Τηλεπισκόπηση για την βιοποικιλότητα

Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος: Τηλεπισκόπηση για την βιοποικιλότητα: βελιωση του εδάφους και μέθοδοι μείωσης της διάστασης των δεδομένων βελτιώνουν την εκτίμηση της α-ποικιλότητας (πλούτος ειδών) σε λιβαδικά οικοσυστήματα.

Τίτλος, Συγγραφείς: Gholizadeh, H., Gamon, J.A., Zygielbaum, A.I., Wang, R., Schweiger, A.K. and Cavender-Bares, J., 2018. Remote sensing of biodiversity: Soil correction and data dimension reduction methods improve assessment of α-diversity (species richness) in prairie ecosystems. Remote Sensing of Environment, 206, pp.240-253.

Σύνδεσμος: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425717305904

Η απώλεια της βιοποικιλότητας που προκαλείται από ανθρωπογενείς παράγοντες μπορεί να έχει αρνητικές επιπτώσεις στις διεργασίες των οικοσυστημάτων. Ωστόσο, η αξιολόγηση της βιοποικοιλότητας δεν είναι απλή υπόθεση λόγω της τεράστιας έκτασης του κόσμου και του μεγάλου αριθμού παραγόντων που επιδρούν σε αυτή και διαφέρουν χωρικά αλλά και χρονικά. Ενώ υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τη δειγματοληψία της βιοποικιλότητας πολλές από αυτές είναι χρονοβόρες, δαπανηρές και υποκειμενικές.

Τα υπερφασματικά δεδομένα, με τις λεπτομερείς φασματικές πληροφορίες τους προκύπτουν σε διαφορετικά μήκη κύματος, προσφέρουν πολλαπλούς τρόπους αξιολόγησης της βιοποικιλότητας. Μια προσέγγιση, γνωστή ως "υπόθεση φασματικών παραλλαγών" (spectral variation hypothesis -SVH) προτείνει ότι η βιοποικιλότητα συνδέεται με την ποικιλία των φασμάτων. Όμως οι προσεγγίσεις που βασίζονται στην SVH μπορεί να αλλοιώνονται από την έκθεση του εδάφους και είναι επηρεάζονται από την χωρική ανάλυση των δεδομένων. Για να αντιμετωπίσουν αυτά τα δύο προβλήματα οι συγγραφείς 1) ερεύνησαν τις επιπτώσεις της έκθεσης του εδάφους στη φασματική ποικιλότητα, 2) προσδιόρισαν τις βέλτιστες φασματικές ζώνες για τη χαρτογράφηση της βιοποικιλότητας με τη χρήση ενός μέτρου φασματικής ποικιλότητας το οποίο βασίζεται στην μείωση των διαστάσεων και 3) εκτίμησαν τις επιπτώσεις της χωρικής ανάλυσης για μετρήσεις φασματικής ποικιλότητας.

Σε αυτή τη μελέτη, η α-ποικιλότητα χρησιμοποιήθηκε ως μέτρο μέτρησης της φυτικής βιοποικιλότητας. Η μελέτη βασίστηκε σε δύο σύνολα δεδομένων φασματομετρίας από το Cedar Creek Ecosystem Science Reserve στην Κεντρική Μινεσότα των Η.Π.Α., τα οποία αφορούν δύο επίπεδα: εδάφους και από αέρος (από το πείραμα BioDIV). Τα σύνολα δεδομένων περιλάμβαναν διάφορους βαθμούς υποβάθρου εδάφους που αφορούν δύο διαφορετικές χωρικές αναλύσεις (1 mm και 0,75 m). Συνολικά πέντε μέτρα φασματικής ποικιλότητας ερευνήθηκαν, συμπεριλαμβανομένου του συντελεστή μεταβλητότητας, του όγκου του κυρτού κύτους (convex hull) και ενός νέου μέτρου που βασίζεται στην μείωση των διαστάσεων, έχει προταθεί πρόσφατα και ονομάζεται "κυρτή περιοχή κύτους" (convex hull area).

Για το σύνολο δεδομένων εδάφους (μέγεθος εικονοστοιχείου 1 mm), φιλτράροντας εικονοστοιχεία εδάφους, εφαρμόζοντας τους δείκτες NDVI βελτιώθηκε σημαντικά η απόδοση όλων των μετρήσεων φασματικής διαφοροποίησης, με τον συντελεστή διακύμανσης να δείχνει την υψηλότερη συσχέτιση με τον πλούτο των ειδών. Στα από αέρος δεδομένα (μέγεθος εικονοστοιχείων 0,75 μ.), το μέτρο convex hull area έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα. Αυτά τα ευρήματα καταδεικνύουν ότι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να εφαρμοστούν για την μέτρηση της βιοποικιλότητας, οι νέες προσεγγίσεις είναι ελπιδοφόρες και φαίνεται ότι υπάρχει επίδραση μεταξύ του εδάφους και των μετρήσεων. Τα μέτρα και οι μαθηματικές διατυπώσεις των τύπων που χρησιμοποιήθηκαν δίνονται αναλυτικά στο δημοσιευμένο κείμενο. Τέλος τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι οι περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που έχουν τις περισσότερες πληροφορίες για την εκτίμηση του πλούτου των ειδών μπορεί να ποικίλουν ανάλογα με τη χωρική κλίμακα. Ειδικότερα και στα δύο σύνολα δεδομένων, μήκη κύματος κοντά στα 680 nm φαίνεται να αποτελούν μία από τις φασματικές περιοχές με τις μεγαλύτερες επιπτώσεις στον διαχωρισμό των περιοχών που έχουν διαφορετικά επίπεδα πλούτου σε είδη. Επίσης ένα επίπεδο ισχυρής απορρόφησης της χλωροφύλλης επικεντρώνεται κοντά σε αυτό το μήκος κύματος.

Στην Εικόνα 1 απεικονίζεται ο τρόπος με τον οποίο ο πλούτος των ειδών σχετίζεται με τη φασματική ποικιλομορφία. Στις δύο περιοχές (πλαίσιο Α) απεικονίζονται δύο περιοχές μία πλούσια σε είδη (αριστερή) και μία με χαμηλή βιοποικιλότητα (δεξιά). Στο πλαίσιο Β δίνεται η ισοδύναμη φασματική ποικιλομορφία τους στο φασματικό διάστημα ως διάγραμμα της αντανάκλασης και του μήκους κύματος. Στο πλαίσιο Γ εμφανίζεται η ανάλυση των φασμάτων και η ανάλυση των ειδών σε γράφημα δύο καναλιών. Για ερμηνεία των χρωμάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στη διαδικτυακή έκδοση του άρθρου.