Υπολογισμός της βιομάζας της σαβάνας ως υποκατάστατο του αποθέματος άνθρακα χρησιμοποιώντας πολυφασματικές εικόνες τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος Τίτλος: Estimating biomass of savanna grasslands as a proxy of carbon stock using multispectral remote sensing
Συγγραφείς: Lazarus Chapungua, Luxon Nhamob, Roberto Gazolla Gattic
Πίνακας περιεχομένων |
Εισαγωγή
Οι εκπομπές CO2 , το οποίο αποτελεί το κύριο αέριο του θερμοκηπίου, επρόκειτο να προκαλέσουν μέσω της αύξησης της θερμοκρασίας πολλά οικονομικο-κοινωνικά προβλήματα. Η δέσμευση του CO2 από τα φυτά αποτελεί μέσω της φωτοσύνθεσης θα μπορούσε να αποτελέσει μια ιδανική λύση σε αυτό το πρόβλημα. Γι αυτό το λόγο ο υπολογισμός της φυτικής βιομάζας αποτελεί παγκόσμιας εμβέλειας προτεραιότητα.
Η σαβάνες της Αφρικής θα μπορούσαν να αποτελέσουν ιδανικές αποθήκες για μεγάλες ποσότητες άνθρακα καθώς καλύπτουν πάνω από το μισό έδαφος της ηπείρου. Οι εκτιμήσεις της βιομάζας αποτελούν πολύ σημαντικό δείκτη, όπως προαναφέρθηκε, για τον υπολογισμό του μέγιστου δυνατού φορτίου CO2 που θα μπορούσε να απορροφηθεί σε περίπτωση εκ νέου ανάπτυξης της βλάστηση. Η τηλεπισκόπηση έδωσε την δυνατότητα υπολογισμού της φυτικής βιομάζας σε πολύ μεγάλες εκτάσεις και με ένα τρόπο οικονομικά εφικτό. Ο πιο συνηθισμένος δείκτης που χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η βιομάζα σε τέτοιες περιπτώσεις είναι ο NDVI(Δείκτης Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς), ο οποίος παρουσιάζει την διαφορά ακτινοβολίας ανάμεσα στο εγγύς υπέρυθρο κανάλι (όπου η βλάστηση αντανακλά την περισσότερη ακτινοβολία) και στο κόκκινο (όπου απορροφά την περισσότερη).
Η συγκεκριμένη μελέτη παρουσιάζει μια μέθοδο υπολογισμού της υπέργειας βιομάζας Aboveground Biomass – AGB στα τροπικά λιβάδια χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat. Η ανάγκη της συγκεκριμένης μελέτης είναι επιτακτική καθώς έρχεται να καλύψει το κενό που υπάρχει στον υπολογισμό της βιομάζας μελετώντας και την υπόγεια βιομάζα Below-ground Biomass – BGB με πολυφασματικές εικόνες Landsat.
Μεθοδολογία
Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης της συγκεκριμένης εργασίας είναι η κεντρική επαρχία Mashonaland στην βόρειο ανατολική Ζιμπάμπουε (Εικόνα 1) και πιο συγκεκριμένα σε δύο απο τις 8 περιοχές της επαρχίας με τροπικό κλίμα, 750 – 1000 mm βροχοπτώσεων και θερμοκρασία 15 οC - 32 οC. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από εντατική καλλιέργεια με περιορισμένη άρδευση, είναι γνωστή για την εκτεταμένη κτηνοτροφία, ενώ τα ιδιαίτερα πλούσια εδάφη της ευνοούν την ανάπτυξη χαμηλής βλάστησης και φυλλοβόλων δέντρων.
Δειγματοληψία και Μετρήσεις
Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε το 2015 ενώ παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν και εικόνες Landsat του ίδιου μήνα για να γίνει ταυτοποίηση των δειγμάτων. Οι περιοχές της δειγματοληψίας ορίστηκαν μέσω του ArcGIS και συντεταγμένων από GPS όπου αφού οριοθετήθηκαν τα χωριά και οι περιοχές βλάστησης, σε δεύτερο επίπεδο χωρίστηκαν σε μικρότερες περιοχές. Στις περιοχές αυτές με μεγάλο ποσοστό βλάστησης (90%) επιλέχθηκε να παρθούν δείγματα ενώ άλλες με ποσοστό μικρότερο του 10% απορρίφθηκαν. Στις περιοχές αυτές προσδιορίστηκαν τα είδη της βλάστησης με σκοπό την συσχέτιση του NDVI με την AGB. Αυτό έδωσε την δυνατότητα να προσδιοριστεί η ποικιλία στην αποθήκευση άνθρακα ανάμεσα στα διαφορετικά είδη.
