Ο Ρόλος του Landsat σε Οικολογικές Εφαρμογές Τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Εισαγωγή

Στο άρθρο γίνεται μία ιστορική αναδρομή στο 1960 και στα οικολογικά κινήματα, καθώς επίσης στην σταδιακή ανάπτυξη της τεχνολογίας, όπως του GIS την δεκαετία του 1960 και 1970, όπως και των υπολογιστών, των μικροεπεξεργαστών κτλ.. Η εκτόξευση του δορυφόρου Sputnik το 1957, ήταν η έναρξη της εποχής του διαστήματος. Συνεχίζεται η ιστορική αναδρομή στις διαστημικές αποστολές, οι οποίες τελικά σχετίζονται με την ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης αργότερα, κυρίως με την χρήση του δορυφόρου Landsat, το 1972, στον οποίο αναφέρεται το παρόν άρθρο. Η χρήση των ψηφιακών δεδομένων ήταν μία επανάσταση για την οικολογία, αφού μπορούσαν να μοιραστούν εύκολα τα δεδομένα και να γίνουν εργασίες σε μεγάλες περιοχές, μέσω τηλεπισκόπησης. Επίσης οι Θεματικοί Χάρτες Landsat (ΤΜ) και οι Βελτιωμένοι Θεματικοί Χάρτες Plus (ΕΤΜ+) αποκτούν φασματικές μετρήσεις σε όλα τα βασικά τμήματα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, κάτι που δίνει τη δυνατότητα για την ανάλυση επιπλέον δεδομένων. Στο άρθρο επίσης γίνεται αναφορά στις χρήσεις του υλικού που λαμβάνεται από τον Landsat, όπως τους αισθητήρες που έχει, τους φασματικούς φυτικούς δείκτες, την ανάδειξη της δύναμης της ανάκλασης SWIR σε οικολογικές εφαρμογές με τηλεπισκόπηση.

Ιστορική Αναφορά στο Πρόγραμμα Landsat

Αναφέρεται ότι η τεχνολογία που αναφερόταν στην τάση του ανθρώπου να προσπαθεί να ανέβει σε υψηλότερα επίπεδα για να δει το τοπίο και τα οικοσυστήματα καλύτερα, ξεκίνησε στα μέσα του 1800, όταν οι πρώτες κάμερες δέθηκαν σε μπαλόνια . Τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, η έρευνα συνδυάστηκε με την πράξη και ξεκίνησε η παρατήρηση της Γης, όπως την ξέρουμε σήμερα. Ο Landsat ήταν το πρώτο διαστημόπλοιο που έκανε παρατήρηση της Γης. Γίνεται αναφορά για τον τρόπο που αντιδρά η βλάστηση στην ακτινοβολία και η δυνατότητα λήψης δεδομένων από τη ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και την εγγύς υπέρυθρη, η οποία προσφέρει ιδιαίτερα χρήσιμα δεδομένα για την παρατήρηση της οικολογίας. Επιπλέον το φάσμα ανάκλασης της βλάστησης, χρησιμοποιείται ως βάση για την έγχρωμη φωτογράφηση υπερύθρων (CIR), κάτι που ξεκίνησε και από τα κατασκοπικά αεροπλάνα των ΗΠΑ, τα οποία έβλεπαν από ύψος 18 km. Αντίστοιχα υπήρξαν εφαρμογές στα διαστημόπλοια Apollo/ Gemini. Συνεχίζει η ιστορική αναδρομή στο άρθρο και καταλήγει στην παρουσίαση των επτά εκτοξεύσεων Landsat από το 1972 μέχρι την ημερομηνία της μελέτης. Δηλαδή σχεδόν κάθε τρία χρόνια, μέχρι το Landsat 5, το 1984 και στη συνέχεια ο 6 την δεκαετία του 1990, ο οποίος δεν μπόρεσε να μπει σε τροχιά. Ο Landsat 7 εκτοξεύτηκε το 1999. Περιγράφονται τα συστήματα που είχε κάθε Landsat και πως εξελίχθηκαν, όπως ότι ξεκίνησαν με τρία κανάλια (κόκκινο, πράσινο, NIR) και RBV – return beam instrument. Ο δεύτερος Landsat έκανε μία δοκιμή στα συστήματα RBV και MSS (multispectral scanner sensor) σε τρία κανάλια πάλι, αλλά τα τέσσερα κανάλια και η διακριτική ικανότητα των 30m πραγματοποιήθηκε στο Landsat3. Ωστόσο η αναλογική μετάδοση των σημάτων RBV δημιούργησε πρόβλημα με παραμορφώσεις του σήματος. Στον Landsat 4 χρησιμοποιήθηκε το σύστημα TM, παρόμοιο με το MSS, το πρώτο όμως έχει και ουσιαστική ενίσχυση. Έτσι, ενώ το MSS είχε τέσσερα κανάλια, 6-bit και εικόνα 80m, to ΤΜ έχει 7 κανάλια, 8bit και 30m διακριτική ικανότητα. Ο Landsat 7 εισήγαγε την ETM+, me 15m πανχρωματικά κανάλια και 15m διακριτική ικανότητα, καθώς επίσης το γεγονός ότι κάθε 16 μέρες επιστρέφει στο ίδιο σημείο. Περιγράφεται η πολιτική κατάσταση και οι ακυρώσεις αποστολών και προγραμμάτων στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000, καθώς επίσης ότι τελικά τον Μάιο 2003 ο Landsat 7, παρουσίασε δυσλειτουργία στον αισθητήρα ETM+, κάτι που είχε ως αποτέλεσμα να χάνεται το 20-25% των δεδομένων σε κάθε εικόνα. Το πρόγραμμα Landsat έχει τελικά επιτύχει να λειτουργεί 30 έτη παρά τα οικονομικά και πολιτικά προβλήματα που κατά καιρούς παρουσιάστηκαν στις ΗΠΑ.

