Χρήση drone για την παρακολούθηση προστατευόμενων περιοχών...
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Χρήση drone για την παρακολούθηση προστατευόμενων περιοχών σε απομακρυσμένα και εύθραυστα οικοσυστήματα
Πρωτότυπος τίτλος: DRONE TECHNOLOGY FOR MONITORING PROTECTED AREAS IN REMOTE AND FRAGILE ENVIRONMENTS
Συγγραφείς: Barbara Bollard, Ashray Doshi, Neil Gilbert, Ceisha Poirot and Len Gillman
Δημοσιεύθηκε: Drones 2022, 6,42.(9 February 2022)
Πηγή: https://cutt.ly/6SvGa3O
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Για τη διαφύλαξη των προστατευόμενων περιοχών, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να προσδιορίζεται με ευκολία εάν οι περιοχές παραμένουν ή όχι ανέπαφες και ότι οι διαχειριστικοί έλεγχοι φέρνουν σε πέρας τους στόχους που προβλέπονται στα σχέδια διαχείρισης. Το βασικό πρόβλημα είναι συχνά η ανεπαρκής χρηματοδότηση για τη διαχείρισή τους. Ως εκ τούτου, πιο αποτελεσματικά εργαλεία παρακολούθησης που μειώνουν κόστος διαχείρισης έχουν τη δυνατότητα να συμβάλουν σημαντικά στην προστασία της φύσης. Το κόστος παρακολούθησης προστατευόμενων περιοχών σε ακραία και απομακρυσμένα περιβάλλοντα είναι ιδιαίτερα σημαντικό. Τεχνολογίες τηλεπισκόπησης χαμηλού ύψους, υψηλής φασματικής και χωρικής ανάλυσης έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν την ακρίβεια της παρακολούθησης μειώνοντας παράλληλα το κόστος. Σε αυτή την εργασία εξετάζεται η χρησιμότητα των πλατφορμών που βασίζονται σε μη επανδρωμένα αεροσκάφη για την δημιουργία χάρτες βλάστησης ακριβείας για παρακολούθηση. Η Ανταρκτική ήπειρος είναι ένα από τα πιο απομακρυσμένα και ακραία περιβάλλοντα στη Γη, και ως εκ τούτου οι περιοχές μελέτης, που βρίσκονται εντός αυτής, είναι μία εξαιρετική ευκαιρία να δοκιμαστεί η χρήση αυτής της τεχνολογίας.
ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΕΣ ΜΕΛΕΤΕΣ
Παρατηρήσεις από το 2017 και το 2019 υποδηλώνουν εκτεταμένο θάνατο των βρύων και το 2019 υπήρχαν ενδείξεις σημαντικών ζημιών λόγω καταπάτησης της βλάστησης. Ωστόσο, χωρίς ακριβείς χάρτες βλάστησης δεν είναι δυνατόν να διακρίνουμε αν η βλάστηση στις περιοχές αυτές είναι υφίσταται βραχυπρόθεσμη διακύμανση ή αν υπάρχουν σοβαρότερες μη αναστρέψιμες απώλειες στην υγεία των οικοσυστημάτων. Η χειροκίνητη επιτήρηση σε τέτοιες απομακρυσμένες τοποθεσίες είναι πολύ χρονοβόρα, παρέχει περιορισμένες λεπτομέρειες και μπορεί να προκαλέσει πρόσθετη ζημιά στο οικοσύστημα. Έρευνες που εκτυλίχθηκαν επί του πεδίου περιείχαν αναλύσεις και παρατηρήσεις σε συγκεκριμένα τεμάχια γης. Ωστόσο, δεν είναι ακόμα δυνατή η σε πλήρη ισχύ εκμετάλλευση αυτών, για άμεση σύγκριση της βλάστησης, επειδή δεν είχαν μόνιμη σήμανση λόγω περιορισμών των ASPA, ή δεν εντοπίστηκαν με ακρίβεια στους χάρτες.
