύοντας τη συσχέτιση με τις εσωτερικές παραμέτρους βλάστησης.

Επιλέχθηκαν τυχαία 500 σημεία εντός της περιοχής μελέτης χρησιμοποιώντας γενικευμένη τυχαία στρωματοποιημένη δειγματοληψία, με μέγεθος δείγματος ανάλογο με κάθε κατηγορία χρήσεων γης/κάλυψης γης. Έντεκα σημεία εντός των γεωργικών αγρών εξαιρέθηκαν, με αποτέλεσμα ένα τελικό σύνολο δεδομένων 489 σημείων για ανάλυση διασταύρωσης πινάκων. Ένα δευτερεύον σύνολο δεδομένων, που χρησιμοποιήθηκε στην ανάλυση logistic regression, απέκλεισε σημεία στη βλάστηση θάμνων και φρύγανα, συνολικού ύψους 438 σημείων σε πυκνό και ανοιχτό δάσος P. brutia για ανάπτυξη του μοντέλου.

IKONOS segmentation and the burnt areas polygons.

Επιπλέον, επιλέχθηκαν 88 ομοιογενή τμήματα ως περιοχές δοκιμής από παγχρωματικές εικόνες IKONOS υψηλής ανάλυσης. Ένας αλγόριθμος τμηματοποίησης, συγκεκριμένα το λογισμικό eCognition® Developer, εφαρμόστηκε στην εικόνα και επιλέχθηκαν οπτικά 88 ομοιογενή τεμάχια.

Η ανάλυση διασταυρούμενης πινακοποίησης (πίνακες έκτακτης ανάγκης) εφαρμόστηκε για τον εντοπισμό αλλαγών κάλυψης βλάστησης την εξεταζόμενη χρονική περίοδο (προ και μετά την πυρκαγιά βλάστηση) στα 489 σημεία δειγματοληψίας.

Η ανάκτηση δασών σε πευκοδάση πριν από την πυρκαγιά αναλύθηκε χρησιμοποιώντας binary logistic regression. Οι τακτικές κλάσεις ανάκτησης μετατράπηκαν σε δυαδικές μεταβλητές, με το "1" να δείχνει την ανάκτηση στην κατάσταση πριν από την πυρκαγιά και το "0" να υποδεικνύει διαφορετικά. Η δυαδική λογιστική παλινδρόμηση προέβλεψε την τιμή της μεταβλητής απόκρισης (ανάκτηση) από περιβαλλοντικές επεξηγηματικές μεταβλητές. Το καλύτερο μοντέλο επιλέχθηκε με βάση το κριτήριο BIC, συμπεριλαμβανομένων συνεχών μεταβλητών όπως υψόμετρο, κλίση, όψη, ηλιακή ακτινοβολία, απόσταση από άκαυστα σημεία, απόσταση από άκαυτο δάσος P. brutia και κατηγορικές μεταβλητές όπως βάθος εδάφους, τύπος βράχου και προ -πυρική βλάστηση (πυκνή ή ανοιχτή συστάδες P. brutia). Η απόδοση του μοντέλου αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας την περιοχή κάτω από την καμπύλη χαρακτηριστικών λειτουργίας δέκτη (ROC), υποδεικνύοντας αποδεκτή διάκριση. Η δοκιμή καλής προσαρμογής Hosmer–Lemeshow αξιολόγησε πόσο καλά ταίριαζε το μοντέλο στα δεδομένα. Οι καμπύλες πυκνότητας επιλεγμένων επεξηγηματικών μεταβλητών για τις κατηγορίες ανάκτησης σχεδιάστηκαν για να απεικονιστούν οι διαφορές στη μεταβλητή κατανομή μεταξύ των δύο κατηγοριών ανάκτησης.

Για τη μέτρηση της ανάκτησης του οικοσυστήματος, η διαφορά μεταξύ των δεικτών NDVI και NBR χρησιμοποιήθηκε ως μεταβλητή μεσολάβησης. Αυτή η διαφορά υπολογίστηκε για το έτος αμέσως μετά την πυρκαγιά (1984) και το 2012. Μια μεγαλύτερη διαφορά στις τιμές του δείκτη μεταξύ αυτών των περιόδων θεωρείται ότι υποδηλώνει ισχυρότερη ένδειξη υψηλής αναγέννησης ή ανάκαμψης. Οι κατανομές των δεικτών NDVI και NBR για καμένα και άκαυστα έμπλαστρα σχεδιάστηκαν και πραγματοποιήθηκε ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ των τιμών διαφοράς των δεικτών και επιλεγμένων περιβαλλοντικών μεταβλητών.

