Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπος Τίτλος : Τhe State of Remote Sensing Capabilities of Cascading Hazards Over High Mountain Asia

Τίτλος : Τηλεπισκόπηση της γεωμορφοποικιλότητας σε συνδυασμό με τη Βιοποικιλότητα-Μέρος ΙΙΙ: Γνωρίσματα, διεργασίες και Χαρακτηριστικά Τηλεπισκόπησης

Συγγραφείς : Angela Lausch , Michael E. Schaepman , Andrew K. Skidmore , Eusebiu Catana , Lutz Bannehr , Olaf Bastian, Erik Borg , Jan Bumberger , Peter Dietrich , Cornelia Glässer , Jorg M. Hacker , Rene Höfer, Thomas Jagdhuber, Sven Jany, András Jung , Arnon Karnieli , Reinhard Klenke , Toralf Kirsten , Uta Ködel , Wolfgang Kresse , Ulf Mallast , Carsten Montzka , Markus Möller , Hannes Mollenhauer, Marion Pause , Minhaz Rahman, Franziska Schrodt, Christiane Schmullius, Claudia Schütze, Peter Selsam, Ralf-Uwe Syrbe, Sina Truckenbrodt and Roland Baatz, Michael Vohland , Martin Volk , Thilo Wellmann , Steffen Zacharias

Πηγή : mdpi

Εισαγωγή

Η γεωμορφολογία, η οποία διαμορφώνει την επιφάνεια της Γης μέσω ενός συνδυασμού βραχυπρόθεσμων, μεσοπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων διεργασιών, διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στη ρύθμιση των τοπίων και της βιοποικιλότητας. Η γεωμορφοποικιλότητα, μια βασική πτυχή της γεωποικιλότητας, ορίζεται από τα πέντε χαρακτηριστικά της: ποικιλομορφία γεωμορφογένεσης, ποικιλομορφία γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, γεωμορφολογική δομική ποικιλομορφία, γεωμορφολογική ταξινομική ποικιλομορφία και γεωμορφολογική λειτουργική ποικιλομορφία. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι κεντρικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά αλληλεπιδρούν με τη βιοποικιλότητα και τα οικοσυστήματα σε πολλαπλές χωρικές και χρονικές κλίμακες.

Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης (RS) προσφέρουν τη δυνατότητα παρακολούθησης της γεωμορφοποικιλότητας σε τεράστιες εκτάσεις με μεγάλη ακρίβεια και χρονική συνέπεια. Παρέχοντας τυποποιημένα, κλιμακούμενα και επαναλαμβανόμενα δεδομένα, η RS έχει φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο αξιολογούμε τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά και τις διεργασίες, από την τοπική έως την παγκόσμια κλίμακα. Η μελέτη υπογραμμίζει τον κρίσιμο ρόλο της τηλεπισκόπησης στην καταγραφή των φασματικών χαρακτηριστικών των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, τα οποία αποτελούν το κλειδί για την κατανόηση της γένεσης, της δομής και της λειτουργίας τους. Η αλληλεπίδραση μεταξύ της γεωμορφοποικιλότητας και της βιοποικιλότητας υπογραμμίζει περαιτέρω τη σημασία της RS στην οικολογική και περιβαλλοντική έρευνα.

Οι συγγραφείς επιχειρηματολογούν υπέρ μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης που συνδυάζει την τηλεπισκόπηση με in situ μεθοδολογίες για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της παρακολούθησης των γεωμορφολογικών αλλαγών σε μια ταχέως μεταβαλλόμενη ανθρωπόκαινη εποχή. Η μελέτη αποσκοπεί στη διερεύνηση των δυνατοτήτων της τηλεπισκόπησης στην καταγραφή και ταξινόμηση της γεωμορφοποικιλότητας, των περιορισμών της και της ενσωμάτωσής της σε πλαίσια παρακολούθησης και διαχείρισης οικοσυστημάτων.

Μεθοδολογία

Η μελέτη περιγράφει λεπτομερώς μια διττή προσέγγιση για την παρακολούθηση της γεωμορφοποικιλότητας, ενσωματώνοντας παραδοσιακές μεθόδους in situ με προηγμένες τεχνολογίες τηλεπισκόπησης. Τα βασικά στοιχεία της μεθοδολογίας περιλαμβάνουν:

Προσεγγίσεις in situ

Ιστορικό πλαίσιο: Οι πρώιμες γεωμορφολογικές μελέτες βασίζονταν σε άμεσες παρατηρήσεις πεδίου, εργαστηριακές αναλύσεις και σεισμικές ή γεωηλεκτρικές μεθόδους για την αξιολόγηση των γεωμορφών και της γένεσής τους.

