Πρότυπο χωρικής ανάλυσης για την παρακολούθηση προστατευόμενων περιοχών

Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπο χωρικής ανάλυσης για την παρακολούθηση προστατευόμενων περιοχών

Συγγραφείς

Philip A. Townsend a,⁎, Todd R. Lookingbill b, Clayton C. Kingdon a, Robert H. Gardner b

a University of Wisconsin, Department of Forest and Wildlife Ecology, 1630 Linden Drive, Madison, WI 53706, United States b University of Maryland Center for Environmental Science, Appalachian Laboratory, 301 Braddock Road, Frostburg, MD 21532, United States

journal homepage: www.elsevier.com/locate/rse

Αντικείμενο εφαρμογής & Περιοχή Μελέτης

Παράγοντες εφαρμογής για την παρακολούθηση του τοπίου είναι τέσσερα μικρά εθνικά πάρκα στην περιοχή της Washington, DC: Antietam Εθνική Battlefield, Catoctin Mountain Park, Prince William Forest Park και Rock Creek Park. Χρησιμοποιώντας 4 m Ikonos, 10 m SPOT, 15 m pan-sharpened Landsat ETM + και 30 μ. Landsat ETM + εικόνες, τα πάρκα και οι γύρω περιοχές χαρτογραφήθηκαν από το Εθνικό Σύστημα Τάξεων Κάλυψης Γης .

Εικ. 1:Περιοχή Μελέτης

Στόχος

Στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η επίλυση ειδικών προβλημάτων που σχετίζονται με το Πρότυπο χωρικής ανάλυσης για την παρακολούθηση προστατευόμενων περιοχών, των οποίων οι χωρικές μετρήσεις προέρχονται από την κατηγοριοποίηση των χαρτών που παράγονται από απομακρυσμένα δεδομένα τηλεπισκόπησης. Επιπλέον , είναι σημαντική η μέτρηση των αγρωστωδών της περιοχής μέτρησης και η έκταση για την παρακολούθηση του κατακερματισμού του τοπίου. Η συγκεκριμένη έρευνα , επίσης,θα καταδείξει τα πρακτικά ζητήματα που σχετίζονται με τη χρήση των δεδομένων των διαφορετικών χωρικών πηγών καθώς και τα διαφορετικά φασματικά και ραδιομετρικά χαρακτηριστικά (δηλαδή IKONOS, Landsat ETM + και SPOT). Τέλος, θα ασχοληθεί με ζητήματα που σχετίζονται με τα διαφορετικά επίπεδα έκτασης του τοπίου.

Συλλογή & Ανάλυση Δεδομένων

Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση των βασικών βιολογικών πόρων εντός των προστατευόμενων περιοχών είναι κεντρικής σημασίας για τη διατήρηση της βιοτικής ακεραιότητας και της ιστορικής και κοινωνικής αξίας αυτών των περιοχών. Η παρακολούθηση απαιτεί την περιοδική απόκτηση δεδομένων με καλά τεκμηριωμένες και επαναλήψιμες μεθόδους για τη δημιουργία συνεπών και συγκρίσιμων εκτιμήσεων. Αλλαγές στα χωρικά πρότυπα της κάλυψης γης τόσο εντός όσο και στα παρακείμενα εθνικά πάρκα μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό βιολογικές και φυσικές διεργασίες εντός των πάρκων. Συγκεκριμένα, τα πρότυπα του τοπίο που σχετίζονται με διαταραχή, ο κατακερματισμός, οι προσκρουστήρες, την αλλαγή κάλυψης της γης, έχει αποδειχθεί ότι επηρεάζουν την αφθονία των σπάνιων και απειλούμενων με εξαφάνιση ειδών, τα επίπεδα της βιοποικιλότητας, το δυναμικό της εισβολής από εξωτικά φυτά, το ενδιαίτημα για τα πτηνά, τα αμφίβια και τα άλλα ζώα, η ποιότητα των υδάτων, και η ροή των ενδιαιτημάτων για τα ψάρια και άλλους υδρόβιους οργανισμούς. Σε αντίθεση με τα στοιχεία της έρευνας, η εναέρια και δορυφορική φωτογράφιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρακολουθεί την έκταση στο χώρο των μεταβολών της κάλυψης της γης (δηλαδή, την μετατροπή) ή την κατάσταση της γης. Τηλεπισκοπικές εικόνες προσφέρουν συνεχόμενη χωρική κάλυψη, διευκολύνοντας την προβολή των μετρήσεων των σημείων σε όλα τα τοπία, και παρέχουν ένα χωροταξικό πλαίσιο για την παρακολούθηση, το οποίο συμπληρώνει και να επεκτείνει τη χρησιμότητα των ερευνών στο κάθε σημείο. Χωρικά μοντέλα που παράγονται από την απώλεια και τον κατακερματισμό του φυσικού περιβάλλοντος μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την αειφορία και τη βιωσιμότητα των διαφορετικών ζώντων οργανισμών.

Έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές πληροφοριακές μελέτες σχετικά με το χάσμα διέλευσης ικανότητας των συγκεκριμένων οργανισμών (π.χ., πουλιά, νυχτερίδες, αρκούδες) για τον καθορισμό Dcrit αξίας για την αξιολόγηση της συνδεσιμότητας. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την παρακολούθηση των προγραμμάτων που έχουν ως στόχο να παρέχουν μια γενική αξιολόγηση της κατάστασης του τοπίου και όχι την ανάλυση όλων των επιμέρους ειδών. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό των ειδών που είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις αλλαγές του τοπίου, δεδομένης της τρέχουσας διαμόρφωσης του οικοτόπου. Εκτός από την παροχή βασικών πληροφοριών σχετικά με τη συνδεσιμότητα του τοπίου, οι τιμές Dcrit μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στον εντοπισμό μεμονωμένων περιοχών γης ,οικοτόπων υψηλής προτεραιότητας για την παρακολούθηση και τη διαχείριση τους.

Τα ακόλουθα στατιστικά στοιχεία των δύο συγκεκριμένων εκτάσεων γης σε επίπεδο θεωρούνται:

• Τοπίο traversability: αντιπροσωπεύει κρίσιμα σημεία για δυναμικό κίνησης μεγάλων αποστάσεων. Αυτά θα είναι περιοχές «μπαλώματα» που αν χαθούν, προκληθούν βλάβες ή υπάρξη τροποποίηση θα μειώσουν σημαντικά το ποσό των συνδεδεμένων χώρων στο γράφημα (δηλαδή, traversability του τοπίου).

• Ο διασκορπισμός ροής: αντιπροσωπεύει το δυναμικό κυκλοφορίας των προσώπων μακριά από τα περιγεννητικά «μπαλώματα» (δηλαδή η ικανότητα ενός τμήματος γης να λειτουργεί ως τοπική πηγή ενός πλαισίου μεταπληθυσμικότητας)

Υπάρχει μια ποικιλία προσεγγίσεων για να καθορίσουν την έκταση ενόςχάρτη. Ορισμένοι θεωρούν ότιμόνο τα διοικητικά όρια της διαχειριζόμενης περιοχής, ή τα όρια προσθέτουν κάποια αυθαίρετα buffer(ουδέτερες ζώνες): για άλλους η έκταση του χάρτη υπαγορεύεται μόνο από την έκταση στο χώρο της εικόνας. Αναγνωρίζεται γενικά ότι η μονάδα της μελέτης για την παρακολούθηση τωνπάρκων θα πρέπει να περιλαμβάνεται σε μεγαλύτερο χώρο, αλλά η οριοθέτηση της περιοχής δεν θα πρέπει να είναι αυθαίρετη.

Εικ. 2:. Παράδειγμα διαφορετικό μεγέθους χάρτη για το Antietam Εθνικό Battlefield χρησιμοποιώντας χάρτη που προέρχεται από SPOT. Ο δασικός οικότοπος είναι πράσινο, με σκούρα πράσινα patches είναι δάσος που τέμνονται με το πάρκο ή 5 × buffer του, και με ανοιχτό πράσινο του οικοτόπου των δασών δεν έμνονται με το × 5 όριο του πάρκο. Αποχρώσεις του γκρι είναι μη ενδιαίτημα. Όριο πάρκο (μαύρο) και 5 × buffer πάρκου (λευκό)