Δημιουργία των Φυτικών Φασματικών Δεικτών και Landsat

Λίγα χρόνια πριν την αποστολή του ERTS (Landsat 1), δημιουργήθηκε ο χρωματισμός του γρασιδιού με ακτινοβολία NIR (750 nm) σε κόκκινο (650nm) ανάκλαση, ο οποίος ονομάστηκε έγχρωμος δείκτης γρασιδιού. Αντίστοιχα παρουσιάζονται και άλλοι δείκτες που αναπτύχθηκαν και τελικά φθάνουμε στον NDVI (normalized difference vegetation index, ο οποίος προκύπτει από τη σχέση (NIR-red)/(NIR+red). Τα δεδομένα του Landsat ήταν σημαντικό στοιχείο για να την ανάπτυξη του NDVI και των άλλων δεικτών (SVIs). Επίσης ο Landsat ήταν και ο πρώτος δορυφόρος με συστήματα SWIR

Ανάδειξη της δύναμης των βραχέων κυμάτων της υπέρυθρης ανακλαστικότητας

Η σημασία του TM και του ETM+, έγκειται στο γεγονός ότι αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν και κανάλια SWIT, κάτι που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στην οικολογία, αφού αναγνωρίζονται στην μελέτη της δασικής βλάστησης. Γενικά μπορεί να υπολογιστεί η βιομάζα και η ηλικία των δένδρων, ενώ είναι πολύ χρήσιμα στον προσδιορισμό των αλλαγών που παρατηρούνται στα δάση. Ωστόσο υπάρχουν και σημαντικές εφαρμογές και εκτός των δασών, όπως η χρήση ανάκλασης SWIR στην ταξινόμηση εδαφών, λόγω της ευαισθησίας στην δομή του εδάφους, την συγκέντρωση οργανικής ύλης και την υγρασία.

Οικολογικές εφαρμογές του Landsat

Οι εφαρμογές του Landsat στην οικολογία είναι πολλές όλα αυτά τα 30 χρόνια λειτουργίας και ταξινομούνται σε αυτές που α) χρησιμοποιούνται τα δεδομένα για να χαρακτηριστεί η κατάσταση και η δυναμική του οικοσυστήματος, και αυτές που β) βασίζονται στην συμβολή του Landsat σε αυξημένης περιπλοκότητας οικολογικά μοντέλα. Για την πρώτη περίπτωση η εφαρμογές ομαδοποιούνται στην δημιουργία θεματικών ταξινομήσεων (ταξινόμηση δασών, όπως όγκος ξυλείας, οικότοποι άγριας ζωής κτλ. όπως Σχήμα 1.). Επίσης την δημιουργία χαρτών χρήσης γης στην γεωργία κ.α. Επιπλέον στην Βιοφυσική (π.χ. κατάσταση βλάστησης), όπως στο Σχήμα 2.

Εικόνα 1. Χάρτες χρήσης γης και δάσους για 7 km από αρκτικό δάσος στον Βόρειο Καναδά (αριστερά) και μεικτό δάσος φυλλοβόλων – αειθαλών ανατολικά της Μασαχουσέτης (Δεξιά), οι οποίες λήφθηκαν από τον Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus data.

Εικόνα 2. Χάρτες από δείκτες φυλλικής επιφάνειας (από 0 έως 8 τετραγωνικά μέτρα φυλλικής επιφάνειας, ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας γης) για δύο 7km από τμήματα 7km λειμώνων στο Κάνσας (αριστερά) και γεωργική γη στο Ιλινόις (δεξιά), οι οποίες λήφθηκαν από τον Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus data.

