Σύγκριση υδρολογικών επιπτώσεων σε μονοπάτια αναψυχής με δεδομένα τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Comparing hydrologic impacts on recreational trails to remotely sensed data
Συγγραφείς: Tyler Hilyer, Ross H. Martin, Falynn Turley
1 Trail Science Institute and Department of Chemistry and Geoscience, Jacksonville State University, Ηνωμένες Πολιτείες 2 College of Business and Industry, Jacksonville State University, Ηνωμένες Πολιτείες
Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing Applications: Society and Environment, 2023.
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [[1]]
Λέξεις-κλειδιά: Δεδομένα GIS υδρολογία μονοπάτια , Τα NDVI και SAVI χρησιμοποιήθηκαν στις εικόνες του Planet Lab, Τα δεδομένα Lidar
Εισαγωγή
Τα μονοπάτια αναψυχής ενισχύουν την επαφή με το φυσικό περιβάλλον. Είναι αναμενόμενο ότι η κατάσταση των μονοπατιών αναψυχής γίνεται αισθητή από τους επισκέπτες και επηρεάζει την επισκεψιμότητα. Η ύπαρξη υδρολογικών προβλημάτων μπορεί να οδηγήσει σε κλείσιμο των μονοπατιών και να επηρεάσει τα ποσοστά επισκέψεων και συνεπώς τις τοπικές οικονομίες, που βρίσκονται κοντά σε μεγάλα Εθνικά Πάρκα στις ΗΠΑ. Η υγεία της βλάστησης, η υγεία του εδάφους και η υδρολογία λειτουργούν συνεργιστικά και αν κάποιος από αυτούς τους τρεις παράγοντες διαταραχθεί, οι άλλοι παράγοντες θα ζημιωθούν. Τα μονοπάτια ανάλογα με τον τύπο τους και τα φυσικά χαρακτηριστικά μπορεί να προκαλέσουν επιπτώσεις στην υδρολογία, επειδή συμπιέζουν το έδαφος. Η συμπίεση του εδάφους και η αδυναμία διείσδυσης του νερού στο έδαφος, έχει ως αποτέλεσμα το νερό να λιμνάζει και να ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του μονοπατιού, προκαλώντας διάβρωση και απορροή. Το νερό μπορεί να συσσωρευτεί, γεγονός που μπορεί να αλλάξει σημαντικά την υδρολογία της γύρω περιοχής, συμπεριλαμβανομένης της απορροής και της διάβρωσης. Η πυκνότητα της βλάστησης επηρεάζει την επιφανειακή απορροή, έτσι οι πυκνότερες συστάδες ανακόπτουν περισσότερο τις βροχοπτώσεις επιτρέποντας λιγότερο νερό να μετατραπεί σε επιφανειακή απορροή και τα λιγότερο πυκνά δάση, από την άλλη πλευρά, επιτρέπουν τη βροχόπτωση να φτάσει στο έδαφος με λιγότερη αντίσταση και παράγουν περισσότερη επιφανειακή απορροή. Σε αυτό το άρθρο, εξετάζεται η σχέση μεταξύ της υδραυλικής αλλαγής και της κατάστασης της βλάστησης, στην εκτίμηση της κατάστασης διάβρωσης των μονοπατιών με τη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης και GIS. Επιπλέον, στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση της χρησιμότητα της τηλεπισκόπησης στην αξιολόγηση μεταβλητών που συμβάλλουν στις επιπτώσεις των μονοπατιών και στην υδρογεωμορφική προσαρμογή. Η παρούσα έρευνα χρησιμοποιεί συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών GIS για να συγκρίνει δεδομένα τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένων δεδομένων Lidar, τους δείκτες βλάστησης (NDVI), (SAVI) με επιτόπια υδρο-γεωμορφολογικά δεδομένα και χαρακτηριστικά των μονοπατιών.
Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι το δίκτυο μονοπατιών ποδηλασίας, μήκους 17 μιλίων, στο βουνού που βρίσκεται η πρώην βάση του Στρατού στην πόλη Anniston στην κομητεία Calhoun της Αλαμπάμα, των Ηνωμένων Πολιτειών Εικ. 1. Αυτό το δίκτυο μονοπατιών θα μπορούσε να θεωρηθεί πολλαπλών χρήσεων, καθώς οι πεζοπόροι επιτρέπονται στα περισσότερα μονοπάτια. Σε όλο το δίκτυο μονοπατιών, υπάρχει πληθώρα πρώην δρόμων πρόσβασης που κάποτε οδηγούνταν από οχήματα.
Αυτή η μελέτη επιδιώκει να διερευνήσει τη σχέση μεταξύ των δεικτών βλάστησης που ανιχνεύονται από απόσταση, της τοπογραφικής ανάλυσης και των επίγειων παρατηρήσεων υδρογεωμορφικής προσαρμογής. Για την επίτευξη των παραπάνω χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) που συλλέχθηκαν από το εδάφους με τεχνικές τηλεπισκόπησης για να αναλυθούν οι υδρολογικές επιπτώσεις στο δίκτυο μονοπατιών του βουνού McClellan. Συλλέχθηκαν δεδομένα πεδίου με τη συσκευή GPS Trimble. Τα σημεία ονομάστηκαν "σημεία εναπόθεσης" και απεικόνιζαν τα σημεία όπου το νερό, τα ιζήματα, τα βότσαλα, οι μικροί βράχοι ή/και η φυτική ύλη συσσωρεύονταν μέσα ή στην άκρη του μονοπατιού λόγω της ροής του νερού.
Τα δεδομένα συλλέχθηκαν σε δύο φάσεις. Στην 1η φάση, κάθε τοποθεσία με ενδείξεις κίνησης νερού (μέσω ιζημάτων) τεκμηριώθηκε και δόθηκαν ταξινομημένες τιμές έντασης, στο βορειότερο τμήμα της περιοχής μελέτης. Στη 2η φάση δεδομένα συλλέχθηκαν σε θέσεις υψηλότερης έντασης, στην υπόλοιπη περιοχή. Για τον προσδιορισμό της έντασης ενός σημείου εναπόθεσης λήφθηκαν υπόψη παράγοντες όπως, το μήκος της διαδρομής, το πόσο ίζημα αποτέθηκε από την πλευρά του μονοπατιού και το επίπεδο διάβρωσης της επιφάνειας του μονοπατιού. Για την τηλεπισκοπήση αποκτήθηκαν δύο εικόνες μία το 2018 (πριν από την κατασκευή των μονοπατιών) και το 2022 (χρόνος ανάλυσης). Το ArcGIS Pro χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του συνόλου δεδομένων για τους δείκτες NDVI και SAVI για κάθε εικόνα (ESRI, 2022b.). Και στους δύο δείκτες, η διαφορά των εικόνων υπολογίστηκαν μεταξύ των δύο χρονικών περιόδων για να προσδιοριστεί ποιες περιοχές είχαν παρουσιάσει αύξηση ή μείωση στην κατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης διαφοράς βλάστησης (NDVI) χρησιμοποιείται ευρέως, ως μέτρο της κάτάστασης της βλάστησης και είναι χρήσιμος στη δημιουργία χρονοσειρών για την τεκμηρίωση τόσο των θετικών όσο και των αρνητικών αλλαγών στην υγεία της βλάστησης. Τα δεδομένα Lidar, που συλλέγονται ως ένα «σημείο σύννεφο» μεμονωμένων σημείων που αντανακλώνται από οτιδήποτε στην επιφάνεια, συμπεριλαμβανομένων των δομών και της βλάστησης, λήφθηκαν από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών, την περίοδο Δεκέμβριος 2020 - Ιανουάριος 2021. Στη συνέχεια, τα δεδομένα lidar τροφοδοτήθηκαν στο ArcGIS Pro. Τα αρχεία αυτά χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για τη δημιουργία στρωμάτων ράστερ. Για το ράστερ καμπυλότητας, σύμφωνα με την ESRI, «Η θετική καμπυλότητα υποδηλώνει ότι η επιφάνεια είναι κυρτή προς τα πάνω σε αυτό το κελί. Η αρνητική καμπυλότητα υποδηλώνει ότι η επιφάνεια είναι κοίλη προς τα πάνω σε αυτό το κελί. Η τιμή 0 υποδηλώνει ότι η επιφάνεια είναι επίπεδη (ESRI, 2022a.). Οι μοίρες χρησιμοποιήθηκαν ως αριθμητική μορφή κλίσης. Ένα ράστερ κατεύθυνσης ροής απεικονίζει την κατεύθυνση προς την οποία ρέει το επιφανειακό νερό και ένα ράστερ συσσώρευσης ροής δείχνει πού συσσωρεύεται το νερό όπως υπολογίζεται από το στρώμα ράστερ κατεύθυνσης ροής.