Χαρτογράφηση πεδίου: Οι σύγχρονες in situ προσεγγίσεις περιλαμβάνουν τη συλλογή δεδομένων υψηλής ανάλυσης για τις γεωλογικές δομές, τη σύσταση του εδάφους και τα τοπογραφικά πρότυπα. Οι τεχνικές περιλαμβάνουν επίσης ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, γεωφυσικές απεικονίσεις και περιβαλλοντικά υποκατάστατα, όπως το πλαγκτόν και οι φυτικές κοινότητες που υποδεικνύουν γεωμορφολογικές αλλαγές. Πλεονεκτήματα και περιορισμοί: Οι επί τόπου μέθοδοι είναι εξαιρετικά ακριβείς και ανεξάρτητες από τις καιρικές συνθήκες, αλλά περιορίζονται από τη χωρική και χρονική τους κάλυψη και το υψηλό λειτουργικό κόστος.

Προσεγγίσεις τηλεπισκόπησης

Πλατφόρμες και αισθητήρες τηλεπισκόπησης: Η τηλεπισκόπηση χρησιμοποιεί ένα φάσμα πλατφορμών, συμπεριλαμβανομένης της επίγειας σάρωσης με λέιζερ (TLS), μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV), εναέριου LiDAR και διαστημικών δορυφόρων (π.χ. Landsat, Copernicus). Αυτοί οι αισθητήρες ποικίλλουν ως προς την ανάλυση και τη λειτουργικότητα, καταγράφοντας φασματικά, γεωμετρικά, ραδιομετρικά και χρονικά χαρακτηριστικά των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών.

Φασματικά χαρακτηριστικά τηλεπισκόπησης: Εισάγεται η έννοια των φασματικών χαρακτηριστικών τηλεπισκόπησης (RS-ST) για την ανάλυση γεωμορφολογικών στοιχείων όπως η ορυκτολογική σύνθεση, η δομική ποικιλομορφία και οι ταξινομικές παραλλαγές. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμπεράνει έμμεσα αυτά τα χαρακτηριστικά σε περιοχές με βλάστηση ή σε σκοτεινές περιοχές αναλύοντας σχετικούς δείκτες όπως η υγεία της βλάστησης ή οι ανωμαλίες χρήσης γης.

Ολοκλήρωση δεδομένων πολλαπλών αποστολών: Αξιοποιώντας δεδομένα πολλαπλών αποστολών τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένων υπερφασματικών αισθητήρων (π.χ. EnMAP, HyspIRI), η μεθοδολογία εξασφαλίζει την ολοκληρωμένη παρακολούθηση της γεωμορφολογικής δυναμικής.

Προκλήσεις και περιορισμοί παρακολούθηση της γεωμορφοποικιλότητας με χρήση τηλεπισκόπησης.

Χαρακτηριστικά και χωροχρονική κατανομή των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών

Η ανιχνευσιμότητα των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών εξαρτάται από τις εγγενείς ιδιότητές τους, όπως η ορυκτολογική σύνθεση, η υφή και η διαμόρφωση. Ορισμένα γνωρίσματα, όπως οι ομοιογενείς αμμόλοφοι, συλλαμβάνονται εύκολα λόγω της σταθερής χωρικής κατανομής τους και των διακριτών φασματικών ιδιοτήτων τους. Αντίθετα, τα λεπτότερα ή λιγότερο διακριτά γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά (π.χ. μικρές κηλίδες άμμου μέσα στο έδαφος) είναι δύσκολο να παρακολουθηθούν λόγω των περιορισμών της ανάλυσης τηλεπισκόπησης και της ευαισθησίας του αισθητήρα. Η ανάπτυξη προηγμένων αισθητήρων αποσκοπεί στη βελτίωση της ανίχνευσης αυτών των λεπτότερων λεπτομερειών.

Χαρακτηριστικά των γεωμορφολογικών διεργασιών και οι οδηγοί τους

Οι γεωμορφολογικές διεργασίες, όπως η τεκτονική δραστηριότητα, η διάβρωση ή η μεταφορά ιζημάτων, δημιουργούν συγκεκριμένα μοτίβα και δομές που μπορούν να παρακολουθούν οι τεχνικές τηλεπισκόπησης. Ωστόσο, η πολυπλοκότητα αυτών των διεργασιών, οι οποίες συχνά περιλαμβάνουν αλληλοεπικιαλυπτόμενα, ασυνεχή ή μεταβλητής κλίμακας φαινόμενα, αποτελεί πρόκληση. Για παράδειγμα:

Η τεκτονική των πλακών και η αναδίπλωση των πετρωμάτων μπορεί να οδηγήσουν σε περίπλοκες γεωμορφολογικές δομές που απαιτούν χρονικά και χωρικά δεδομένα τηλεπισκόπησης υψηλής ανάλυσης για την αποκωδικοποίησή τους.

