Χαρτογράφηση «γυμνού» εδάφους στη γεωργία ...

Από RemoteSensing Wiki

Χαρτογράφηση «γυμνού» εδάφους στη γεωργία και τη δασοκομία των λόφων της Νέας Ζηλανδίας για την εκτίμηση κινδύνου διάβρωσης του εδάφους: Μια αυτοματοποιημένη μέθοδος τηλεπισκόπησης μέσω δορυφόρου

Πρωτότυπος τίτλος: Mapping bare ground in New Zealand hill-country agriculture and forestry for soil erosion risk assessment: An automated satellite remote-sensing method

Συγγραφείς: Heather North, Alexander Amies, John Dymond, Stella Belliss, David Pairman, John Drewry, Jan Schindler, James Shepherd

Δημοσιεύθηκε: Ιανουάριος 2022 (Journal of Environmental Management)

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113812

Εικόνα 1. Κατανομή του χαρτογραφημένου «γυμνού» εδάφους λόγω (α) χειμερινής βόσκησης και (β) δασοκομίας που γίνονται «γυμνά» 20% ή και περισσότερο οποιαδήποτε στιγμή κατά τη διάρκεια του έτους. Οι μεγεθύνσεις αφορούν την περιοχή γεωργικής μελέτης Fairlie, South Canterbury, και την περιοχή μελέτης δασοκομίας Tokomaru Bay, Gisborne. Μέσα σε κάθε μεγέθυνση υπάρχει ένα μπλε ορθογώνιο που υποδεικνύει τη θέση των περαιτέρω μεγεθύνσεων που φαίνεται στην Εικόνα 2.

Εικόνα 2.Μεγεθύνσεις (2 × 1,5 km) που δείχνουν τις λεπτομέρειες των πολυγώνων αγροτεμαχίων. Οι θέσεις αυτών των μεγεθύνσεων υποδεικνύονται από τα μπλε ορθογώνια στην Εικόνα 1. (α) Τοποθεσία γεωργικής μελέτης που φαίνεται στα κανάλια Sentinel-2: 12 (SWIR-2), 4 (κόκκινο) και 2 (μπλε), στις οποίες η καλλιέργεια brassica εμφανίζεται μπλε, τα λιβάδια μωβ-κόκκινο, και το «γυμνό» έδαφος λευκό. (β) Η περιοχή μελέτης δασοκομίας φαίνεται στα κανάλια Sentinel-2: 8 (NIR), 4 (κόκκινο) και 3 (πράσινο), στις οποίες το «ώριμο» δάσος εμφανίζεται σκούρο κόκκινο, τα χαμηλά δέντρα ή άλλη μερική κάλυψη βλάστησης ροζ και οι περιοχές συγκομιδής ως κυανό.

Εισαγωγή

Στη Νέα Ζηλανδία (NZ) και παγκοσμίως, υπάρχει αυξανόμενη ανησυχία για τις επιπτώσεις των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στην ποιότητα του πόσιμου νερού. Κύριος παράγοντας των επιπτώσεων στο πόσιμο νερό είναι η διάβρωση του εδάφους, όχι μόνο επειδή αυξάνει την καθίζηση ποταμών, λιμνών, εκβολών ποταμών και σχετικών υδρόβιων οικοτόπων, αλλά και εξαιτίας της μεταφοράς ιζήματος, όπως θρεπτικά συστατικά και μικροβιακοί ρύποι, στις υδάτινες οδούς. Τα εδάφη με κλίση χωρίς φυτική κάλυψη απομακρύνονται εύκολα λόγω επιφανειακής διάβρωσης κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων. Δύο βασικές αιτίες αφαίρεσης της βλάστησης στις ορεινές περιοχές είναι η χειμερινή βόσκηση χορτονομής των ζώων (βοοειδή, πρόβατα και ελάφια) και η απομάκρυνση όλων των δέντρων από μια περιοχή που έχει επιλεγεί για συγκομιδή δασοκομίας παραγωγής. Μια ακόμη αιτία «γυμνού» εδάφους είναι η καλλιέργεια για ανανέωση βοσκοτόπων ή οι αροτραίες καλλιέργειες, με τα ζώα να βόσκουν μεταξύ των αμειψισπορών. Το «γυμνό» έδαφος που εκτίθεται από αυτές τις δραστηριότητες ποικίλλει ετησίως και εποχιακά σε τοποθεσία και χωρική έκταση. Στην παρούσα ανασκόπηση, αναπτύσσεται μια μέθοδος ανάλυσης δορυφορικών εικόνων χρονοσειράς για τη χαρτογράφηση αγροτεμαχίων αυτών των χρήσεων γης, επιτρέποντας έτσι την κάλυψη ευρείας περιοχής και την ευκολία ενημέρωσης, καθώς επίσης και ποσοτικοποίηση του «γυμνού» εδάφους για τη μοντελοποίηση της διάβρωσης του εδάφους. Η μοντελοποίηση απαιτεί χρονικά και χωρικά σαφή χαρτογράφηση αυτού του «γυμνού» εδάφους. Η χρονική ανάλυση προσδιορίζει τη χρήση γης μαζί με την περίοδο απομάκρυνσης της βλάστησης και παράγει αποτελέσματα ανά αγροτεμάχιο (σε διανυσματική μορφή) για χρήση σε πρόγραμμα Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών (GIS). Παρουσιάζεται μια περιγραφή της μεθόδου, εθνικοί χάρτες και στατιστικά στοιχεία της έκτασης του «γυμνού» εδάφους στη δασοκομία και της χειμερινής κτηνοτροφικής βοσκής της Νέας Ζηλανδίας το 2018 και μια αξιολόγηση της ακρίβειας. Τα χαρακτηριστικά των χαρτογραφημένων αγροτεμαχίων έχουν σχεδιαστεί για εισαγωγή σε ένα μοντέλο εκτίμησης της διάβρωσης του εδάφους (New Zealand Universal Soil Loss Equation, USLE).