- Για την αξιολόγηση της ποιότητας νερού χρησιμοποιήθηκαν δείγματα νερού για την ανάλυση των βασικών στατιστικών στοιχείων. Η αξιολόγηση βασίστηκε σε οπτική ερμηνεία και τυπικές ποσοτικές προσεγγίσεις όπως το R2. - Για την πρόβλεψη ποιότητας νερού χρησιμοποιήθηκε ο ελάχιστος απόλυτος τελεστής συρρίκνωσης και επιλογής (LASSO). Η παλινδρόμηση LASSO είναι λειτουργική για τη μοντελοποίηση δεδομένων με υψηλά επίπεδα πολυσυγγραμμικότητας. Η παλινδρόμηση LASSO χρησιμοποιήθηκε επίσης για την επιλογή των καλύτερων χαρακτηριστικών (k) που περιλαμβάνονται στα μοντέλα παλινδρόμησης για την πρόβλεψη της ποιότητας του νερού στον Τίγρη. Οι πιο σημαντικές παράμετροι για την πρόβλεψη της ποιότητας του νερού επιλέχθηκαν με αλγόριθμο - Τα μοντέλα πρόβλεψης ποιότητας νερού αξιολογήθηκαν ποσοτικά με βάση το ριζικό μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE) και το R2. Το RMSE χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της μέσης απόδοσης του μοντέλου, ενώ το R2 χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της συσχέτισης μεταξύ των προβλεπόμενων και των παρατηρούμενων μετρήσεων.
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Η αρχική ανάλυση έδωσε ποικίλα αποτελέσματα ανάλογα με την προσθήκη ή την εξαίρεση των ρυθμιστικών διαλυμάτων (Εικ. 3). Οι γραφικές απεικονίσεις δίνουν με απλό τρόπο τις αξιολογήσεις των τάσεων και των σχέσεων. Αναζητήθηκαν τάσεις και μοτίβα για τη διακύμανση, τις αυξήσεις ή/και τις μειώσεις στα μέσα και τα εύρη των πεδίων. Τα μοτίβα ή οι τάσεις υποδηλώνουν τη συσχέτιση μεταξύ των μεταβλητών που δοκιμάστηκαν.