Η διαφοροποίηση μεταξύ φυσικών και ανθρωπογενών παραγόντων γεωμορφολογικών αλλαγών, όπως οι κατολισθήσεις ή οι καταβόθρες, απαιτεί την ενσωμάτωση δεδομένων τηλεπισκόπησης με επιτόπιες παρατηρήσεις.

Αυτές οι διεργασίες χρησιμεύουν ως φίλτρα που καθορίζουν τη γεωμορφολογική ποικιλομορφία, επηρεάζοντας τις παραλλαγές των χαρακτηριστικών και τη λειτουργική δυναμική. Η τηλεπισκόπηση πρέπει να λαμβάνουν υπόψη αυτές τις παραλλαγές για την ακριβή αξιολόγηση των αλλαγών και των διαταραχών.

Ιδιότητες και πλατφόρμες αισθητήρων

Η ικανότητα των συστημάτων τηλεπισκόπησης να καταγράφουν τη γεωμορφοποικιλότητα περιορίζεται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων και των πλατφορμών, όπως

Χωρική και φασματική ανάλυση: Οι αισθητήρες υψηλής ανάλυσης (π.χ. υπερφασματικοί ή LiDAR) είναι απαραίτητοι για την ανίχνευση λεπτομερών γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, αλλά οι συμβιβασμοί στην κάλυψη και το κόστος μπορεί να περιορίσουν την εφαρμογή τους. Για παράδειγμα, ενώ οι υπερφασματικοί αισθητήρες προσδιορίζουν αποτελεσματικά τις συνθέσεις των ορυκτών, τα φαινόμενα ευρύτερης κλίμακας απαιτούν την ενσωμάτωση πολλών αισθητήρων.

Χρονική ανάλυση: Η παρακολούθηση δυναμικών γεωμορφολογικών αλλαγών (π.χ. μετατόπιση μαιάνδρων ποταμών, κατολισθήσεις) απαιτεί αισθητήρες με υψηλή χρονική ανάλυση. Ωστόσο, η ακανόνιστη διαθεσιμότητα δεδομένων και η κάλυψη από σύννεφα μπορεί να εμποδίσουν τη συνεπή παρατήρηση.

Επιλογή πλατφόρμας: Η επιλογή της πλατφόρμας (επίγεια, εναέρια ή διαστημική) επηρεάζει την κάλυψη, την ακρίβεια και την επεκτασιμότητα. Ο συνδυασμός πλατφορμών είναι συχνά απαραίτητος για την εξισορρόπηση της τοπικής λεπτομέρειας με την περιφερειακή ή παγκόσμια παρακολούθηση.

Στρατηγικές για την αντιμετώπιση των περιορισμών

Η μελέτη τονίζει την ανάγκη για πολυαισθητηριακές και πολυχρονικές προσεγγίσεις για τον μετριασμό αυτών των περιορισμών. Συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των διαφόρων συστημάτων τηλεπισκόπησης, όπως η ακρίβεια του LiDAR με τις δυνατότητες διείσδυσης του RADAR, οι ερευνητές μπορούν να βελτιώσουν την ανίχνευση και την ταξινόμηση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών. Επιπλέον, οι εξελίξεις στην τεχνολογία των αισθητήρων και την επεξεργασία δεδομένων θα αντιμετωπίσουν τους σημερινούς περιορισμούς στην ανάλυση, την τυποποίηση και την ερμηνεία.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν την εφαρμογή των τεχνολογιών τηλεπισκόπηση στην παρακολούθηση των πέντε χαρακτηριστικών της γεωμορφοποικιλότητας, αποδεικνύοντας τις δυνατότητές τους για την οικολογική και γεωμορφολογική έρευνα:

1. Γεωμορφολογική ποικιλομορφία

Εικόνα 1: Τα 5 χαρακτηριστικά της γεωμορφολογικής ποικιλομορφίας που ανιχνεύονται με τεχνικές τηλεπισκόπησης

Η τηλεπισκόπηση καταγράφει αποτελεσματικά ορυκτολογικά, δομικά και φυσικά γνωρίσματα, παρέχοντας πληροφορίες για τις γεωμορφολογικές διεργασίες και την εξέλιξη των γεωμορφών.

Σε περιοχές με σημαντική φυτοκάλυψη, οι έμμεσοι δείκτες τηλεπισκόπησης, όπως τα χαρακτηριστικά της βλάστησης, χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά.

2. Γεωμορφογενετική ποικιλομορφία

Εικόνα 2: Γεωμορφογενετική ποικιλομορφία με χρήση τηλεπισκόπησης

Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης επιτρέπουν την ανάλυση της γεωλογικής γένεσης, με παράδειγμα χαρακτηριστικά όπως οι παγίδες της Σιβηρίας και του Ντεκάν. Αυτές οι μεγάλες εκρηξιγενείς επαρχίες απεικονίζουν την αλληλεπίδραση της γεωμορφολογικής γένεσης με τα πρότυπα βιοποικιλότητας σε παγκόσμια κλίμακα και τα γεγονότα μαζικής εξαφάνισης.

