Τηλεπισκόπηση βιοποικιλότητας της επίγειας βλάστησης

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing of terrestrial plant biodiversity

Συγγραφείς: Ran Wang, John A. Gamon

Πηγή: Remote Sensing of Environment, 2019, Issue 231 [1]

Αντικείμενο

Στην παρούσα εργασία αναλύεται η χρήση της τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση της βιοποικιλότητας μέσα στον χρόνο, παρουσιάζοντας τα θετικά και τα αρνητικά κάθε μεθόδου, επεξηγούνται επιτυχίες και μεγάλα κενά της τηλεπισκόπησης της βιποποικιλότητας και αναγνωρίζονται οι μελλοντικές κατευθύνσεις με προοπτική επιτυχίας. Επίσης, οι συγγραφείς επικεντρώνονται σε αναδυόμενες μεθόδους με τη χρήση φασματικής ποικιλότητας ως πληρεξούσιο της ποικιλίας της επίγειας βλάστησης, ενώ αναλύονται τα κενά στην χρήση της τηλεπισκόπησης σήμερα και πως η φασματική ποικιλότητα μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα παγκόσμιο σύστημα παρακολούθησης της βιοποικιλότητας.

Ιστορία τηλεπισκόπησης βιοποικιλότητας

Οι έρευνες που αφορούσαν την χρήση της τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση της βιοποικιλότητας ήταν ελάχιστες μέχρι την αρχή του 21ου αιώνα, η σημαντικότερη αύξηση τους σημειώθηκε έκτοτε και συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Οι πρώτες εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στην εκτίμηση της βιοποικιλότητας κυρίως εστίαζαν στην χαρτογράφηση τοπίων και βιότοπων μέσω της ταξινόμησης εδάφους, κυρίως μέσω της χρήσης οπτικών προϊόντων τηλεπισκόπησης και χωρίς να παρέχουν λεπτομερή επαλήθευση της σχέσης ποικιλίας βιοτόπων και βιοποικιλότητας. Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα περιορίζονταν από μια μικρή οικολογική κατανόηση των επιπτώσεων της βιοποικιλότητας στην λειτουργία του οικοσυστήματος, ανεπαρκείς τεχνικές επεξεργασίας εικόνων και έλλειψη κατανόησης για την ερμηνεία οικολογικών πληροφοριών που περιέχονται στα προϊόντα της τηλεπισκόπησης. Τα συστήματα φασματοσκοπίας εικόνων και εντοπισμού φωτός και έκτασης ( LiDAR ) εμπλούτισαν σημαντικά την διαστατικότητα των δεδομένων μέσω τηλεπισκόπησης. Επιπροσθέτως, η τιμή και η διαθεσιμότητα της συγκεκριμένης τεχνολογίας βελτιώθηκε αισθητά.

Κατηγορίες τηλεπισκόπησης

Οι μελέτες που αφορούν την ποικιλότητα μέσω της τηλεπισκόπησης χωρίζονται σε 4 κατηγορίες και παρουσιάζονται παρακάτω:

Εκτίμηση βιοποικιλότητας έμμεσα με χαρτογράφηση βιότοπων

Η ανομοιογένεια των βιότοπων χαρακτηρίζεται ως ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που ορίζει τον πλούτο των ειδών, έχοντας μια άμεσα συνδεόμενη σχέση με την βιοποικιλότητα, καθώς οι βιότοποι με μεγαλύτερη ανομοιογένεια είναι πιο ικανοί να παρέχουν περισσότερο ‘’ χώρο ‘’ για την συνύπαρξη και διαποικίληση των ειδών. Για τον υπολογισμό της βιοποικιλότητας μέσω της χαρτογράφησης βιότοπων χρησιμοποιούνται συχνά δείκτες της τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση περιβαλλοντικών παραμέτρων που σχετίζονται με την γεωποικιλότητα, την γεωγραφία και τοπογραφία και είτε σχετίζει την ανομοιογένεια των βιότοπων με την βιοποικιλότητα είτε σχετίζει την πληροφορία με χωρικά ή τοπικά μοντέλα για την εκτίμηση της βιοποικιλότητας. Η ακρίβεια της εκτίμησης της βιοποικιλότητας με την χαρτογράφηση βιοτόπων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα χαρακτηριστικά των ειδών που εμπλέκονται σε αυτή.