Υλικά και μέθοδοι

Η εθνική χαρτογράφηση απαιτεί μεγάλο όγκο δορυφορικών δεδομένων για πολυχρονική ανάλυση, επομένως όλη η επεξεργασία πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις εθνικών υποδομών της NZ (National eScience Infrastructure (NeSI) High Performance Computing facilities). Αρχικά, επιτεύχθηκε προεπεξεργασία χρονοσειρών δορυφορικών εικόνων από τους δορυφόρους Sentinel-2A και 2B της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA). Πραγματοποιήθηκε επεξεργασία των εικόνων από νέφη και άλλους παράγοντες που επηρεάζουν αρνητικά την απεικόνιση στις περιοχές μελέτης, δηλαδή σε γεωργικά χωράφια, δασικά τετράγωνα ή αγροτεμάχια με συνεπή διαχείριση ή καλλιέργεια, με την πάροδο του χρόνου. Μέσω του προγράμματος GIS, έγινε χαρτογράφηση δασικών πολυγώνων και ακολουθήθηκαν τα απαραίτητα βήματα επεξεργασίας για τον προσδιορισμό της κάλυψης γης και τον ποσοτικό προσδιορισμό του «γυμνού» εδάφους που είναι επιρρεπές στην επιφανειακή διάβρωση. Η βόσκηση των κτηνοτροφικών καλλιεργειών εκθέτει «γυμνό» το έδαφος, αφαιρώντας συχνά σχεδόν όλη τη βλάστηση, παρόλο που ενίοτε μπορεί να παραμείνουν οι ρίζες των φυτών. Στην ανάλυση δορυφορικών εικόνων, μια μέτρηση που χρησιμοποιείται συνήθως για την κάλυψη της βλάστησης είναι ο δείκτης βλάστησης (NDVI). Έχει χαμηλές τιμές τόσο για «γυμνό» έδαφος όσο και για νεκρή ή μη πράσινη (χωρίς χλωροφύλλη) βλάστηση. Μια επιλογή για τη διάκριση μεταξύ «γυμνού» εδάφους και μη πράσινης βλάστησης είναι να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικοί δείκτες βλάστησης, που είναι πιο ευαίσθητοι στα υπολείμματα των καλλιεργειών, και μια δεύτερη είναι η φασματική ταξινόμηση ως διαφορετικές καλύψεις γης του «γυμνού» εδάφους και της νεκρής βλάστησης. Επιλέχθηκε το δεύτερο καθώς είναι πιο εύκολος ο προσδιορισμός των τύπων κτηνοτροφικών καλλιεργειών, βοσκοτόπων και δέντρων στη διαδικασία ταξινόμησης. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αξιολόγηση ακρίβειας χαρτών «γυμνού» εδάφους.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στις Εικόνες 1 και 2.

Συμπεράσματα

Για πλαγιές λόφων 7ο ή περισσότερο, τα αποτελέσματα δείχνουν 47.177 εκτάρια χειμερινής χορτονομής «γυμνού» εδάφους το 2018, μαζί με 159.522 εκτάρια λόγω δασικών δραστηριοτήτων. Η ακρίβεια ήταν καλύτερη για τον δασικό χάρτη από τον χάρτη χειμερινών ζωοτροφών. Πιθανό αυτό να συμβαίνει επειδή οι κανόνες ταξινόμησης είναι απλούστεροι στη δασοκομία, ενώ η γεωργική ταξινόμηση απαιτούσε συγκεκριμένο προσδιορισμό της χειμερινής χορτονομής ως αιτίας του «γυμνού» εδάφους. Οι πιο σημαντικές κτηνοτροφικές καλλιέργειες (brassica και κτηνοτροφικά τεύτλα) είναι καλά ταξινομημένες. Οι περιοχές με την πλειονότητα των χειμερινών χορτονομών της Νέας Ζηλανδίας (Canterbury, Otago και Southland) έχουν, κατά μέσο όρο, την υψηλότερη ακρίβεια χαρτογράφησης. Η αυτοματοποιημένη μέθοδος ανάλυσης δορυφορικής εικόνας είναι ένας πρακτικός τρόπος για να ληφθούν χωρικά και χρονικά σαφή δεδομένα σχετικά με τη βλάστηση για τον παράγοντα C σε μοντέλα επιφανειακής διάβρωσης τύπου USLE. Η προσέγγιση αυτή στη χαρτογράφηση είναι ιδιαίτερα σημαντική για χρήσεις γης όπου υπάρχει υψηλή χρονική μεταβλητότητα στη βλάστηση, όπως η δασοκομία παραγωγής και η γεωργική καλλιέργεια.