Από τη σύγκριση των εικόνων του 2018 και του 2022 που υπολογίστηκαν με NDVI και SAVI, τα ράστερ στα σημεία εναπόθεσης έδειξαν υψηλή σχέση ανάμεσα στις υδρολογικές επιπτώσεις και στη μείωση της βλάστησης. Για τη συσσώρευση ροής, τόσο τα σημεία εναπόθεσης όσο και κατά μήκος του μονοπατιού διαπιστώθηκε ότι υπάρχει συσχέτιση με την ένταση της υδρολογικής πρόσκρουσης. Για την καμπυλότητα, διαπιστώθηκε ότι υπάρχει συσχέτιση ανάλογα με την τιμή καμπυλότητας, υποδεικνύοντας πιθανώς μια συσχέτιση μεταξύ υψηλότερης έντασης και προς τα άνω κοίλου εδάφους. Οι μέθοδοι και τα αποτελέσματα από αυτή τη μελέτη υποδηλώνουν ότι η συσσώρευση και η καμπυλότητα ροής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό και την παρακολούθηση των μονοπατιών για την αποφυγή υψηλών ρυθμών διάβρωσης και εναπόθεσης ιζημάτων σε μονοπάτια. Η χρήση ενός μοντέλου συσσώρευσης ροής με δεδομένα lidar φαίνεται να είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για τον εντοπισμό του σημείου που ρέει νερό κατά μήκος ενός μονοπατιού και με ποια ένταση. Η διαχείριση της ροής του νερού στα μονοπάτια είναι ένα βασικό σημείο για τη συντήρησή τους. Ο τύπος της ανάλυσης που παρουσιάζεται εδώ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει πού θα πρέπει να καταβληθεί μεγαλύτερη προσπάθεια για την κατασκευή χαρακτηριστικών απόρριψης νερού κατά μήκος των μονοπατιών. Η καμπυλότητα του εδάφους είναι μια μεταβλητή που έδειξε μια ισχυρή σχέση, καθώς τόσο τα σημεία εναπόθεσης όσο και οι διαδρομές μεταφοράς με και χωρίς πρόσκρουση έδειξαν υψηλότερη ένταση με κοίλες προς τα πάνω επιφάνειες. Αυτό ήταν ένα εκπληκτικό και απροσδόκητο αποτέλεσμα. Το ανοδικά κοίλο έδαφος μιμείται μια εκθετική καμπύλη όπου είναι πιο επίπεδη στο κάτω μέρος και πιο απότομο ψηλότερα στους λόφους. Οι απότομες πλαγιές που είναι υψηλότερες στην πλαγιά του λόφου διευκολύνουν την κίνηση των σωματιδίων και του νερού προς τα κάτω. Καθώς το φορτωμένο με ιζήματα νερό φτάνει στις πιο επίπεδες πλαγιές κατά μήκος του πυθμένα του λόφου, η ικανότητα μεταφοράς της ροής μειώνεται και το ίζημα εναποτίθεται. Η αντίθετη συνθήκη θα ήταν οι κυρτές πλαγιές προς τα πάνω, όπου οι κορυφές των λόφων παρουσιάζουν χαμηλότερες κλίσεις που δεν θα διευκόλυναν την κίνηση των ιζημάτων και του νερού με τον ίδιο τρόπο. Οι δείκτες βλάστησης NDVI και SAVI είναι αποτελεσματικοί για τον συσχετισμό της υγείας της βλάστησης και της υδρολογίας σε μονοπάτια όταν υπάρχει διαφορά και όταν αφαιρείται μια σημερινή εικόνα από μια εικόνα που λήφθηκε πριν από την κατασκευή των μονοπατιών. Οι δείκτες NDVI και SAVI από ένα μόνο χρονικό σημείο δεν έδειξαν σχέσεις με τις επιπτώσεις των μονοπατιών. Η απόκτηση δεδομένων lidar σε υψηλότερη χωρική και χρονική ανάλυση μπορεί επίσης να βοηθήσει στον προσδιορισμό των επιπτώσεων που είχαν τα μονοπάτια κατά τη διάρκεια μιας περιόδου, καθώς μια χρονοσειρά ψηφιακών μοντέλων υψομέτρου μπορεί να αποκαλύψει πώς αλλάζει το έδαφος στο σύστημα μονοπατιών. Συνολικά, τα δεδομένα τηλεπισκόπησης είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για την εκτίμηση των υδρολογικών ζητημάτων στα ορεινά μονοπάτια. Οι καλύτερες σχέσεις εμφανίστηκαν μεταξύ της καμπυλότητας, της συσσώρευσης ροής και των διαφορών εικόνας των NDVI και SAVI. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η υγεία της βλάστησης και η γεωμορφολογία έχουν αντίκτυπο στην υδρολογία και ότι τα μονοπάτια μπορεί να υποβαθμίσουν τη βλάστηση και να δημιουργήσουν υδρολογικά προβλήματα, ο συνδυασμός δεδομένων εδάφους που προέρχονται από το Lidar και NDVI θα μπορούσε να αναδειχθεί ως αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των μονοπατιών.
