Ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης των πτηνών με ραντάρ - ένα πρόβλημα πιθανότητας ανίχνευσης
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς:
HEIKO SCHMALJOHANN, FELIX LIECHTI, ERICH BÄCHLER, THOMAS STEURI & BRUNO BRUDERER
Εισαγωγή
Η ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης των πτηνών αφορά τη χωρική και χρονική κατανομή τους. Καθώς τα πουλιά συχνά μεταναστεύουν σε υπερβολικά υψηλό υψόμετρο για οπτική παρατήρηση, και πιο συχνά κατά τη διάρκεια της νύχτας, τα ραντάρ χρησιμοποιούνται συστηματικά για την παρακολούθηση της μετανάστευσης των πτηνών. Επιστημονικές μελέτες έχουν δώσει μεγάλη προσοχή στην σωστή καταγραφή και ερμηνεία των δεδομένων από ραντάρ. Η ανάγκη για γρήγορα διαθέσιμες μελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων, παράλληλα με τη διαθεσιμότητα σχετικά φθηνών ναυτικών ραντάρ οδήγησε σε πολλαπλασιασμό των μελετών με ραντάρ. Ωστόσο, οι δυνατότητες και οι περιορισμοί των οργάνων στην ανίχνευση και ποσοτικοποίηση πτηνών και εντόμων δεν έχει αξιολογηθεί επαρκώς. Το μεγαλύτερο ποσοστό ζήτησης για μελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων σήμερα συνδέεται με τα αιολικά πάρκα. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί αξιολόγηση των εν δυνάμει απειλών τέτοιων δομών, στην ορνιθοπανίδα, είναι απαραίτητο να ποσοτικοποιηθούν οι κινήσεις των πουλιών. Η αρχή της ποσοτικοποίησης φαίνεται απλή: ο αριθμός των πουλιών εντός της ακτίνας του ραντάρ παρέχει τη χωρική και χρονική κατανομή τους. Ωστόσο, για να εξασφαλισθούν αξιόπιστα αποτελέσματα, τα σήματα αυτά πρέπει να ταυτοποιηθεί ότι αντιπροσωπεύουν πτηνά και ο προς εξέταση όγκος (surveyed volume) πρέπει να είναι γνωστός. Ο προς εξέταση όγκος, δηλαδή οι διαστάσεις της δέσμης του ραντάρ, μεταβάλλεται με το "μέγεθος του στόχου" (διατομή του ραντάρ), γεγονός που κάνει την ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης της ορνιθοπανίδας ένα δύσκολο εγχείρημα. Ωστόσο, στις περισσότερες εφαρμοσμένες μελέτες ραντάρ και ακόμη και σε πρόσφατες επιστημονικές μελέτες ούτε η αναγνώριση του σήματος ούτε κατάλληλες εκτιμήσεις των εξεταζόμενων όγκων έχουν ληφθεί υπόψη. Λαμβάνοντας υπόψη τη ζήτηση για γρήγορες αλλά εντούτοις αξιόπιστες μελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων, η σημασία της σωστής ποσοτικής ανάλυσης είναι σημαντική. Καθώς τα στοιχεία αυτά αποτελούν τη βάση για αποφάσεις που αφορούν τη διατήρηση της φύσης, οι ανεπάρκειες των αναλύσεων που έχουν ήδη δημοσιευθεί είναι ανησυχητικές. Σκοπός του παρόντος άρθρου είναι η η παρουσίαση των βέλτιστων πρακτικών υπολογισμού της απόλυτης τιμής πυκνότητας πτηνών με τη χρήση ραντάρ (Εικόνα 1), των απαραίτητων προσαρμογών των δεδομένων ραντάρ και των απαραίτητων παραμέτρων για ποσοτικοποίηση, ενώ παρουσιάζονται και λύσεις που βασίζονται σε δεδομένα πεδίου.
Ανίχνευση σημάτων
Συλλογή δεδομένων
Για την κατάλληλη ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης της ορνιθοπανίδας απαιτείται συλλογή δεδομένων για τη διατομή του ραντάρ, τη φασματική υπογραφή του σήματος, την ταχύτητα του αέρα, την κατεύθυνση πτήσης και τη θέση ως προς τη δέσμη του ραντάρ κάθε στόχου. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει σύστημα ραντάρ μέχρι στιγμής που μπορεί να παρέχει αυτές τις βασικές παραμέτρους με μία μόνο μέθοδο δειγματοληψίας, τουλάχιστον δύο μέθοδοι δειγματοληψίας πρέπει να συνδυαστούν για να ποσοτικοποιηθεί η μετανάστευση της ορνιθοπανίδας επιτυχώς.
Οι βασικές μέθοδοι δειγματοληψίας που χρησιμοποιούνται στις μελέτες ορνιθοπανίδας με ραντάρ είναι με ραντάρ των οποίων η δυσδιάστατη δέσμη στη μία διάσταση έχει μεγάλο εύρος και στην άλλη μικρό (fan-beam radars) (Εικόνα 2) και με ραντάρ με δέσμη σε σχήμα μολυβιού (pencil-beam radars) (Εικόνα 3).