Χαρτογράφηση διανομής των ειδών

Η χαρτογράφηση ειδών απαιτεί ακριβείς φασματικές και χωρικές λεπτομέρειες και τα περισσότερα δορυφορικά δεδομένα είναι πολύ τραχιά φασματικώς και χωρικώς για άμεση χαρτογράφηση. Αυτή η προσέγγιση ωφελήθηκε σημαντικά από την διαθεσιμότητα εναέριων υπερφασματικών και LiDAR δεδομένων που μπορούν να παρέχουν σε προϊόντα υψηλής χωρικής ανάλυσης λεπτομερείς φασματικές και δομικές πληροφορίες σε τοπικές ή περιφερειακές κλίμακες, έχοντας χρησιμοποιηθεί κυρίως για βλάστηση μεγάλου μεγέθους ( πχ. δέντρα ), που μπορεί να επιλυθεί με το τυπικό μέγεθος εικονοστοιχείου των εναερίων οργάνων τηλεπισκόπησης. Παρόλο που είναι τυπικά απίθανο να γίνει διαχωρισμός κάθε είδους με την χρήση τηλεπισκόπησης, είναι συχνά εφικτό να γίνει διαφοροποίηση των κυρίαρχων ειδών μέσω φασματικών διαφορών.

Υπολογισμός της λειτουργικής ποικιλότητας μέσω των λειτουργικών χαρακτηριστικών των φυτών

Τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού παρουσιάζουν την αλληλεπίδραση μεταξύ του γονιδιώματός του, του εναλλασόμενου περιβάλλοντος και τυχαίων γεγονότων. Πολλά χαρακτηριστικά των φυτών επηρεάζουν την απορροφητικότητα και διασκόρπιση του φωτός και συνεπώς, προκαλούν παραλλαγή στις οπτικές ιδιότητες του φυτού και μπορούν να εντοπιστούν μέσω της τηλεπισκόπησης. Ένα πλεονέκτημα της χαρτογράφησης των χαρακτηριστικών των φυτών είναι ότι εστιάζει στην σύλληψη του εύρους και της ποικιλίας των χαρακτηριστικών που μπορούν να συσχετιστούν με την ποικιλότητα των λειτουργιών των ειδών, χωρίς να είναι απαραίτητη η ταυτοποίηση κάθε είδους. Στατιστικές μέθοδοι, όπως η μέθοδος ελαχίστων τετραγώνων, παραχωρούν φάσματα συντελεστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν ως πληρεξούσια, συνδυάζοντας βιοχημικά και δομικά χαρακτηριστικά για να υποδείξουν την ποικιλότητα της λειτουργικότητας των φυτών. Υψηλή μεταβλητότητα στα χαρακτηριστικά των φυτών, που μπορεί να οφείλονται σε διαφορά στις συνθήκες εδάφους, μικροκλίματος, υδρολογίας, τοπογραφίας, μπορεί να συστήσουν αβεβαιότητες στον υπολογισμό της ενεργής ποικιλότητας.

Εκτίμηση ποικιλότητας απευθείας μέσω φασματικής ποικιλότητας

Η υπόθεση φασματικής παραλλαγής ( SVH ) συσχετίζει την φασματική ανομοιογένεια ή μεταβλητότητα με την περιβαλλοντική ανομοιογένεια, παρέχοντας ένα πληρεξούσιο ποικιλότητας των ειδών. Η φασματική ποικιλότητα υποδεικνύει μεταβλητότητα στα φασματικά πρότυπα που εντοπίζονται μέσω τηλεπισκόπησης. Η υπόθεση φασματικής ποικιλότητας συνδέει την θεωρία των οικολογικών πόρων με θεμελιώδεις αρχές της φυσικής για να παράσχει μια γρήγορη και εύστοχη προσέγγιση για την μέτρηση της βιοποικιλότητας μέσω οπτικών προτύπων. Αντί για την χαρτογράφηση ειδών αφ’ εαυτού, η φασματική ποικιλότητα τυπικά εντοπίζει φασματικά πρότυπα που σχετίζονται με λειτουργικές και δομικές ιδιότητες, που ποικίλουν ανά είδος ή λειτουργική ομάδα. Ο υποκείμενος λόγος είναι ότι οι φυλογενετικές διαφορές και οι περιορισμοί των πόρων ( π.χ. φως, νερό, θρεπτικές ουσίες ) επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών και τα χαρακτηριστικά των φύλλων, την δομή του θόλου και την φαινολογία.

