Χαρτογράφηση της αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα σε δέντρα αστικών περιοχών με χρήση δεδομενων τηλεπισκόπησης, Βοστώνη
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Steve M. Raciti, Lucy R. Hutyra, Jared D. Newell
Πηγή: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969714012492
Αντικείμενο εφαρμογής
Οι χάρτες υψηλής ανάλυσης της αστικής βλάστησης και της βιομάζας αποτελούν ισχυρά εργαλεία για αυτούς που είναι υπεύθυνοι για την πολιτική χάραξης και επιδιώκουν να μειώσουν τα ποσοστά των αστικών ομβρίων, να μετριάσουν τις αστικές επιδράσεις της θερμικής νησίδας και να ελαττώσουν τις περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις, που προκαλούνται λόγω των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Οι επιστήμονες που διεξάγουν την παρούσα έρευνα έχουν αναπτύξει έναν χάρτη υψηλής ανάλυσης για τη βιομάζα των αστικών δένδρων, αξιολογώντας, με τον υπολογισμό της βιομάζας, το βαθμό ευαισθησίας, συγκρίνοντας παράλληλα τα αποτελέσματα τους με υπολογισμούς χαμηλότερης ανάλυσης και διερευνώντας τις δημογραφικές σχέσεις στην κατανομή της βιομάζας σε όλη την πόλη της Βοστόνης. Για την διεξαγωγή αυτής της έρευνας, έχουν χρησιμοποιηθεί δορυφορικά δεδομένα για την παρακολούθηση της αποψίλωσης των δασών, δορυφορικές εικόνες τύπου Landsat TM, από τις Συρακούσες και τη Νέα Υόρκη για τη μέτρηση του ποσοστού του διοξειδίου του άνθρακα που αποθηκεύεται υπέργεια από τα δέντρα των πόλεων , χάρτης βιοσυστημάτων αλλά και χαρακτηριστικά εκχυλίσματα βλάστησης.
Στόχος εφαρμογής
Οι χωρικά λεπτομερείς χάρτες της αστικής βλάστησης αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο τόσο για τη διαχείριση των αστικών δασών όσο και για τη μοντελοποίηση των βιογενών δυναμικών του άνθρακα και των υπηρεσιών του οικοσυστήματος, στα πλαίσια των αστικών συστημάτων. Στόχος της παρούσας έρευνας είναι να διευκρινιστεί ο τρόπος με τον οποίο τα πολύ υψηλής ανάλυσης τηλεπισκοπικά δεδομένα μπορούν να βοηθήσουν στη βελτίωση της χαρτογράφησης των εκτάσεων που καλύπτονται από δέντρα, ο τρόπος αξιοποίησης των μετρήσεων που αφορούν τα ύψη των δέντρων, για τον υπολογισμό της βιομάζας αυτών, μέσω της χρήσης της βάσης δεδομένων LIDAR, το πώς η χωρική κλίμακα των δεδομένων τηλεπισκόπισης επηρεάζει την ικανότητα των ερευνητών να επιλύουν την αστική βιομάζα και τέλος το πώς τα πρότυπα της βιομάζας στην πόλη της Βοστόνης παρουσιάζουν πολύ διαφορετικά δημογραφικά χαρακτηριστικά από γειτονιά σε γειτονιά.
Είδη δορυφόρων δεκτών – Ψηφιακές επεξεργασίες και αλγόριθμοι
Για την παρούσα έρευνα έχουν ληφθεί εικόνες πολύ υψηλής ανάλυσης, από τους δορυφόρους IKONOS και QuickBird, οι οποίοι έχουν χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση της αστικής βλάστησης σε πολλές πόλεις ανά τον κόσμο, όπως είναι μεταξύ άλλων το Χονγκ Κονγκ, το Βανκάουβερ, η Κουάλα Λουμπούρ και το Λος Άντζελες. Κάποιες από τις πιο πρόσφατες δουλειές μάλιστα, έχουν ενσωματώσει δεδομένα LiDAR για να βελτιώσουν περεταίρω την ακρίβεια της ταξινόμησης. Τμηματοποίηση και αντικειμενοστραφείς προσεγγίσεις έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση ειδών στο αστικό κουβούκλιο. Κάποιοι ερευνητές χρησιμοποίησαν ψηφιακές αεροφωτογραφίες με αληθινό χρώμα και μια αντικειμενοστρεφούς ανάλυσης , για την ταξινόμηση της αστικής βλάστησης στο Φοίνιξ της Αριζόνας. Παρά το γεγονός ότι οι ερευνητές αυτοί είχαν στη διάθεση τους μόνο 3 φασματικές ζώνες, ήταν ακόμη σε θέση να χαρτογραφήσουν την αστική βλάστηση με ακρίβεια 81% και να διαχωρίσουν τα είδη με μέτρια επιτυχία. Με εξαίρεση τις κάποιες μελέτες, πολλές από αυτές έχουν χρησιμοποιήσει την τηλεπισκόπιση για τον υπολογισμό της βιομάζας στα αστικά περιβάλλοντα. Τα δεδομένα LiDAR, τα οποία αφορούν το ύψος των δένδρων, έχουν χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της βιομάζας σε δασικές περιοχές, αλλά δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την μοντελοποίηση της βιομάζας των δένδρων, που βρίσκονται σε αστικές περιοχές, παρά μόνο για την αναγνώριση των τύπων ευρείας βλάστησης.