Η παρακολούθηση των προστατευόμενων περιοχών όπου κι αν βρίσκονται, αλλά ιδιαίτερα εκείνων που βρίσκονται σε απομακρυσμένα περιβάλλοντα, θα είναι πάντα περιορισμένη σε έκταση και ανάλυση λόγω του υψηλού κόστους της επίγειας δειγματοληψίας. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη να είναι δυνατή η γρήγορη και ακριβείς έρευνες βλάστησης που έχουν χαμηλό αντίκτυπο, είναι οικονομικά αποδοτικές και μπορούν να επαναληφθούν με μεγάλη ακρίβεια. Η τεχνολογία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών προσφέρει μια πιθανή λύση λόγω της δυνατότητάς της να συλλέγει δεδομένα με ελάχιστη κίνηση και να παρέχει ολοκληρωμένους τρισδιάστατους χάρτες που οριοθετούν με ακρίβεια τη βλάστηση και άλλα σχετικά χαρακτηριστικά. Στην Ανταρκτική, η έρευνα με μη επανδρωμένα αεροσκάφη έχει επικεντρωθεί κυρίως σε τη μελέτη της αναπαραγωγικής συμπεριφοράς των θαλάσσιων θηλαστικών και των πιγκουίνων, και όχι στη συστηματική χαρτογράφηση της βλάστησης, όπως παρουσιάζεται στην παρούσα έρευνα. Οι τοποθεσίες μελέτης αυτής βρίσκονται στην περιοχή της Θάλασσας Ross της Ανταρκτικής και είναι όλες Ανταρκτική.
ΕΠΙΛΟΓΗ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΜΕΛΕΤΗΣ
Δύο ειδικά προστατευόμενες περιοχές (Botany bay, Canada glacier) έχουν οριστεί για την προστασία της αυτοφυούς βλάστησης, ενώ η τρίτη (Cape Evans) έχει οριστεί για την προστασία των ιστορικών αξιών(εικόνα 1). Το Botany Bay ASPA ιδρύθηκε στο Cape Geology στη νοτιοδυτική γωνία του Granite Harbour, στο νότιο τμήμα της Victoria Land. Η περιοχή περιλαμβάνει μια παγετώδη λεκάνη απορροής η οποία κλίνει απότομα προς μια βραχώδη ακτή και είναι εξαιρετικά πλούσια σε είδη για τέτοιου είδους περιοχές. Η περιοχή περιλαμβάνει υψηλή ποικιλότητα και αφθονία λειχήνων, βρυόφυτα και φύκη. Η περιοχή Canada Glacier ASPA βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα του Καναδά. Καλύπτει μια έκταση περίπου 1,5 km2 και ορίστηκε επειδή περιέχει μερικά από τα πιο ποικιλόμορφα βλάστηση (βρυόφυτα και φύκη) στις ξηρές κοιλάδες McMurdo. Η περιοχή έχει χαρακτηριστεί κυρίως για την προστασία των επιστημονικών και οικολογικών αξιών. Περιλαμβάνει επικλινή εδάφη χωρίς πάγο έδαφος με καλοκαιρινές λίμνες και μικρά ρυάκια με λιωμένο νερό που αποστραγγίζονται από τον παγετώνα Canada Glacier προς τη λίμνη Fryxell. Τέλος το Cape Evans βρίσκεται στη δυτική πλευρά του νησιού Ross. ο σημερινό σχέδιο διαχείρισης περιλαμβάνει χάρτες των ιστορικών αντικειμένων, όπως μια σειρά από εξωτερικά αντικείμενα, δύο καταφύγια οργάνων και αρκετές αποθήκες εφοδιασμού. Οι εικόνες από μη επανδρωμένα αεροσκάφη συλλέχθηκαν σε κάθε μία από τις τοποθεσίες κατά τη διάρκεια των περιόδων 2015/2016 και 2017/2018. Συνολικά δαπανήθηκαν τρεις έως επτά ημέρες για τη διεξαγωγή των ερευνών σε κάθε τοποθεσία. Ο αριθμός των ημερών ποικίλλει λόγω της πολυπλοκότητας και του μεγέθους της περιοχής. Η χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών σε διαδρομές πτήσης στην Ανταρκτική για χαρτογράφηση συνάντησε πολλές τεχνικές προκλήσεις, όπως η εγγύτητα με τον μαγνητικό πόλο, το ακραίο ψύχος, ισχυροί άνεμοι και η ανεπαρκής κάλυψη GPS. Προκειμένου να χαρτογραφηθούν αποτελεσματικά περιοχές σε προ-προγραμματισμένα διαδρομές πτήσης, οι τυποποιημένες πλατφόρμες απαιτούσαν ειδικές μηχανικές τροποποιήσεις και τροποποιήσεις λογισμικού. Ξεπεράστηκαν αυτές οι προκλήσεις κατασκευάζοντας κατά παραγγελία τις πλατφόρμες για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια θερμότητας, και προσαρμόζοντας τον αυτόματο πιλότο για πλοήγηση σε σημεία πορείας σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, κάνοντας το τα συστήματα πλοήγησης πιο ανθεκτικά σε βλάβες της πυξίδας. Επιπλέον, οι μπαταρίες ήταν προθερμασμένες σε θερμοκρασία >20 C και μονωμένες με κέλυφος από πολικό μαλλί.
ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥ
Τόσο οι RGB όσο και οι πολυφασματικές εικόνες επεξεργάστηκαν με το Pix4D Mapper™ χρησιμοποιώντας τεχνικές SfM (structure from motion) για τη δημιουργία ψηφιακών μοντέλων επιφάνειας υψηλής ανάλυσης και ορθομωσαϊκών. Οι τελικοί πολυφασματικοί χάρτες ήταν ορθομωσαϊκά πέντε ζωνών με ανάλυση που κυμαινόταν από 3,5 έως 5 cm ανά pixel, ανάλογα με το υψόμετρο πτήσης, και οι χάρτες RGB ήταν ορθομωσαϊκά τριών ζωνών με εύρος με ανάλυση από 0,5 έως 1,0 cm ανά pixel. Το ορθομωσαϊκό RGB στο Cape Evans χρησιμοποιήθηκε χειροκίνητη ψηφιοποίηση, με ακρίβεια κάτω του εκατοστού, των περιπατητικών μονοπατιών, των χαρακτηριστικών πολιτιστικής κληρονομιάς και των ιστορικά κτίρια. Το πολυφασματικό ορθομωσαϊκό από τον κόλπο Botany Bay ταξινομήθηκε στο λογισμικό ESRI, ArcMap 10.7, χρησιμοποιώντας τον δείκτη βλάστησης SAVI (soil-adjusted vegetation index). Η εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε ήταν η εξής: ((NIR - Red)/(NIR + Red + L)) × (1 + L) , όπου "L" είναι μια σταθερή τιμή μεταξύ 0 και 1 που αναφέρεται στην ποσότητα της πράσινης βλάστησης κάλυψη με στόχο την ελαχιστοποίηση της επιρροής των διακυμάνσεων της φωτεινότητας του εδάφους στην εικόνα εισόδου. Στον Canada glacier, υπήρξε έντονη χιονόπτωση στα μισά της περιόδου 2017/2018. Για να αποφευχθεί η εσφαλμένη ταξινόμηση των κηλίδων χιονιού, χρησιμοποιήσαμε έναν τροποποιημένο δείκτη μάσκας χιονιού που υπολογίστηκε στο QGIS με τη χρήση του raster calculator. H εξίσωση ήταν η: ((Green - NIR)/(Green + NIR + L)) × (1 + L), η οποία στη συνέχεια τροποποιήθηκε, μέσω ενός MSAVI (modified SAVI), στην τελική (0.5) × {2 × (NIR + 1) - √ [(2 × NIR + 1)2 - 8 × (NIR-Red)]}. Αφού υπολογίστηκαν οι δείκτες, χρησιμοποιήθηκαν κατώτατα όρια για να ταξινομηθούν τα κελιά σε ομάδες στο ArcMap 10.7. Η ανάλυση του αρχείου raster μετατράπηκε σε μεγέθη κελιών 1 m2 πριν προσδιοριστεί η κάλυψης βλάστησης. Το εργαλείο "create fishnet" στο ArcMap 10.7 χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον υπολογισμό της τελευταίας (εντός ενός πλέγματος 1×1 m) σε όλη την έκταση των υπό μελέτη περιοχών. Το πλέγμα τέμνεται με τους χάρτες SAVI και MSAVI και το ποσοστό κάλυψης για κάθε ταξινομική ομάδα υπολογίστηκε στη συνέχεια. Οι κατηγορίες κάλυψης βλάστησης που χαρτογραφήθηκαν (συνολική βλάστηση στον παγετώνα Canada Glacier και βρυόφυτα, κυανοβακτήρια και λειχήνες στο Botany Bay) ήταν: Πράσινο, 6-20%, κίτρινο, 21-40%, πορτοκαλί, 41-60% και κόκκινο, 61-100%. Οι χάρτες βλάστησης διέφεραν ως προς τον αριθμό κλάσεων βλάστησης που αναφέρθηκαν λόγω των διαφορών στις συνδέσεις βλάστησης. Πραγματοποιήθηκε πρόσθετη αξιολόγηση της ακρίβειας με τη χρήση των σημείων που έχουν εντοπιστεί στο έδαφος που συλλέχθηκαν στο πεδίο. Σημεία επίγειων μετρήσεων για περιοχές με βρυόφυτα, λειχήνες και κυανοβακτήρια εντοπίστηκαν επιτόπου κατά τη διάρκεια της αποστολής.