Τα ραντάρ τύπου fan-beam σε οριζόντια διάταξη ανίχνευσης των πουλιών, δίνουν ελλιπή δεδομένα για το υψόμετρο, για αυτό το λόγο αυτού του τύπου τα ραντάρ χρησιμοποιούνται σε κάθετη διάταξη ανίχνευσης, παρέχοντας δεδομένα για το υψόμετρο, τον αριθμό σημάτων με την απόσταση και την γωνία κλίσης και πιθανά και το μεγέθους του σήματος. Η κωνική ανίχνευση με ραντάρ τύπου pencil-beam σε διαφορετικά υψόμετρα αποδίδουν το μέγεθος του σήματος, την απόσταση και το ύψος. Στις περισσότερες επιστημονικές μελέτες και μελέτες περιβαλλοντικών επιπτώσεων χρησιμοποιούνται ναυτικού τύπου ραντάρ για την ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης της ορνιθοπανίδας. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι μέθοδοι οριζόντιας και κάθετης ανίχνευσης συνήθως συνδυάζονται για τη λήψη δεδομένων για την υψομετρική κατανομή και την κατεύθυνση πτήσης.
Καλιμπράρισμα/βαθμονόμηση ραντάρ
Η ρύθμιση/βαθμονόμηση των ραντάρ είναι το πρώτο βήμα για την ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης της ορνιθοπανίδας. Εάν τα ραντάρ δεν καλιμπράρονται, οι μελετούμενοι όγκοι δεν μπορούν να εκτιμηθούν και τα φίλτρα, που μειώνουν την ανίχνευση μικρών στόχων σε στενά όρια, δεν μπορούν να εφαρμοστούν καταλλήλως. Οι στόχοι που ανιχνεύονται εντός της δέσμης του ραντάρ ανακλούν μέρος της ενέργειας του παλμού στην κεραία του ραντάρ. Τα ραντάρ μπορούν να καλιμπραριστούν εμπειρικά, καταγράφοντας τα σήματα από συγκεκριμένες διατομές του ραντάρ σε διάφορες αποστάσεις. Μία πρακτική μέθοδος καλιμπραρίσματος γίνεται διαμέσου αποστολής συγκεκριμένων ποσοτήτων ενέργειας στην κεραία χρησιμοποιώντας μέσω ενός συστήματος παραγωγής σημάτων. Δεδομένα από μη καλιμπραρισμένο ραντάρ είναι δύσκολο να εκτιμηθούν, γιατί οι διατομές των ραντάρ είναι απαραίτητες για τον έλεγχο της διακύμανσης στην πιθανότητα ανίχνευσης για διάφορους στόχους.
Φίλτρα-STC (Sensitivity Time Control=Έλεγχος Χρόνου Ευαισθησίας)
Η ποσότητα ενέργειας παλμού που ανακλάται από ένα στόχο για συγκεκριμένη διατομή του ραντάρ αυξάνεται με μείωση της απόστασης. Η διατομή του ραντάρ αποτελεί μέτρο ανίχνευσης ενός αντικειμένου (Πηγή: https://en.wikipedia.org/wiki/Radar_cross-section). Προκειμένου να αποφευχθεί η ανίχνευση πολυάριθμων μικρών διατομών ραντάρ σε μικρό εύρος (π.χ. έντομα), τα περισσότερα συστήματα ραντάρ μειώνουν την ευαισθησία του αποδέκτη όταν μειώνεται η απόσταση. Αυτό το σκοπό εξυπηρετούν τα συστήματα Ελέγχου Χρόνου Ευαισθησίας (STC), τα οποία θέτουν ένα κατώτατο όριο ανίχνευσης το οποίο σχετίζεται με την απόσταση και όχι μόνο περιορίζουν μικρές διατομές ραντάρ που ανιχνεύονται, αλλά μειώνουν και τον όγκο μελέτης σε συγκεκριμένο ποσοστό. Σε ναυτικού τύπου ραντάρ η επίδραση των συσκευών STC δεν έχει αναλυθεί επαρκώς ή παραμένουν άγνωστες. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, οι κατασκευαστές των συσκευών θα μπορούσαν να παρέχουν σαφής οδηγίες για τη λειτουργία και επίδραση των συσκευών στα λαμβανόμενα δεδομένα μέσω κατάλληλου καλιμπραρίσματος του συστήματος.