Στην ίδια κατηγορία περιλαμβάνεται η χρονική δυναμική, δηλαδή η επανάληψη που υπάρχει όταν ο δορυφόρος διέρχεται από το ίδιο σημείο σε συγκεκριμένες περιόδους. Έτσι μπορούν να προσδιοριστούν αλλαγές που πραγματοποιούνται. Επιπλέον, τα χωρικά μοτίβα είναι μία σημαντική εφαρμογή των δεδομένων του Landsat στην οικολογία, αφού μπορούν να μετρηθούν χαρακτηριστικά του τοπίου, να ταξινομηθεί η χρήση γης, να βρεθούν μονοπάτια κτλ. (Σχήμα 3.)

Εικόνα 3. Landsat Thematic Mapper imagery αντιπροσωπεύει τρεις ημερομηνίες για ένα μικρό (3km από 5km) τμήμα δασικής περιοχής στο Δυτικό Όρεγκον και ένας χάρτης δραστηριότητας σε δασική συγκομιδή, η οποία προέκυψε από τα δεδομένα.

Τέλος η χαρτογράφηση μεγάλων περιοχών είναι μία σημαντική εφαρμογή των δεδομένων του Landsat. Όσο αφορά την κατηγορία της χρήσης των δεδομένων του Landsat στη δημιουργία οικολογικών μοντέλων, όλα τα χρόνια έχουν δημιουργηθεί πολυάριθμα μοντέλα. Οι κύριες κατηγορίες που ανήκουν τα μοντέλα είναι Φυσιολογικά Μοντέλα, Μοντέλα Μέτρησης (π.χ. μέτρηση άνθρακα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4), αξιολόγηση των ενδιαιτημάτων της άγριας ζωής, κοινωνικοοικονομικές σπουδές μέσω της αλλαγής χρήσης γης.

Εικόνα 4. Μοντέλο για την ανάπτυξη της ροής του άνθρακα σε σχέση με τον χρόνο, για τουλάχιστον 800,000 ha δασικής έκτασης στο Δυτικό Όρεγκον. Το μοντέλο χρησιμοποιεί εικόνες Landsat για να προετοιμάσει τις συνθήκες στο δάσος και πολλαπλές ημερομηνίες για να προσδιορίσει τις διαταραχές στο δάσος. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται από μοντέλα για να μετρηθεί η δυναμική του άνθρακα σε δασικά συστήματα και στον τομέα των δασικών προϊόντων.

Αυξανόμενη Κληρονομιά του Landsat

Τις τελευταίες δεκαετίες οι οικολογικές επιστήμες έχουν επηρεαστεί από τις κοινωνικοπολιτικές αλλαγές. Παράλληλα και η ραγδαία εξάπλωση της τεχνολογίας έχει δημιουργήσει νέα εργαλεία για την έρευνα και την μελέτη της οικολογίας. Η τηλεπισκόπηση είναι ένα από αυτά τα εργαλεία και ξεκίνησε από τους δορυφόρους Landsat. Η χρήση των φυτικών δεικτών για την εξαγωγή τοπικών και χρονικών πληροφοριών για τα φυτά είναι πολύ σημαντική και χρήσιμη. Η ανάκλαση SWIR μπορεί να δώσει ακόμα περισσότερα δεδομένα σε μεγάλες εκτάσεις. Το μέλλον των Landsat και των αισθητήρων τους είναι στην μοντελοποίηση διαφόρων οικολογικών διεργασιών. Ωστόσο, οι αισθητήρες από έναν δορυφόρο δεν είναι πάντα ικανοί να προσδιορίσουν την κατάσταση στην γη, γι’ αυτό το μέλλον θα συσχετιστεί με αισθητήρες που θα βρίσκονται στην γη και τα δεδομένα τους θα συνδυάζονται αυτά του Landsat.

Εικόνα 5. Μοντέλο για την ανάλυση του παραλιακού τοπίου και την μελέτη μοντελοποίησης, ή CLAMS, που συνδέει την δασική οικολογία με την πολιτική και τις κοινωνικές διαδικασίες. Η κατάσταση του τοπίου τροποποιείται στη διάρκεια του χρόνου (t) και δίνεται από τον συνδυασμό των χαρτών που λαμβάνονται από τον Landsat και τα μοντέλα προσομοίωσης . Τα οικολογικά και κοινωνικοοικονομικά αποτελέσματα αξιολογούνται σε σχέση με διάφορες υποθετικές δασικές πολιτικές.

Βιβλιογραφία

Πηγή: Landsat’s Role in Ecological Applications of Remote Sensing

Συγγραφείς: Warren B. Cohen, Samuel N. Goward

Δημοσίευση: BioScience, June 2004/ Vol. 54 No. 6

Link: https://academic.oup.com/bioscience/article/54/6/535/294251/Landsat-s-Role-in-Ecological-Applications-of