Δεδομένα και Μεθοδολογία
Πηγές δεδομένων: Δυο QuickBird εικόνες, ελήφθησαν τον Ιούλιο του 2006 και τον Αύγουστο του 2007 και ανακτήθηκαν από το DigitalGlobe Inc. Οι δυο αυτές εικόνες μαζί καλύπτουν μια περιοχή 350 km2 περίπου, μέσα στην οποία συμπεριλαμβάνονται όλη η πόλη της Βοστόνης και μέρη του Somerville, του Cambridge, του Τσέλσι, του Everett, του Μπρούκλιν, του Newton, του Arlington και της Watertown. Όσον αφορά τα δεδομένα LiDAR ελήφθησαν από το Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών της Μασαχουσέτης , παραδόθηκαν σαν τρία γεωχωρικά επίπεδα και βασίζονται σε ένα μικρό αποτύπωμα (1μ.) διακριτών στοιχείων επιστροφής. Τα δεδομένα χρήσεων γης και κάλυψης γης αποκτήθηκαν από το επίπεδο δεδομένων κάλυψης γης της Μασαχουσέτης (2005), μερικοί υπολογισμοί δευτερεύουσας σημασίας δόθηκαν από την Εθνική Βάση δεδομένων κάλυψης γης (2006), ενώ τα δημογραφικά δεδομένα, σε επίπεδο γειτονιάς, τα οποία στηρίζονται στο εισόδημα, στη φυλή, στην εκπαίδευση, στην στέγαση κτλ. βασίστηκαν στα στοιχεία της Απογραφής των ΗΠΑ του έτους 2010.
Αναγνώριση της αστικής βλάστησης χρησιμοποιώντας πολλαπλές πηγές δεδομένων τηλεανίχνευσης: Το πρώτο βήμα για τη χαρτογράφηση της Βοστόνης, περιελάμβανε τον υπολογισμό του δείκτη (NDVI), ο οποίος αποτελεί ένα μέτρο που σχετίζεται έντονα με την κάλυψη της βλάστησης. Όλα τα pixel με NDVI μεγαλύτερο από 0.1 θεωρείτο ότι έχουν σημαντικές ποσότητες βλάστησης και συμπεριλαμβάνονταν στην ανάλυση, ενώ τα pixel με NDVI μικρότερο του 0.1, αποκλείονταν από τη μετέπειτα ανάλυση.
Κατάτμηση των αστικών δένδρων σε μεμονωμένες κορυφές δένδρων: Για την κατάτμηση μιας περιοχής χρησιμοποιήθηκαν οι αλγόριθμοι τμηματοποίησης Definiens, οι οποίοι ευθυγραμμίζουν τις κορυφές των δένδρων μιας αναπτυσσόμενης περιοχής, στην οποία τα εικονοστοιχεία επιλέγονται από την εικόνα, συγχωνεύονται με γειτονικά pixel παρόμοιων χαρακτηριστικών και στη συνέχεια ενοποιούνται σε «αντικείμενα εικόνας» βάσει τις τιμές pixel, την υφή, το σχήμα και τις μετρήσεις του αντικειμένου. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκε μια πολυεπίπεδη, ιεραρχική προσέγγιση κατάτμησης, στην οποία το αρχικό ύψος της βλάστησης κατανεμήθηκε σε όλο και μικρότερα τμήματα με βάση τις LiDAR NDSM μετρήσεις ύψους. Τέλος, βάσει μιας άλλου είδους κατάτμησης χωρίστηκε το θεματικό επίπεδο του ύψους της βλάστησης σε αντικείμενα εικόνας, οριοθετώντας κηλίδες δασοκάλυψης συμπεριλαμβανομένων μεμονωμένων δένδρων, που βρίσκονται στους δρόμους, συστάδες δένδρων και ολόκληρα δάση.
Ανάπτυξη ενός μοντέλου βιομάζας αστικού δένδρου βάσει του ύψους: Για τον υπολογισμό της βιομάζας ολόκληρης πόλης, εφαρμόστηκαν στη βάση δεδομένων, η οποία αφορά τα δένδρα που βρίσκονται στους δρόμους της Βοστόνης, εξισώσεις αλλομετρικής βιομάζας, βάση των οποίων είναι η διάμετρος, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν σε συνδυασμό με τις τμηματικές κορυφές των δένδρων και τις μετρήσεις LiDAR. Ένα δείγμα από 404 διαιρεμένα δέντρα, χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη και επικύρωση του μοντέλου της βιομάζας, εκ των οποίων τα 284 χρησιμοποιήθηκαν για μοντέλο παραμετροποίησης και 120 για σκοπούς επικύρωσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι το πρώτο μοντέλο χρησιμοποίησε τη σχέση ανάμεσα στον όγκο των αντικειμένων και τη βιομάζα, για να υπολογίσει τη βιομάζα των επιμέρους τμημάτων των δασικών εκτάσεων, αλλά αυτή η μέθοδος αποδείχθηκε προβληματική.