Η ανάλυση γραμμώσεων και προτύπων αποστράγγισης με βάση τη τηλεπισκόπηση είναι ζωτικής σημασίας για τον εντοπισμό τεκτονικών δομών και διαδικασιών γένεσης.

3.Γεωμορφική δομική ποικιλομορφία

Εικόνα 3: Γεωμορφολογική δομική ποικιλομορφία με χρήση RS.

Η τηλεπισκόπηση αποτυπώνει τη σύνθεση και τη διαμόρφωση των γεωμορφολογικών δομών, από τα μοτίβα των αμμοθινών έως τα ποτάμια χαρακτηριστικά.

Οι τεχνολογίες υψηλής ανάλυσης, όπως το LiDAR, συμβάλλουν καθοριστικά στην παροχή λεπτομερών τοπογραφικών δεδομένων, βελτιώνοντας τις προβλέψεις σε οικολογικά και υδρολογικά μοντέλα.

4.Γεωμορφολογική ταξινομική ποικιλομορφία

Εικόνα 4: Γεωμορφολογική ταξινομική ποικιλομορφία με χρήση τηλεπισκόπησης.

Η τηλεπισκόπηση επιτρέπει την ταξινόμηση των μορφών γης, όπως τα βουνά, οι αμμόλοφοι και τα ανθρωπογενώς τροποποιημένα εδάφη.

Οι αλλαγές που οφείλονται σε ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως η αστικοποίηση ή η εξόρυξη, ποσοτικοποιούνται, επιτρέποντας την παρακολούθηση των ανθρωπογενών επιπτώσεων στους γεωμορφολογικούς τύπους.

5.Γεωμορφολογική λειτουργική ποικιλομορφία

Εικόνα 5:Γεωμορφολογική λειτουργική ποικιλομορφία με χρήση RS

Οι λειτουργικές αλλαγές στη γεωμορφολογία, όπως αυτές που προκύπτουν από την ευθυγράμμιση ποταμών, αξιολογούνται με τη χρήση τηλεπισκόπησης. Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης παρακολουθούν δυναμικές διαδικασίες, επιτρέποντας την καλύτερη κατανόηση της γεωμορφολογικής ανθεκτικότητας και της λειτουργικότητας του οικοσυστήματος.

Συμπεράσματα

Τα συμπεράσματα υπογραμμίζουν τον απαραίτητο ρόλο της τηλεπισκόπησης στην προώθηση της γεωμορφολογικής έρευνας και την εφαρμογή της στις μελέτες βιοποικιλότητας. Τα βασικά συμπεράσματα περιλαμβάνουν:

• Ολοκληρωμένη παρακολούθηση: Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια οικονομικά αποδοτική, επεκτάσιμη και ακριβή μέθοδο για την παρακολούθηση της γεωμορφοποικιλότητας, καλύπτοντας τα κενά που αφήνουν οι παραδοσιακές in situ τεχνικές.
• Διεπιστημονική ολοκλήρωση: Η μελέτη υπογραμμίζει τη σημασία της ενσωμάτωσης της γεωμορφολογίας, της βιοποικιλότητας και της επιστήμης των δεδομένων για την αντιμετώπιση των σύγχρονων περιβαλλοντικών προκλήσεων. Η ψηφιοποίηση και οι προηγμένες τεχνολογίες τηλεπισκόπησης είναι απαραίτητες για την επίτευξη αυτής της ολοκλήρωσης.
• Συνέπειες για τη διατήρηση: Η τηλεπισκόπηση μπορεί να καθοδηγήσει τις προσπάθειες διατήρησης, να παρακολουθήσει την ακεραιότητα των οικοσυστημάτων και να προβλέψει τους γεωκινδύνους.

Μελλοντικές κατευθύνσεις:

• Συνιστώνται προσεγγίσεις πολλαπλών αισθητήρων και πολλαπλών αποστολών για να ξεπεραστούν οι σημερινοί περιορισμοί της τηλεπισκόπησης.
• Υπογραμμίζεται η έκκληση για την ανάπτυξη τυποποιημένων πλαισίων για την παρακολούθηση της γεωμορφοποικιλότητας με βάση την τηλεπισκόπηση.
• Επαναλαμβάνεται η σημασία των υπερφασματικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης και των δεδομένων LiDAR για την καταγραφή λεπτομερών γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών.

Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η τηλεπισκόπηση δεν είναι μόνο ένα εργαλείο για τη γεωμορφολογική έρευνα, αλλά και ένα κρίσιμο συστατικό της παρακολούθησης και της διαχείρισης των οικοσυστημάτων στο Ανθρωπόκαινο.