Μορφοκλασματική ανάλυση για τη διαχείριση των φυσικών πόρων
Από RemoteSensing Wiki
Πηγή: http://spie.org/newsroom/technical-articles/5988-fractal-analysis-for-natural-resources-management?highlight=x2420&ArticleID=x113795 (πρόσβαση 12/1/2016).
Αρχικό άρθρο: Juan Carlos Valdiviezo & Anna Carbone. (2015). Fractal analysis for natural resources management. SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1201505.005988.
Τα πολύπλοκα συστήματα, όπως οι βιολογικοί οργανισμοί, οι κοινωνικές οργανώσεις και οι φυσικές/ τεχνητές δομές, μπορεί να εκτιμηθούν με παρατήρηση μιας σχετικής μεταβλητής πάνω από μια ορισμένη χρονική και γεωγραφική εμβέλεια, η οποία μπορεί να παρασταθεί ως μια μονοδιάστατη αλληλουχία μεγάλου βεληνεκούς ή πινάκων μεγάλων διαστάσεων. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών υπακούουν στους νόμους της αυτο-ομοιότητας και έχουν φράκταλ (μορφοκλασματική) συμπεριφορά. Η έρευνα έχει ως στόχο να αποκτήσει ουσιαστικούς δείκτες για την αξιολόγηση της οργάνωσης οικοσυστημάτων, τη δυναμική, τη σταθερότητα και τις λειτουργίες θεμελιώδους σημασίας για τη βιώσιμη διαχείριση των φυσικών πόρων. Για το σκοπό αυτό, γίνεται χρήση του εκθέτη Hurst για να προσδιορίσει τα χαρακτηριστικά σχέδια και να ποσοτικοποίησει τη δομή και την δυναμική του συνόλου των εικόνων, που αποκτήθηκαν από τον θεματικό Landsat Mapper (TM), που παρακολουθεί τους επίγειους αισθητήρες που βρίσκονται σε διαφορετικές τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο.
Ο εκθέτης Hurst H περιγράφει τις μακροπρόθεσμες και χωρικές μνήμες σε μονοδιάστατες ακολουθίες ή πίνακες μεγάλων διαστάσεων. Ποσοτικοποιεί την τάση μιας συσχετιζόμενης μεταβλητής με παλινδρόμηση προς το μέσο όρο ή καθώς συγκεντρώνεται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Δύναται να πάρει τιμές μεταξύ 0 και 1, δείχνοντας θετική συσχέτιση, μηδενική συσχέτιση και αντι-συσχέτιση για τιμές H> 0.5, Η = 0.5, και H <0,5, αντίστοιχα. Η εκτίμηση της H έχει αξιοποιηθεί σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένου του κλίματος, της γονιδιωματικής, και τις χρηματοπιστωτικές αγορές.
Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος, ο οποίος είχε δημιουργηθεί σε άλλη εργασία, για τον υπολογισμό του εκθέτη Hurst μεγάλων διαστάσεων fractals χρησιμοποιώντας μια ανάλυση βασιζόμενη στην άρση της τάσης του κινητού μέσου όρου, μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση των συσχετίσεων μακράς εμβέλειας των φράκταλ επιφανειών. Έγινε χρήση αυτού του αλγορίθμου για τη μέτρηση των φρακταλικών αλλαγών από δύο σύνολα εικόνων δορυφόρου Landsat. Για την προσομοίωση επιλέχθηκαν 2 σκηνές ιδιαίτερου ενδιαφέροντος που δείχνουν διαχρονικές μεταβολές των χρήσεων γης και τη διαχείριση υδάτων. Οι πρώτες εικόνες αφορούν τη δεξαμενή Elephant Butte, που βρίσκεται κατά μήκος του Ρίο Γκράντε, στο Νέο Μεξικό. Η περιοχή έχει βιώσει μείωση της στάθμης των υδάτων τα τελευταία 20 χρόνια, γεγονός που έχει οδηγήσει σε σημαντικές αλλαγές στα οικοσυστήματα της περιοχής. Ένας άλλο παράδειγμα που μελετήθηκε είναι η επαρχία Mangystan στο Καζακστάν, η οποία χαρακτηρίζεται από μια αυξανόμενη υποδομή των κοιτασμάτων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Από το 1990 έχουν εγκατασταθεί πολλοί γερανοί και άλλες εγκαταστάσεις παραγωγής έχουν κατασκευαστεί στην έρημο. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών το σενάριο έχει τροποποιηθεί σε μεγάλο βαθμό, με προβλήματα που σχετίζονται με την ποιότητα και τη διαθεσιμότητα του γλυκού νερού.
Στις δύο αυτές εξεταζόμενες περιοχές παρουσιάζεται μείωση του εκθέτη Hurst, γεγονός που συνδέεται άμεσα με τις αλλαγές στις περιβαλλοντικές συνθήκες των περιοχών. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο δείκτης H μειώνεται ως συνάρτηση του χρόνου κατά την αυξανόμενη ανθρώπινη εκμετάλλευση. Στην πραγματικότητα, αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν μία ισχυρή σχέση μεταξύ της μορφοκλασματικής διάστασης της επιφάνειας της Γης και αλλαγές κατά το πέρασμα του χρόνου. Αν σκεφτούμε τη Γη ως ένα πολύπλοκο σύστημα, θα μπορούσαμε να συμπεράνουμε ότι ένα τέτοιο σύστημα χάνει την πολυπλοκότητα. Ενώ οι αλλαγές στα οικοσυστήματα μπορούν να εκτιμηθούν απευθείας παρατηρώντας την εξέλιξη της φυσικής δομής των εικόνων Landsat, εξακολουθεί να είναι χρήσιμη η πολύπλοκη ανάλυση μέσω του εκθέτη Hurst. Με την εκτίμηση των συσχετιζόμενων εκθετών, μπορούν να διαμορφωθούν γενικά μοντέλα της δυναμικής του βιολογικού φυσικού οικοσυστήματος και να παραχθεί βαθύτερη γνώσεις σχετικά με τα φαινόμενα που διέπουν την ίδια τη μεταμόρφωση του οικοσυστήματος.
Συμβολή της τηλεπισκόπισης
Η τηλεπισκόπιση εκτός της ουσιαστικής συμβολής της στην έρευνα για αλλαγές που σχετίζονται με φυσικούς πόρους κ.ά., παρέχει και ποικίλους τρόπους διεξαγωγής της μελέτης. Αυτό προκύπτει από την προσέγγιση της εργασίας μέσω της εξέτασης της μορφοκλασματικής δομής που παρουσιάζουν τα αντικείμενα της έρευνας. Ως αποτέλεσμα εκτός των αλλαγών δύναται να παρατηρηθούν και δυναμικές αλλαγές των οικοσυστημάτων.