Το πεδίο επικύρωσης του μοντέλου βιομάζας: Οι μετρήσεις από τις διαμέτρους των δένδρων και οι εκτιμήσεις της ‘αλλομετρικής’ βιομάζας χρησιμοποιήθηκαν για μοντέλο παραμετροποίησης και επικύρωσης. Το πεδίο μετρήσεων προέκυψε από δύο πηγές: α) 120 δέντρα δρόμων, από την καταγραφή δένδρων ολόκληρης πόλης και β) 73 τυχαία τοποθετημένα αγροτεμάχια διαφόρων μεγεθών που απλώνονται σε ολόκληρη την πόλη.
Βιομάζα, δημογραφικά χαρακτηριστικά, και δείκτης προτεραιότητας φύτευσης: Διερευνήθηκαν οι σχέσεις ανάμεσα στους υπολογισμούς των ερευνητών για τα γειτονικά επίπεδα βιομάζας και στα δημογραφικά δεδομένα της απογραφής των ΗΠΑ (2010), χρησιμοποιώντας γραμμική παλινδρόμηση με κατάλληλες δοκιμές για ομαλότητα και ομοσκεδαστικότητα. Εξετάστηκαν επίσης οι συσχετίσεις παλινδρόμησης ανάμεσα στα δημογραφικά χαρακτηριστικά και στο δείκτη προτεραιότητας φύτευσης, το οποίο είναι ένα εργαλείο που αναπτύχθηκε για να καθορίσει τους τομείς προτεραιότητας για το δέντρο φύτευσης το οποίο θα παρέχει το μεγαλύτερο κοινωνικό όφελος.
Σύγκριση με μικρότερης ανάλυσης χαρτογραφημένα προϊόντα βιομάζας: Έγινε σύγκριση του χάρτη βιομάζας της πόλης της Βοστόνης με δύο χαμηλότερης ανάλυσης χάρτες βιομάζας, εθνικής εμβέλειας, τον NBCD 2000 και τον USDA FS. Ο στόχος αυτών των συγκρίσεων ήταν: α) να καθορίσουν πως οι χάρτες βασίζονται σε παραδοσιακές δασικές απογραφές σε σύγκριση με ένα προϊόν αστικής βάσης, β) να εξετάσουν πως η κλίμακα των υποκείμενων δεδομένων τηλεπισκόπισης επηρεάζει τις εκτιμήσεις της βιομάζας αστικού δάσους και γ) να ερευνήσουν την επίδραση της χρήσης μιας διακριτής χρήσης γης και κάλυψης γης βάσει του υπολογισμού της βιομάζας.
Συμπεράσματα
Υπολογίσθηκε ότι η μέση κάλυψη από τα φυλλώματα των δένδρων, για την πόλη της Βοστόνης είναι 25.5 ± 1.5% και η αποθήκευση άνθρακα 355Gg. Η βιομάζα των δέντρων ήταν αρκετά υψηλή στα δάση, ενώ στις κατοικημένες και αναπτυσσόμενες περιοχές ήταν μικρότερη και από το 1/3 αυτής των δασών. Το αντίστροφο ισχύει για τα αποθέματα του άνθρακα, όπου στις μεν κατοικημένες και αναπτυσσόμενες περιοχές η γη εμπεριείχε μεγάλες ποσότητες αυτού. Σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες, δεν βρέθηκαν ενδιαφέρουσες συσχετίσεις ανάμεσα στη βιομάζα των δένδρων και τα δημογραφικά χαρακτηριστικά των συνοικιών της Βοστόνης. Η αναλογία των ενοικιαζόμενων νοικοκυριών ήταν αρνητικά συσχετισμένη με τη βιομάζα των αστικών δένδρων, ενώ συσχετίζεται με τον δείκτη προτεραιότητας φύτευσης, πιθανώς αντανακλώντας τις διαφορές στη διαχείριση της γης μεταξύ των ενοικιαζόμενων και ιδιοκατοικούμενων κατοικιών. Στη σύγκριση των χαρτών βιομάζας υψηλής ανάλυσης με χαμηλότερης ανάλυσης προϊόντα από άλλες πηγές, διαπιστώθηκε ότι τα προϊόντα αυτά υποτίμησαν συστηματικά τη βιομάζα μέσα στα πλαίσια των αστικών περιοχών. Τέλος, σε γενικές γραμμές η έρευνα αυτή διευκρινίζει ότι: α) οι αστικές περιοχές περιέχουν ικανοποιητικά αποθέματα άνθρακα, β) η δασοκάλυψη και η βιομάζα μπορεί να μην σχετίζονται με τα δημογραφικά χαρακτηριστικά των συνοικιών της Βοστόνης και γ) οι πρόσφατες εξελίξεις σε υψηλή ανάλυση τηλεπισκόπιση έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει το χαρακτηρισμό και τη διαχείριση της αστικής βλάστησης.