Ωστόσο, η προσέγγιση IHP είναι χρήσιμη για τοπία με πολύ μεγάλο βαθμό μεικτής κάλυψης της γης ή εκτεταμένο κατακερματισμό και αντικατοπτρίζει την πραγματικότητα ότι τα είδη που διακινούνται εντός συγκεκριμένων στενών περιοχών σπάνια «σέβονται» τα όρια που δεν οριοθετουνται από φράχτες, δρόμους ή άλλα πιθανά εμπόδια. Για παράδειγμα, η σημασία του μεγέθους του χάρτη είναι κρίσιμη για το Antietam, όπου το 5 × buffer προσθέτει μια εκτεταμένη περιοχή δάσους στην ανάλυση, και η IHP συνδέει το τοπίο τουAntietam σε μια πολύ μεγαλύτερη δασωμένη περιοχή κατά μήκος μιας κοντινής κορυφογραμμής (εικόνα 2).

Οι μεμονωμένες εικόνες Ikonos δεν είχαν την απαιτούμενη χωρική έκταση για την κάλυψη των ορίων των ουδέτερων χωνών, και έτσι χρησιμοποιήθηκαν μόνο για τις συγκρίσεις μεταξύ αναλύσεων για την έκταση ορίων του πάρκου. Επειδή τα Landsat 15 μ. αποτελέσματα ήταν ενδιάμεσα από αυτά του SPOT 10 m και του Landsat 30 m , η έρευνά μας επικεντρώνεται στην έκταση του χάρτη των 10 m και των 30 m αποτελεσμάτων ανάλυσης.

Αποτελέσμα & Αξιολόγηση

Για τη συγκεκριμένη ανάλυση,επικεντρωθήκαμε σε σχέδια χαρτογράφησης των ενδιαιτημάτων των δασικών οικοτόπων και μη. (Εικ. 3)

Εικ. 3:Δάσος ενδιαιτημάτων και μη ενδιαιτημάτων για το × 5 buffer για όλα τα πάρκα: (a) Antietam (b) Prince William (c) Catoctin Και (d) Rock Creek

Για όλα τα δεδομένα των εικόνων και τα τέσσερα πάρκα, δάση και μη – δάση χαρτογραφήθηκαν με ένα υψηλό επίπεδο ακρίβειας . Αυτό το επίπεδο ακρίβειας δείχνει ότι οι ημερομηνίες των επιλεγμένων εικόνων παρείχαν επαρκείς εικόνες. Είναι αξιοσημείωτο ότι η υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης επιτεύχθηκε για τις εικόνες Ikonos, προφανώς λόγω σφαλμάτων που ελαχιστοποιήθηκαν εξαιτίας των μικτών εικονοστοιχείων. Οι Landsat 15-meter pan-sharpened εικόνες γενικά είχαν χαμηλότερα επίπεδα ακρίβειας , πιθανόν λόγω του θορύβου που εισήχθη στα Landsat δεδομένα από την ένταξη των 15 και 30 στοιχείων του μετρητή. Στην πραγματικότητα, αν και τα συνολικά επίπεδα ακρίβειας μεταξύ των αισθητήρων είναι παρόμοια, η μορφή των λάθων μπορεί να είναι εντελώς διαφορετική όπως φαίνεται από τη σύγκριση του χάρτη του Ikonos 4 m με το χάρτη Landsat 30 m (Σχήμα 4).

Εικ. 4:Οι διαφορές στις εικόνες που προκύπτουν και των χαρτών των οικοτόπων των μη ενδιαιτημάτων για τη δημιουργία ενός χώρου Prince William Forest Park: (a) Παρουσίαση Ikonos (b) Landsat ETM + χάρτη (c) εικόνας Ikonos Και(d) εικόνας Landsat

Μεμονωμένα δένδρα στους τομείς που έχουν αντιστοιχιστεί στα δάση με Ikonos δεν μπορούν να χαρτογραφηθούν ως δάσος με Landsat, ενώ ένα δάσος που αντιστοιχίζεται σε Landsat εικόνες μπορεί να περιλαμβάνει μίγματα δασικών και των μη δάσικών (δηλαδή, κενά) εικονοστοιχείων σε Ikonos. Χαρτογράφηση του μεγαλύτερου αριθμού των κατηγοριών μπορεί να έχει διαφορές απόδοσης ακρίβειας.

