Παρακολούθηση της Μεταβολής της Κάλυψης Εδάφους και της Διατάραξης στην Προστατευόμενη Περιοχή Παγκόσμιας Πολιτιστικής Κληρονομιάς...

Από RemoteSensing Wiki

Παρακολούθηση της Μεταβολής της Κάλυψης Εδάφους και της Διατάραξης στην Προστατευόμενη Περιοχή Παγκόσμιας Πολιτιστικής Κληρονομιάς του Wutai, Βασισμένη σε Τηλεπισκοπικές Εικόνες από το 1987 έως το 2018

Τίτλος άρθρου:Monitoring Land Cover Change and Disturbance of the Mount Wutai World Cultural Landscape Heritage Protected Area, Based on Remote Sensing Time-Series Images from 1987 to 2018

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου:https://www.researchgate.net/publication/333587826_Monitoring_Land_Cover_Change_and_Disturbance_of_the_Mount_Wutai_World_Cultural_Landscape_Heritage_Protected_Area_Based_on_Remote_Sensing_Time-Series_Images_from_1987_to_2018

Συγγραφείς:Xuyu Bai, Peijun Du, Shanchuan Guo, Peng Zhang, Cong Lin,Pengfei Tang and Ce Zhang

Λέξεις-Κλειδιά: Δείκτης βιοποικιλότητας, θηλαστικά, τηλεπισκόπηση, ετερογένεια ενδιαιτήματος

Αντικείμενο Μελέτης

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι η ανάλυση της χωροχρονικής εξέλιξης των χρήσεων γης / κάλυψης γης (land use/land cover - LULC) και η αναγνώριση των απειλών που παρουσιάζονται για την περιοχή του όρους Wutai. Πιο συγκεκριμένα η έρευνα εστιάζει στην περιοχή του όρους η οποία έχει καταχωρηθεί ως Μνημείο Παγκόσμιας Κληρονομιάς από την UNESCO (Mount Wutai World Heritage Area). Η συγκεκριμένη έρευνα στηρίζεται στην ιδέα πως μια ανάλυση για μια περιοχή Παγκόσμιας Κληρονομιάς πρέπει να εμπεριέχει τις περιοχές με το πολιτισμικό υπόβαθρό αλλά και το ευρύτερο περιβάλλον μέσα στο οποίο εντάσσονται. Με βάση τους δείκτες NDVI, NDSI (κανονικοποιημένος δείκτης εδάφους), MNDWI (τροποποιημένος κανονικοποιημένος δείκτης νερού) και τα δεδομένα χρήσης γης - LULC που εξάγονται από τις εικόνες Landsat στο Mount Wutai, η μελέτη αυτή προσδιορίζει τους πιθανούς κινδύνους και τις σημαντικές διαταραχές της WHA, συμπεριλαμβανομένης της βιολογικής αφθονίας, του βαθμού πίεσης (stress) του εδάφους της γης, της κάλυψης της βλάστησης και της πυκνότητας του υδρογραφικού δικτύου. Για την αξιολόγηση και ανάλυση της χωροχρονικής διακύμανσης της χρήσης γης και των απειλών για την περιοχή του Όρους Wutai δημιουργείτε ένας προτεινόμενος δείκτης απειλών (Comprehensive Heritage Area Threats Index - CHATI). Αρχικά, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και GIS συνδυάζονται με δεδομένα πολλαπλών πηγών για την εξαγωγή αυτών των βασικών παραγόντων από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια τα χαρακτηριστικά της περιοχής αναλύονται ξεχωριστά για κάθε παράγοντα και οπτική, και στην συνέχεια καθιερώνεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα αξιολόγησης και ένα μακροπρόθεσμο πλαίσιο ακολουθίας.

Αφορμή της έρευνας αποτελούν οι διαταραχές και οι απειλές για την ασφάλεια των Μνημείων Παγκόσμιας Κληρονομιά που έχει δημιουργήσει η κλιματική αλλαγή. Με αυτή την αφορμή, υποστηρίζεται πως οι αλλαγές στις χρήσεις γης μιας περιοχής έχουν συνήθως σημαντική επίδραση στις περισσότερες πτυχές του περιβάλλοντος. Η εξέλιξη στις χρήσεις γης μιας περιοχής είναι μια συνεχής και δυναμική διαδικασία. Έτσι η μελέτη του αντίκτυπου των χρήσεων γης στην περιοχή γίνεται μέσω της επισκόπησης μιας διαχρονικής σειράς από στιγμιότυπα, κάτι που αποδεικνύεται ιδιαίτερα χρήσιμο για την κατανόηση της εξελικτικής διαδικασίας.

Μεθοδολογία

Μεθοδολογικά, η έρευνα αξιοποιεί δεδομένα από πολλές πηγές και απο πολλές χρονικές στιγμές. Αρχικά χρησιμοποιεί τα δεδομένα MODIS NDVI (normalized difference vegetation index - κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης) τα οποία παράγονται από την NASA. Τα δεδομένα αυτά τα οποία αφορούν εικόνες από το 2000 μέχρι το 2018 χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση της εποχιακής διακύμανσης στην βλάστηση της περιοχής και στην συνολικότερη κατάσταση της. Τα αποτελέσματα από αυτά δεδομένα παρέχουν καθοδήγηση όσο αφορά την επιλογή των εικόνων Landsat στην συνέχεια.