Κλίμακες στην τηλεπισκόπηση της βιοποικιλότητας

Χωρική κλίμακα

Για τον τομέα της οικολογίας, η έννοια της χωρικής κλίμακας ορίζεται από το μέγεθος των σιτηρών και την χωρική έκταση, στην οποία μια ποικιλία οικολογικών διεργασιών συμβαίνει σε ένα συγκεκριμένο κομμάτι γης. Για τον τομέα της τηλεπισκόπησης, η έννοια της χωρικής κλίμακας αναφέρεται στην ανάλυση ( μέγεθος εικονοστοιχείου, καθορισμένο από την τεχνολογία αισθητήρων, πλατφόρμα δειγματοληψίας και χαρακτηριστικά πτήσης ) και μέγεθος ( η συνολική περιοχή που μετρήθηκε ). Αύξηση του μεγέθους μέτρησης των σιτηρών οδηγεί σε αλλαγή του επιπέδου της παρατήρησης, περιλαμβάνοντας περισσότερα αντικείμενα, μειώνοντας την ακρίβεια του διαχωρισμού της βλάστησης, όταν το μέγεθος του εικονοστοιχείου είναι μεγαλύτερο από το μέγεθος του στόχου και οδηγεί σε απώλεια πληροφορίας, εφαρμόζοντας χωρική εξομάλυνση στα δεδομένα. Προσφάτως, η φασματοσκοπία στην χρήση εικόνων εφαρμόστηκε για τον έλεγχο της εξάρτησης της χωρικής κλίμακας από την σχέση φασματικής ποικιλότητας και βιοποικιλότητας, σε πειραματικά οικόπεδα με χόρτο, σε ένα εύρος λεπτών κλιμάκων ( 1 τετραγωνικό χιλιοστό έναντι πολλών τετραγωνικών μέτρων ). Σε αυτές τις μελέτες, η οπτική ανιχνευσιμότητα της τοπικής βιοποικιλότητας απορρίφθηκε με μειωμένη χωρική ανάλυση και το άριστο μέγεθος εικονοστοιχείου για διακριτική ποικιλότητα τύπου άλφα, προσεγγίζει μια χωρική κλίμακα όμοια με το μέγεθος ενός φύλλου φυτού. Η μεγάλη έκταση που αιχμαλωτίζεται με την εναέρια δειγματοληψία, εισήγαγε υψηλότερου επιπέδου αποτελέσματα ποικιλότητας ( π.χ. ποικιλότητα τύπου β ), που μπορεί να χάνονταν σε μικρότερα πειραματικά οικόπεδα. Εκτιμήσεις της ποικιλότητας τύπου β μέσω τηλεπισκόπησης αντλούνται από την αρχή ότι οι εκτάσεις γης με μεγαλύτερη μεταβλητότητα στην σύνθεση των ειδών έχουν μεγαλύτερη διαφορά στις φασματικές ιδιότητες, μετρούμενες ως δείκτες βλάστησης ή δείκτες φασματικής ομοιότητας ή από την λογική φασματικών τύπων εφαρμόζοντας μεθόδους ταξινομήσεως σε δεδομένα τηλεπισκόπησης και υπολογίζοντας τον δείκτη ανομοιότητας Bray – Curtis.

Εικόνα 1. Διαφορετικά σύνολα δεδομένων για την ίδια περιοχή (Cedar Creek Ecosystem Science Reserve, Minnesota, USA ) απεικονίζοντας εξάρτηση κλίμακας τηλεπισκόπησης της βιοποικιλότητας. Η δειγματοληψία σε τραχύτερες κλίμακες οδηγεί σε απώλεια πληροφορίας που παρουσιάζεται ως μειούμενη φασματική παραλλαγή, με αποτέλεσμα την μείωση της ακρίβειας της εκτίμησης βιοποικιλότητας μέσω της φασματικής ποικιλότητας. Τα δεδομένα περιλαμβάνουν εικόνες και φάσματα από a) δορυφόρο, b) στεριά c) αέρα

Φασματική κλίμακα

Η φασματική ανάλυση και εύρος επηρεάζουν την σχέση φασματικής ποικιλότητας και βιοποικιλότητας. Στις περισσότερες μελέτες της τηλεπισκόπησης βιοποικιλότητας, οι φασματικες πληροφορίες συμπυκνώθηκαν σε απλές μετρήσεις ( π.χ. NDVI, CV ή δείκτες του κύριου χώρου συνιστωσών ). Είναι συζητήσιμο αν η χρήση φασμάτων πλήρους εύρους, συμπεριλαμβανομένου του βραχέως υπερύθρου ( 400 – 2500 nm ) προσθέτει πληροφορίες στις βιοχημικές ιδιότητες της βλάστησης.

