Χαρτογράφηση σε μεγάλη κλίμακα της κατανομής της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης χρησιμοποιώντας την τηλεπισκόπηση
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση σε μεγάλη κλίμακα της κατανομής της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης χρησιμοποιώντας την τηλεπισκόπηση
Πρωτότυπος τίτλος : Mapping large-scale distribution of submerged aquatic vegetation coverage using remote sensing
Συγγραφείς : Lin Yuan, Li-Quan Zhang
Πηγή : Science Direct
Στην παρούσα μελέτη ερευνάται το ενδεχόμενο χρησιμοποίησης της τηλεπισκόπησης για χαρτογράφηση και παρακολούθηση της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκαν οι φασματικές αποκρίσεις των βασικών ειδών που αποτελούν την βυθισμένη υδρόβια βλάστηση σε μια τεχνητή λίμνη στην Σανγκάη.
1. Εισαγωγή
Ο ευτροφισμός των λιμνών είναι ένα από τα πιο σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα που ενδέχεται να επηρεάσουν την κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη της Κίνας. Νέα μέθοδοι για την οικολογική αποκατάσταση των υποβαθμισμένων υδάτινων οικοσυστημάτων αναπτύσσονται ραγδαία και η αποκατάσταση της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης αναγνωρίζεται ως ένα βασικό μέτρο για την αποκατάσταση του ευτροφισμού των λιμνών. Η χαρτογράφηση της αφθονίας και της κατανομής της υδρόβιας βιομάζας είναι απαραίτητη για την διαχείριση της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης, είναι όμως μια πολύ υψηλής έντασης και χρονοβόρα εργασία λόγω των περιορισμών που εισάγονται από τις συνθήκες του υδάτινου περιβάλλοντος. Για τον λόγο αυτό η τηλεπισκόπηση εξελίσσεται σε ένα χρήσιμο εργαλείο για την περιγραφή και ταξινόμηση της βλάστησης σε μεγάλη κλίμακα. Οι μελέτες που προηγήθηκαν προς αυτή την κατεύθυνση έδειξαν ότι για την ερμηνεία των τηλεπισκοπικών εικόνων είναι πολύ σημαντική η κατανόηση της σχέσης μεταξύ της υδρόβιας βλάστησης και των φασματικών χαρακτηριστικών αυτής.
2.Μεθοδολογία
2.1 Περιοχές μελέτης - Έρευνες πεδίου και φασματική συλλογή των δεδομένων
Η περιοχή μελέτης είναι μια τεχνητή λίμνη έκτασης 6 στρεμμάτων, η οποία βρίσκεται στο International Wetland Park, στο νησί Chongming της Κίνας. Το βάθος της λίμνης είναι περίπου από 1 ως 3 μέτρα, ενώ η συγκέντρωση χλωροφύλλης και αιωρούμενων υλικών στο νερό υπολογίστηκαν σε 20.1μg/l και 28.4mg/l αντίστοιχα κατά την διάρκεια των μετρήσεων πεδίου. Εκατό δειγματοληπτικά σημεία με μ διαφορετικό βαθμό κάλυψης από βυθισμένη υδρόβια βλάστηση συγκεντρώθηκαν για την λίμνη και η θέση κάθε σημείου καταγράφηκε μέσω συστήματος GPS. Για κάθε σημείο συλλέχθηκε ένα ζεύγος μετρήσεων αναφορικά με τον βαθμό κάλυψης από υδρόβια βλάστηση και την αντίστοιχη φασματική ανακλαστικότητα. Ο βαθμός κάλυψης των σημείων με υδρόβια βλάστηση βαθμολογήθηκε από το 0 ως το 10. Οι φασματικές μετρήσεις, είκοσι(20) για κάθε δειγματοληπτικό σημείο, έγιναν με την χρήση ενός FieldSpec Pro JR Field Portable Spectroradiometer της εταιρίας ASD Inc. Η συλλογή δεδομένων έγινε στην περιοχή 350nm-2500nm με βήμα δειγματοληψίας 1,4nm στα 350-100nm και 2nm στα 1000-2500nm.
2.2 Επεξεργασία φασματικών δεδομένων
Τα φασματικά δεδομένα μεταφράστηκαν σε ανακλαστικότητα με το λογισμικό Viewspec Pro 4.02 της ASD Inc. Στην συνέχεια υπολογίστηκε ο μέσος όρος των τιμών ανακλαστικότητας για κάθε δειγματοληπτικό σημείο και επεξεργάστηκαν κατάλληλα προκειμένου να αναπαραστήσουν τα τέσσερα κανάλια του QuickBird(μπλε : 450nm-520nm, κόκκινο : 520nm-600nm, πράσινο : 630nm-690nm, εγγύς υπέρυθρο : 760nm-900nm). Τέλος, η ποσοτική σχέση μεταξύ του βαθμού κάλυψης της βλάστησης και της φασματικής ανακλαστικότητας της πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τα πακέτα SPSS11.0 και OriginLab 7.5.