Υπολογισμός Υπέργειας και Υπόγειας Βιομάζας
Η φυτική βιομάζα αποτελείτε από γρασίδι, ρίζες, φύλλα, φρούτα κτλ. Για να περισυλλεχθούν δεδομένα για την AGB πάρθηκαν δείγματα γρασιδιού τα οποία ζυγίστηκαν επιτόπου αλλά και αφού στέγνωσαν για για να υπολογιστεί το ποσοστό νερού που εμπεριείχαν. Ενώ για την BGB εξήχθησαν ολόκληρα κομμάτια χώματος από δύο κατηγορίες βαθών (0-20 cm και 20-40 cm) τα οποία ζυγίστηκαν αφού πρώτα είχαν στεγνώσει. Το πρώτο στρώμα 0-20 cm περιείχε το 88.23% της συνολικής BGB και κατά συνέπεια ήταν αυτό που επιλέχθηκε.
Διαδικασία Επεξεργασίας Δορυφορικών Εικόνων
Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν εικόνες Landsat 3,4 και 5 από τις 17 Μαρτίου 2015 καθώς αποτελεί το τέλος της θερινής περιόδου κατά της οποία εντοπίζεται το μέγιστο περιεχόμενο βιομάζας. Μέσω ενός αλγορίθμου μετατράπηκαν από αρχεία ψηφιακού αριθμού (Digital Number Format) σε φασματικής ακτινοβολίας. Πραγματοποιήθηκε ατμοσφαιρική διόρθωση και έπειτα έγιναν ταξινομήσεις και υπολογίστηκε και ο δείκτης κανονικοποιημένης βλάστησης NDVI.
- NDVI = (NRI-RED)/(NIR+RED)
Δυνατότητα Αποθήκευσης Άνθρακα
Ο NDVI προτιμήθηκε σαν ένας δείκτης για τον προσδιορισμό της βιομάζας καθώς αποτελεί ένα αξιόπιστο τρόπο για να εντοπίσουμε την παρουσία και την υγεία της βλάστησης σε μια περιοχή. Όσο αυξάνεται ο NDVI τόσο αυξάνεται και η υπέργεια βιομάζα (AGB), μέσω της οποίας μπορούμε έπειτα να υπολογίζουμε την υπόγεια (BGB) (Εικόνα 2). Για τον τελικό υπολογισμό του ποσοστού άνθρακα που θα μπορούσε εν δυνάμει να αποθηκευτεί χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω μη γραμμική εξίσωση παλινδρόμησης με τον NDVI σαν ανεξάρτητη και την βιομάζα σαν εξαρτημένη μεταβλητή.
- CS=108.2e^NDVI10.0184
CS: carbon stock (δυνατότητα αποθήκευσης άνθρακα)
Έπειτα υπολογίστηκε το σφάλμα της τετραγωνικής ρίζας της μέσης τιμής (RMSE) για να προσδιοριστεί η απόκλιση μεταξύ BGB – NDVI και AGB – NDVI.
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Τα αποτελέσματα έδειξαν την μια ιδιαίτερα σημαντική μη γραμμική σχέση ανάμεσα στην υπέργεια και την υπόγεια βιομάζας (AGB – BGB). Αποδεικνύοντας ότι η υπόγεια βιομάζα μπορεί να υπολογιστεί στατιστικά μέσω της υπέργειας (Εικόνα 3). Παρόλες τις επιπτώσεις που έχουν εξωγενείς δραστηριότητες όπως η βόσκηση το κλάδεμα κτλ. παρατηρήθηκε ότι το γρασίδι διατηρεί την αναλογία AGB – BGΒ σταθερή.
Όσον αφορά την χρήση της τηλεπισκόπησης αποδεικνύεται μέσω της μελέτης αυτής ότι έχει προοπτική να αποτελέσει πολύ σημαντικό εργαλείο για τον υπολογισμό της υπέργειας βιομάζας στα οικοσυστήματα της σαβάνας. Ωστόσο η καλύτερη περίοδος για χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων είναι κατά τη διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού καθώς ο λόγος ξηρής προς πράσινη βιομάζα είναι χαμηλός. Πέραν της υπέργειας βιομάζας τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι ο NDVI μπορεί να βοηθήσει σημαντικά και στον έμμεσο υπολογισμό της υπόγειας βιομάζας χωρίς ιδιαίτερες αποκλίσεις σε σχέση με την άμεση μέτρηση με δείγματα εδάφους.
Συνεπώς θετικό είναι το πρόσημο και στον υπολογισμό της συνολικής βιομάζας με την χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων. Ωστόσο προκειμένου να μειωθούν τα σφάλματα και να έχουμε ακόμη καλύτερα αποτελέσματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν εικόνες καλύτερης ανάλυσης από άλλους δορυφόρους πχ Sentinel.
Συμπεράσματα
Η συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποίησε την τηλεπισκόπηση προκειμένου να προσδιορίσει την υπέργεια και υπόγεια βιομάζα της σαβάνας αλλά και την σχέση μεταξύ τους. Τα σφάλματα από την χρήση του NDVI για αυτό το σκοπό ήταν εντός αποδεκτών ορίων πράγμα που αποδεικνύει τις δυνατότητες και αποτελει μια βάση για την χρήση της τηλεπισκόπησης σε αυτόν τον τομέα. Μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να εστιάσουν στο να βελτιώσουν αυτά τα αποτελέσματα μέσω της χρήση εικόνων μεγαλύτερης χωρικής, χρονικής αλλά και φασματικής ανάλυσης.