Χρονική κλίμακα

Τα χρονικά αποτελέσματα της τηλεπισκόπησης βιοποικιλότητας δεν έχουν λάβει μεγάλης προσοχής λόγω της περιορισμένης γνώσης των χρονικών αλλαγών στις οικολογικές κοινότητες και η συλλογή δεδομένων βιοποικιλότητας είναι χρονοβόρες και ακριβές. Περαιτέρω πληροφορίες για την φαινολογία της βλάστησης μπορεί να είναι ικανές για την βελτίωση της επίδοσης των μετρήσεων της φασματικής ποικιλότητας. Η κατανόηση των χρονικών αλλαγών στην φασματική ποικιλότητα είναι κρίσιμη για την τηλεπισκόπηση της βιοποικιλότητας και αποτελεί πεδίο που χρειάζεται περισσότερη έρευνα.

Παγκόσμιο σύστημα παρακολούθησης βιοποικιλότητας

Το ιδανικό παγκόσμιο σύστημα παρακολούθησης βιοποικιλότητας θα περιελάμβανε παρατηρήσεις σε διαφορετικές κλίμακες και θα διεύθυνε διαφορετικές ‘’ διαστάσεις ‘’ της βιοποικιλότητας, εκτιμώντας μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά του οικοσυστήματος που μας ενδιαφέρει, συμπεριλαμβάνοντας μετρήσεις τηλεπισκόπησης, δειγματοληψία ποικιλότητας εδάφους και εργαστηριακής εργασίας. Συνδέοντας τοπικές και περιφερειακές μετρήσεις βιοποικιλότητας, το σύστημα παρακολούθησης βιοποικιλότητας μπορεί να καλύψει κενά της τωρινής παρακολούθησης και να ενισχύει τις προσπάθειες για διατήρηση της βιοποικιλότητας της γης. Νέες επίγειες πλατφόρμες τηλεπισκόπησης χρησιμοποιήθηκαν σε οικολογικές μελέτες και μετεξέλιξαν την οικολογική έρευνα. Για παράδειγμα, καινοτόμοι και φτηνοί αισθητήρες επιτρέπουν τεράστια ευελιξία για την πραγματοποίηση συνεχούς δειγματοληψίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της φαινολογίας της βλάστησης. Κινητοί αισθητήρες, όπως κάμερες, υπερφασματικοί και τύπου LiDAR αισθητήρες, μεταφερόμενοι από μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα ( UAV ) έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς στην χαρτογράφηση επιδρομικών ειδών και διακριτικών τύπων βλάστησης. Μέσω της χρήσης υπερφασματικών δεδομένων δορυφόρου είναι πιθανό στο μέλλον να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε καλύτερα χρονικές και φασματικές πληροφορίες στην εκτίμηση της βιοποικιλότητας εν συγκρίσει με την χρήση δεικτών βλάστησης ευρείας ζώνης των τωρινών πλατφόρμων. Για την μέγιστη αποτελεσματικότητα, ένα σύστημα παρακολούθησης βιοποικιλότητας θα περιείχε περιφερειακή και τοπική παρακολούθηση, συνδεδεμένη με παγκόσμια παρακολούθηση και κατάλληλα συστήματα δεδομένων για αποθήκευση, ανάλυση και διανομή τους. Το βασικότερο πρόβλημα της συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων για την βιοποικιλότητα είναι η υψηλή τιμή των μεθόδων και οργάνων που υπάρχουν σήμερα. Κάποιοι τρόποι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και βελτίωση τόσο της πρόσβασης, όσο και της ποιότητας των δεδομένων είναι η χρήση open-source λογισμικών και αλγορίθμων για την ανάκτηση και επεξεργασία εικόνων τηλεπισκόπησης από οικολόγους, η χρήση drone χαμηλού κόστους και αισθητήρων, όπως το LiDAR, καθώς και ανεπτυγμένων υπολογιστικών ικανοτήτων για την επεξεργασία εικόνων και αναγνώριση προτύπων από πολίτες ( citizen science ). Τέλος, η εκμετάλλευση του περιβαλλοντικού DNA ( eDNA ), του οποίου αντικείμενο αποτελεί ‘’ η συλλογή πληροφοριών για είδη, πληθυσμούς και κοινότητες μέσω της ανάκτησης DNA από περιβαλλοντικά δείγματα ‘’, έχει την προοπτική να παρέχει ένα μοναδικό τρόπο παρακολούθησης της βιοποικιλότητας σε διάφορες κλίμακες ταξινόμησης και έχει εφαρμοστεί σε ιζήματα και υδρολογικά συστήματα. Μέσω του eDNA μπορεί να εκτιμηθεί η ποικιλότητα των οργανισμών που δεν μπορεί να εκτιμηθεί απευθείας μέσω της τηλεπισκόπησης, ενώ παράλληλα η τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει πληροφορίες για μεταβλητές του οικοσυστήματος, όπως η παραγωγικότητα και η φαινολογία, κάτι που δεν είναι εφικτό μέσω του eDNA.