2.3 Επεξεργασία τηλεπισκοπικής εικόνας
Μια δορυφορική εικόνα του δορυφορικού συστήματος Quickbird για την περιοχή μελέτης αποκτήθηκε. Στην εικόνα πραγματοποιήθηκαν γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις και στην συνέχεια μετατράπηκαν οι ψηφιακές τιμές που καταγράφονται από τον αισθητήρα σε τιμές ανακλαστικότητας. Η ανακλαστικότητα του εδάφους (από την εικόνα) ανάγεται σε βαθμό κάλυψης από βυθισμένη υδρόβια βλάστηση - χρησιμοποιώντας την συνάρτηση παλινδρόμησης ανάμεσα σε βαθμό κάλυψης και ανακλαστικότητα που αναφέραμε και παραπάνω αλλά και σε επιτόπιες μετρήσεις ανακλαστικότητας – στα τέσσερα κανάλια του δορυφόρου QuickBird. Επίσης, με βάση τον μεγαλύτερο συντελεστή παλινδρόμησης ανάμεσα στα 4 κανάλια του δορυφόρου, ένας χάρτης κατανομής του βαθμού κάλυψης της βυθμισμένης υδρόβιας βλάστησης για την περιοχή μελέτης παρήχθει με επιβλεπόμενη ταξινόμηση.
2.4 Εκτίμηση ακρίβειας
Ανάμεσα στα 100 δειγματοληπτικά σημεία στα οποία μετρήθηκε επί τόπου η φασματική ανακλαστικότητα της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης, τα 86 χρησιμοποιήθηκαν για εκτίμηση της ακρίβειας, καθώς τα υπόλοιπα 14 καλύπτονταν από σύννεφα. Η εκτίμηση βασίστηκε στην σύγκριση των κατηγοριών (class label) της δορυφορικής εικόνας με εδαφικά δεδομένα για ένα σετ συγκεκριμένων τοποθεσιών, και πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό ArcGis.
3.Αποτελέσματα - Συμπεράσματα
Όσον αφορά τα φασματικά χαρακτηριστικά της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης της λίμνης, παρατηρήθηκε ότι η φασματική καμπύλη ανακλαστικότητας που σχηματίζεται αποτελεί μια τυπική καμπύλη ανακλαστικότητας για την βλάστηση, με μια μικρή κορυφή περίπου στα 550nm και μεγάλη ανακλαστικότητα στα 700nm(εγγύς υπέρυθρο). Στο διάγραμμα της εικόνας 2 μπορούμε να δούμε ότι η ανακλαστικότητα μειώνεται ομαλά σε σχέση με τον βαθμό κάλυψης από υδρόβια βλάστηση, ειδικά στο υπέρυθρο φάσμα.
Υπολογίστηκε επίσης ένα συντελεστής συσχέτισης προκειμένου να κατανοήσουμε την ισχυρή συσχέτιση μεταξύ βαθμού κάλυψης υδρόβιας βλάστησης και ανακλαστικότητας. Αποδείχθηκε ότι υπάρχει μια πολύ μεγάλη συσχέτιση όταν το μήκος κύματος κυμαίνεται από 400nm – 900nm και ιδιαίτερα στα διαστήματα 400-650nm και 680-900nm.Δηλαδή όσο μεγαλύτερη η κάλυψη από υδρόβια βλάστηση τόσο μεγαλύτερη και η ανακλαστικότητα σε αυτά τα μήκη κύματος. Πραγματοποιήθηκε επίσης μια ανάλυση παλινδρόμησης μεταξύ των διαφόρων βαθμών κάλυψης της υδρόβιας βλάστησης και της ανακλαστικότητας αυτής για τα 4 κανάλια του δορυφόρου Quickbird, και τα αποτελέσματα αυτής(παρουσιάζονται γραφικά στην εικόνα 3) έδειξαν ότι ο συντελεστής παλινδρόμησης στο κανάλι 4 ήταν ο μεγαλύτερος. Ο χάρτης κατανομής της υδρόβιας βλάστησης(εικόνα 4) που δημιουργήθηκε με βάση τον μεγαλύτερο συντελεστή παλινδρόμησης των 4 καναλιών του QuickBird , δείχνει ότι ο βαθμός κάλυψης της βυθισμένης υδρόβιας βλάστησης κυμαίνεται μεταξύ των βαθμών 7-10 στην κλίμακα κάλυψης.
Το ποσοστό ακρίβειας της μεθόδου, όπως αυτή υπολογίστηκε διαιρώντας το άθροισμα των σωστά προβλεφθέντων pixel με το σύνολο των δειγμάτων κυμαίνεται στο 78,79%, δείχνοντας ότι η κατανομή της βυθισμένης υδρόβια βλάστησης μπορεί να συναχθεί από τα τηλεσκοπικά δεδομένα, σε συνδυασμό με την συσχέτιση του βαθμού κάλυψης και της ανακλαστικότητας που μετράται επί τόπου.