Κυρίως, τα δεδομένα που χρησιμοποιεί η έρευνα είναι δεδομένα Landsat, τα οποία συλλέχθηκαν από το 1987 μέχρι το 2018. Περιλαμβάνουν εικόνες TM (Thematic Mapper) και OLI (Operational Land Imager) με χωρική ανάλυση 30 μέτρων και κάλυψη σύννεφων κάτω του 90%. Σύμφωνα με τον μέσο όρο του NDVI για την περιοχή μελέτης που έχει προκύψει από τα δεδομένα MODIS NDVI και το πρότυπο της εποχιακής δυναμικής που παρατηρείται, επιλέγετε η περίοδος από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο ως η καλύτερη επιλογή για την παρακολούθηση της κατάστασης της βλάστησης. Τέλος συλλέχθηκαν δεδομένα τοπογραφικών χαρτών και δεδομένα των δασικών πόρων από το 2016 μέχρι το 2017 τα οποία αξιοποιήθηκαν για την έρευνα πεδίου. Για την επεξεργασία των δεδομένων των εικόνων TM / OLI χρησιμοποιούνται τα λογισμικά ENVI και ArcGIS. Στην προεπεξεργασία, οι εικόνες υποβάλλονται σε ραδιομετρική, ατμοσφαιρική και τέλος σε γεωμετρική διόρθωση. Οι κύριοι δείκτες που χρησιμοποιούνται είναι οι NDVI, NDSI και MNDWI. Ο NDVI (κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης) είναι η αναλογία του κοντινού υπέρυθρου (NIR) και του κόκκινου (R) καναλιού των εικόνων τηλεπισκόπησης. Ο δείκτης MNDWI (τροποποιημένος κανονικοποιημένος δείκτης νερού) αναπτύσσεται από το NDWI (κανονικοποιημένος δείκτης νερού), το οποίο μπορεί να εξάγει αποτελεσματικά τις περιοχές νερού από τις εικόνες. Ο δείκτης NDSI (κανονικοποιημένος δείκτης εδάφους) αναπτύσσεται από τον δείκτη εδάφους (SI), όπου ο δείκτης εδάφους συνδυάζεται με τον δείκτη IBI (index based building index) και χρησιμοποιεί το SAVI (δείκτης βλάστησης προσαρμοσμένος στο έδαφος) για να ελαχιστοποιήσει την επιρροή της βλάστησης. Συνεπώς, το NDSI είναι κατάλληλος δείκτης για τις δομημένες περιοχές και τις περιοχές με γυμνό έδαφος.

Για την παραγωγή των χαρτών χρήσης γης ακολουθούνται τα βήματα που έχουμε αναφέρει. Στη συνέχεια ορίζονται οι περιοχές εκπαίδευσης και χρησιμοποιούνται 3 διαφορετικοί τρόποι ταξινόμησης, μέγιστης πιθανοφάνειας - maximum likelihood classification (MLC), neural net classification (NN) και support vector machine classification (SVM) για την παραγωγή 3 χαρτών κάλυψης γης κάθε χρόνο. Με την ταξινόμηση διαφοροποιούνται 7 κατηγορίες χρήσης γης: δάση, λιβάδια, καλλιέργειες, ορυχεία, γυμνό έδαφος και νερό. Το ολοκληρωμένο σύστημα αξιολόγησης των απειλών για την περιοχή μελέτης αναπτύσσεται μέσω του Περιβαλλοντικού Δείκτη (EI – Environment Index). Σε αυτό το σύστημα, οι οικολογικές συνθήκες του περιβάλλοντος μπορούν να αξιολογηθούν μέσω έξι πτυχές, όπως ο βιολογικός πλούτος, η κάλυψη της βλάστηση, η πυκνότητα του υδρογραφικού δικτύου, η πίεση στο έδαφος, το φορτίο της ρύπανσης και ο περιβαλλοντικός περιορισμός (environmental restriction). Για τη συστηματική αξιολόγηση των συνθηκών περιβάλλοντος, κάθε μία από τις έξι πτυχές ανέπτυξε ένα δείκτη με ένα αντίστοιχο βάρος. Για να γίνει αυτή η εκτίμηση μέσω της τηλεπισκόπισης, έχει αναπτυχθεί ο δείκτης EECI (Ecological Environment Conditions Index).

EECI = α × NHQ + β × NNDVI + γ × NWD + δ × NLS

Όπου :

-NHQ = normalized habitat quality index

-NNDVI = normalized NDVI

-NWD = normalized water network denseness

-NLS = the degree of land stress

και α = 0.35, β = 0.35, γ = 0.15, δ = 0.15

Όσον αφορά την EECI, μια υψηλή τιμή EECI υποδηλώνει ότι οι οικολογικές συνθήκες περιβάλλοντος είναι πιο βιώσιμες και επηρεάζονται λιγότερο από τη διαταραχή. Αντίθετα, μια χαμηλή τιμή σημαίνει μια μεγάλη απειλή σε αυτόν τον τομέα. Προκειμένου να αναλυθεί το αποτέλεσμα που συνάδει με την τιμή απειλής, ο προτεινόμενος δείκτης απειλών (CHATI) έχει οριστεί ως εξής: CHATI = 1 − (α × NHQ + β × NNDVI + γ × NWD + δ × NLS).