Από το 1981 (δύο χρόνια πριν από την πυρκαγιά) έως το 2009 (26 χρόνια μετά την πυρκαγιά), οι αλλαγές στη βλάστηση είναι εμφανείς. Παρατηρήθηκε μείωση στις πυκνές δασικές εκτάσεις (από 54,8% σε 37,4%) και στις ανοιχτές δασικές εκτάσεις (από 34,8% σε 7,8%), που συνοδεύτηκε από αύξηση των θαμνωδών εκτάσεων (από 9,8% σε 37,4%) και των φρουρών (από 0,6% σε 17,4% ). Οι παρατηρούμενες αλλαγές αποκλίνουν σημαντικά από τις αναμενόμενες τιμές, υποδηλώνοντας ότι αυτές οι αλλαγές δεν οφείλονται αποκλειστικά σε τυχαίες τιμές. Αυτό δείχνει ότι ένα σημαντικό μέρος των θαμνωδών εκτάσεων δεν ανέκαμψε 26 χρόνια μετά την πυρκαγιά, αν και σε ορισμένες περιοχές, σημεία που κυριαρχούσαν οι θάμνοι παρουσίασαν μείωση, προάγοντας πιθανώς τη βλάστηση των σπόρων Pinus brutia.

Indication of ecosystem recovery as inferred through the difference between the vegetation rates of NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and NBR (Normalized Burned Ratio) in satellite images from 1984 and 2012.

Το μοντέλο δυαδικής λογιστικής παλινδρόμησης, που επικυρώθηκε με δείκτες βλάστησης, υποδεικνύει παράγοντες που επηρεάζουν την ανάκαμψη των πευκοδασών. Εντοπίζονται πέντε σημαντικές μεταβλητές που επηρεάζουν την ανάκαμψη των δασών: "υψόμετρο", "κλίση", "ηλιακή ακτινοβολία", "απόσταση από το υδρογραφικό δίκτυο" και "βλάστηση πριν από την πυρκαγιά". Το μεγάλο υψόμετρο ευνοεί την ανάκαμψη, ενώ οι απότομες πλαγιές, η υψηλή ηλιακή ακτινοβολία, οι μεγάλες αποστάσεις από το υδρογραφικό δίκτυο και οι ανοικτές προ της πυρκαγιάς συστάδες Pinus brutia εμποδίζουν την ανάκαμψη. Οι καμπύλες πυκνότητας απεικονίζουν αξιοσημείωτες διαφορές σε μεταβλητές όπως η "προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία", το "υψόμετρο" και η "κλίση της πλαγιάς" μεταξύ των κλάσεων ανάκαμψης και μη ανάκαμψης.

Estimated density curves of selected environmental variables for each recovery class (0: “no recovery”; 1: “recovery”)

Interpolated (inverse distance weighted) recovery probabilities, as estimated from the logistic regression model, in the study area (left); higher probabilities of recovery are estimated for the areas of higher elevation (right), as predicted from the logistic regression.

Στην ανάλυση linear regression παρατηρήθηκαν παρόμοια ευρήματα. Το υψόμετρο και η κλίση της πλαγιάς αναδείχθηκαν ως κυρίαρχες και σημαντικές μεταβλητές που επηρεάζουν το μέγεθος της διαφοράς στις τιμές των δεικτών βλάστησης, ενδεικτικές της ανάκαμψης, για τις επιλεγμένες κηλίδες. Η ανάκαμψη, που αντιπροσωπεύεται από μεγάλες διαφορές NDVI και NBR, παρουσίασε θετική συσχέτιση με το υψόμετρο, ενώ παρατηρήθηκε αρνητική σχέση με την κλίση.

Scatter diagram of regeneration in relation to altitude and slope

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν αλλοιωμένα τοπία λόγω της πυρκαγιάς, με μείωση των δασών P. brutia και αύξηση των θαμνώνων.Το υψόμετρο επηρεάζει θετικά την ανάκαμψη των δασικών εκτάσεων, σε συνδυασμό με τους απαιτητικούς σε νερό τύπους βλάστησης που ευνοούνται σε μεγαλύτερα υψόμετρα.Η κλίση της πλαγιάς παίζει καθοριστικό ρόλο, με τις ήπιες πλαγιές να διευκολύνουν τη φυσική αναγέννηση. Η μειωμένη ηλιακή ακτινοβολία συνδέεται με την καλύτερη ποιότητα της περιοχής, ενισχύοντας την αναγέννηση. Η πυκνότητα της βλάστησης πριν από την πυρκαγιά επηρεάζει αρνητικά την ανάκαμψη, ενδεχομένως λόγω της διαθεσιμότητας σπόρων, ενώ η απόσταση από υδρογραφικά δίκτυα επηρεάζει τη δυνατότητα ανάκαμψης. Άλλες εξεταζόμενες μεταβλητές, συμπεριλαμβανομένου του γεωλογικού υποστρώματος και του βάθους του εδάφους, παρουσιάζουν περιορισμένη σημασία. Η μελέτη υποδηλώνει την ανάγκη για περισσότερη έρευνα σχετικά με φυσικές και ανθρωπογενείς παραμέτρους σε επεξηγηματικά μοντέλα για την ανάκαμψη των δασών.