Ταυτοποίηση σημάτων
Τα σήματα που εκπέμπουν τα ραντάρ πρέπει να ταυτοποιούνται ως πτηνά, εάν σκοπός της μελέτης είναι να ποσοτικοποιούνται οι κινήσεις των πτηνών. Τα έντομα μπορεί να οδηγήσουν σε υπερεκτίμηση του αριθμού των στόχων αναλόγως τη χρονική στιγμή, την τοποθεσία και την ευαισθησία του ραντάρ, αποτελώντας την πιο σημαντική παρεμβολή όταν στόχος είναι η ανίχνευση πτηνών. Η καλύτερη μέθοδος διαφοροποίησης μεταξύ σημάτων από πουλιά και έντομα αφορά τη διατομή του ραντάρ και τις διακυμάνσεις της διαμέσου του χρόνου ή της ταχύτητας του ανέμου. Γενικά, η διατομή του ραντάρ καθώς και οι διακυμάνσεις της είναι πολύ μικρότερες για σήματα από έντομα από ότι από πουλιά. Όσον αφορά τα πτηνά, η υπογραφή του σήματος αντανακλά τo χτύπημα των φτερών του πουλιού, ενώ στα έντομα η πολύπλοκη δομή της υπογραφής του σήματος πιθανά αποτελείται από ένα μίγμα του χτυπήματος των φτερών και άλλων κινήσεων του σώματος.
Στην παρούσα μελέτη ακολουθήθηκαν ορισμένες από τις συνήθεις εφαρμογές που περιγράφηκαν παραπάνω. Χρησιμοποιήθηκε ραντάρ τύπου pencil-beam, ενώ το καλιμπράρισμα του ραντάρ πραγματοποιήθηκε με τις συνήθεις διαδικασίες. Η λειτουργική απόσταση της συσκευής STC καθορίστηκε εμπειρικά (το όριο τέθηκε στα 3 χλμ), με σκοπό την μεγαλύτερη δυνατή απόκλιση σημάτων από έντονα, παράλληλα με τη μικρότερη δυνατή απόκλιση σημάτων από πουλιά. Στην Εικόνα 4 φαίνεται η διαφορά μεταξύ της πρωτογενούς εικόνας που δίνει το ραντάρ και της εικόνας μετά την εφαρμογή καλιμπραρισμένης συσκευής STC επιδρόντας στα σήματα άνω των 3 χλμ. Όσον αφορά την ταυτοποίηση των σημάτων που αντιστοιχούν σε πουλιά, ταυτοποιήθηκαν οπτικά κάποια σήματα, με τη χρήση τηλεσκοπίου, ως έντομα και ως πουλιά. Αυτά είχαν σαφής διαφοροποιήσεις ως προς την ταχύτητα ανέμου, το τυποποιημένο μέγεθος του σήματος και την υπογραφή αυτού (Εικόνα 5).
Ποσοτικοποίση
Προς μελέτη όγκος
Για αξιόπιστη ποσοτικοποίηση, δεν φτάνει μόνο τα σήματα να ταυτοποιηθούν, αλλά πρέπει να εκτιμηθεί και ο προς μελέτη όγκος. Στα ραντάρ, το σχήμα της δέσμης, το οποίο γεωμετρικά ομοιάζει σε όλες τις διατομές ραντάρ, περιγράφει τη μορφή του προς μελέτη όγκου αλλά το απόλυτο μέγεθός του ποικίλει ανάλογα με τη διατομή ραντάρ. Το απόλυτο μέγεθος του προς μελέτη όγκου μπορεί να υπολογιστεί με το μέγιστο εύρος ανίχνευσης ανά διατομή ραντάρ και το διάγραμμα της κεραίας.
Υπολογισμός συχνοτήτων και πυκνοτήτων
Έχοντας ταυτοποιήσει τα σήματα ως πτηνά και εκτιμήσει τον ειδικά για τα πουλιά προς μελέτη όγκο, τότε μπορούν να υπολογιστούν οι μεταναστευτικές συχνότητες και αφθονίες. Η μεταναστευτική συχνότητα μπορεί να υπολογιστεί ως μεταναστευτικός ρυθμός κίνησης, ο οποίος ορίζεται ως ο αριθμός πτηνών που περνούν μία ιδεατή γραμμή συγκεκριμένου μήκους (τυπικά 1 χλμ), κάθετη στην κατεύθυνσης κίνησης εντός μίας ώρας. Εν ολίγοις ο μεταναστευτικός ρυθμός κίνησης υπολογίζεται μετρώντας πτηνά εντός συγκεκριμένης περιοχής μελέτης για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.
Συμπερασματικά, μόνο εάν το ραντάρ είναι βαθμονομημένο/καλιμπραρισμένο, τα σήματα ταυτοποιούνται ως πτηνά και ο προς μελέτη όγκος έχει εκτιμηθεί, με τις βέλτιστες μεθόδους που παρουσιάστηκαν στην παρούσα μελέτη, τότε μπορεί να ποσοτικοποιηθεί αξιόπιστα η μετανάστευση πτηνών με τη χρήση ραντάρ. Ακόμη και με βαθμονομημένο ραντάρ, όπου τα μικρού μεγέθους σήματα, που συνήθως αντιστοιχούν σε έντομα, εξαιρούνται από συστήματα STC, τα εναπομείναντα σήματα δεν αντιστοιχούν απαραίτητα σε πτηνά, για αυτό πρέπει παράλληλα να υπολογίζονται οι αλλαγές στον εξεταζόμενο όγκο (surveyed volume).