Συμπεράσματα

Από τα στατιστικά δεδομένα και τους χάρτες χρήσης γης για την περιοχή του Όρους Wutai για το διάστημα των 30 ετών, από το 1987 έως το 2018, εξάγονται κάποια βασικά συμπεράσματα. Συνολικά η κάλυψη των δασών της περιοχής μειώνετε, ενώ αντίθετα η περιοχή του δομημένου περιβάλλοντος παρουσιάζει σημαντική αύξηση. Οι περιοχές ορυχείων σε μικρό χρονικό διάστημα έφτασε σε μια σημαντική αύξηση και στην συνέχεια μειώθηκε με αργό ρυθμό. Το γυμνό έδαφος παρουσιάζει μια αυξητική τάση. Οι καλλιέργειες αρχικά παρουσίασαν μείωση και στην συνέχεια μια μικρή αύξηση. Στην περιοχή υπάρχει μια μικρή έκταση νερού, η οποία διατηρείται σταθερή. Όσο αφορά τα λιβάδια, η έκταση τους κυμαίνεται σημαντικά.

Εστιάζοντας, παρατηρείται από τους χάρτες χρήσης γης, όσο αφορά τα δάση, ότι υπάρχει μια αύξηση της έκτασης γύρω από τον πυρήνα της προστατευμένης περιοχής ενώ η σημαντικότερη μείωση παρουσιάζεται στις πλέον δομημένες περιοχές και στα ορυχεία.

Επίσης στην έρευνα χρησιμοποιείται το NDVI που έχει παραχθεί από τις εικόνες Landsat για κάθε χρόνο για να προσδιοριστεί η κατάσταση της βλάστησης. Για ολόκληρη την περιοχή το μέσο NDVI παρέμεινε σταθερό. Για να αναγνωριστούν όμως οι χωρικές διαφοροποιήσεις της κατάστασης της βλάστησης έχει παραχθεί ένας ακόμα χάρτης ο οποίος δείχνει άμεσα την τάση των αλλαγών σε κάθε εικονοστοιχείο (pixel). Αυτό πετυχαίνετε μέσω της διαδικασίας F-test. Όπως φαίνεται στον χάρτη σημαντική μείωση στην κατάσταση βλάστησης υπάρχει στις περιοχές των ορυχείων, στις δομημένες περιοχές και σε μια γραμμική έκταση η οποία ακολουθεί την πορεία του οδικού δικτύου που κατασκευάστηκε μέσα στα τελευταία 30 χρόνια.

Όπως αναφέραμε, αυτή η έρευνα πρότεινε ένα Δείκτη Απειλών για την περιοχή, το Comprehensive Heritage Area Threats Index (CHATI). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί τέσσερις βασικούς κανονικοποιημένους δείκτες δημιουργώντας ένα ολοκληρωμένο σύστημα για την αξιολόγηση των απειλών ολόκληρης της περιοχής. Ο έλεγχος ακρίβειας, βασισμένος στην επικύρωση πεδίου, έχει αποδείξει ότι αυτό το πλαίσιο λειτουργεί, αλλά υπάρχουν κάποια μειονεκτήματα. Με βάση το αποτέλεσμα, εντοπίστηκαν πέντε περιοχές υψηλού κινδύνου και διαπιστώθηκε ότι αυτές οι περιοχές είναι σε μεγάλο βαθμό συνεπής με το χάρτη χρήσης γης. Από αυτή την άποψη, το CHATI πρότεινε έναν αποτελεσματικό τρόπο μέτρησης των απειλών της περιοχής. Τέλος, στην παρούσα έρευνα υιοθετήθηκε η μέθοδος της γραμμικής παλινδρόμησης (linear regression) και ένα F-test για την ανάλυση των χαρακτηριστικών της χωροχρονικής διακύμανσης. Από τα αποτελέσματα των υπολογισμών, ο πυρήνας της προστατευόμενης περιοχής του Όρους Wutai άλλαξε δραματικά αλλά τείνει σε λιγότερες απειλές. Αντίθετα, η οικιστική περιοχή και οι περιοχές με τα ορυχεία εμφάνισαν μεγάλη απειλή.

Εν κατακλείδι, η μελέτη δείχνει ότι υπάρχουν σημαντικές δυνατότητες εφαρμογής τεχνικών τηλεπισκόπησης και GIS σε συνδυασμό με ένα σύστημα αξιολόγησης για τον εντοπισμό των απειλών για τις περιοχές Παγκόσμιας Κληρονομιάς. Τα μακροχρόνια δεδομένα από τους δορυφόρους θα μπορούσαν να παρέχουν πλούσιες πληροφορίες για την υποστήριξη της παρακολούθησης και της διαχείρισης μιας Περιοχής Παγκόσμιας Κληρονομιάς.