Οι διαφορές μεταξύ των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση των δασικών ενδιαιτημάτων είναι πιο εμφανής σε μια σύγκριση των πιο απλών μετρητικών τοπίων, NP και P, του αριθμού των μικρών εκτάσεων και των αναλογιών του τοπίου χαρτογραφημένων ως οικοτόπους.

-P: protected (habitat)

-NP: non protected (non habitat) Η συνολική σύνδεση του τοπίου είναι μια λειτουργία των δύο Dcrit και P. Για τις μεγάλες P, είναι πολύ μικρή η ικανότητα απόστασης-διασταύρωσης (δηλαδή χαμηλή Dcrit) για να συνδέσετε το μεγάλο ποσό του οικοτόπου για το τοπίο. Το Catoctin και το Prince William παρέχουν παραδείγματα από αυτά τα καλά συνδεδεμένο τοπία Για αυτά τα δύο πάρκα, η Dcrit ήταν αμελητέα (μόλις 2 με 3 pixels σε απόσταση) Σε γενικές γραμμές, οι αλλαγές στο μέγεθος κόκκου είχαν μεγάλη επίδραση στην εκχώρηση αποστάσεων ορίων Dcrit , αλλά είχαν μικρότερη επίπτωση σχετικά με την ταυτοποίηση των συγκεκριμένων περιοχών υψηλής αξίας για τη διατήρηση (Σχήμα. 5A και Β).

Εικ. 5:Διάγραμμα εξόδου ανάλυσης για το Antietam Εθνικό Battlefield: (a) χωρίς buffer, χάρτης SPOT (b) χωρίς buffer, Landsat χάρτης (c) 5 × buffer, SPOT χάρτης (d) buffer IHP, SPOT χάρτης. Με πράσινη σκίαση φαίνονται διάφορα patches δάσους. Γραμμές αντιπροσωπεύουν το δυναμικό των συνδέσεων μεταξύ των patches. Οι μπλε περιοχές είναι δυνητικά pinchpoints. Κόκκινες κηλίδες είναι οι εν δυνάμει πηγές οικοτόπων.

Αυξάνοντας την ελάχιστη απαίτούμενη περιοχή από 1 pixel σε 1 εκτάριο γενικά, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του Dcrit. Ωστόσο, η αλλαγή στο μέγεθος του χάρτη συχνά έχει ως αποτέλεσμα την αναγνώριση των διαφόρετικών ειδικών περιοχών ως αυτών που είναιείναι πιο σημαντικοί για τη σύνδεσιμότητα του τοπίου. Για παράδειγμα, στο Antietam ένα ζευγάρι μικρών τέτοιων περιοχών στα βορειοανατολικά του πάρκου προσδιορίζονται ως πιθανοί «pinchpoints» που ρύθμιζουν τη συνδεσιμότητα στο πάρκο (Σχήμα. 5A). Όταν η ανάλυση επεκτάθηκε ώστε να συμπεριλάβει τις περιφέρειες εκτός των διοικητικών ορίων, μια ενδεχομένως εντονότερη οδός προσδιορίστηκε για τη σύνδεση των δύο μεγάλων δασικών εκτάσεων κατά μήκος του Antietam Creek στα ανατολικά και κατά μήκος του ποταμού Πότομακ μόλις στα βορειοδυτικά του πάρκου (Σχήμα. 5C). Στο μέγεθος του χάρτη IHP, αυτά τα δύο παρόχθια δάση είχαν αποδειχθεί ότι ήταν μέρος της μιας συνεχόμενης τέτοιας ειδική περιοχής.(Σχήμα.5D).

Παρά το γεγονός ότι σήμερα αναπτύσσουμε μεθόδους για την ελαχιστοποιηση των λαθών κατά την κλιμάκωση μεταξύ των αναλύσεων από διαφορετικές πηγές εικόνας , είναι σαφές ότι η πρακτική πτυχή της ανάλυσης των προτύπων θα πρέπει να κυριαρχείται από αποφάσεις σχετικά με τον έλγχο των τοπίων με τη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων και ο συνδυασμός των διαφορετικών αναλύσεων των πηγών δεδομένων των διαφορετικών ή η της έκτασης θα πρέπει να χρησιμοποιούνται με μεγάλη προσοχή.