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Οι πτήσεις με drones δημιούργησαν εξαιρετικά λεπτομερείς χάρτες για βρύα, κυανοβακτήρια και λειχήνες στην περιοχή Botany Bay(εικόνα 2). Το μοντέλο ταξινόμησης απεικονίζει με σαφήνεια τις περιοχές βλάστησης σε όλη την προστατευόμενη περιοχή. Η βλάστηση ήταν συγκεντρωμένη γύρω από τα υδατορέματα που προέρχονται από τον μικρό παγετώνα στην κορυφή της ASPA. Η ακρίβεια της συνολικής βλάστησης και βρυόφυτων ήταν πολύ υψηλή (ακρίβεια χρήστη = 0,974 και 0,900 αντίστοιχα, kappa = 0,940, πίνακας 1). Μεγάλο μέρος των λειχήνων και των κυανοβακτηρίων σε αυτή την περιοχή είναι μαύρο ή γκρι και η ανίχνευση αυτών των ομάδων ήταν λιγότερο ακριβής και, στην περίπτωση των λειχήνων, πιθανότατα υπερεκτίμηση της αφθονίας (ακρίβεια χρήστη = 0,350 και 0,776 αντίστοιχα. Οι χάρτες μας για τον κόλπο Botany Bay δείχνουν μικρότερη έκταση κάλυψης και χαμηλότερες πυκνότητες των βλάστησης βρυόφυτων σε σχέση με τους προηγούμενους χάρτες. Δεν είναι σαφές, ωστόσο, αν αυτό οφείλεται σε αλλαγή με την πάροδο του χρόνου ή λόγω της μεγαλύτερης ακρίβειας των χαρτογραφήσεών μας. Στην περιοχή Canada glacier, παρήχθη χάρτης που οριοθέτησε τις περιοχές με πυκνή και αραιή βλάστηση(εικόνα 3). Λόγω των απαιτήσεων του σχεδιασμού διαχείρισης ειδικά για την περιοχή αυτή, δεν χωρίσαμε τη βλάστηση σε υποκατηγορίες. Η ακρίβεια της ταξινόμησης της βλάστησης ήταν και πάλι πολύ υψηλή συνολικής ακρίβειας (0,974). Η βλάστηση ήταν κυρίως συγκεντρωμένη γύρω από τη λίμνη με τα λιμνάζοντα ύδατα και τα υδατορέματα που συνδέονται με τον παγετώνα Canada glacier. Για το Cape Evans(εικόνα 4) δημιουργήθηκαν ορθομωσαϊκά RGB 2D και 3D. Η ανάλυση των εικόνων ήταν μικρότερη του εκατοστού. Εντοπίστηκαν ίχνη στο χιόνι και στα χαλίκια κοντά στην καλύβα και ίχνη ολίσθησης που δημιουργήθηκαν από τις μετακινήσεις μίας φώκιας από την παραλία.
Οι προηγούμενοι χάρτες για αυτές τις περιοχές ήταν χρήσιμοι για τον προσδιορισμό των τιμών των των φασματικών υπογραφών στις τοποθεσίες. Ωστόσο, παρείχαν λίγες πληροφορίες για την ενημέρωση των δράσεων διαχείρισης, και χωρίς κάποια χρησιμότητα για τον εντοπισμό των αλλαγών στην κάλυψη βλάστησης. Οι αναθεωρημένοι χάρτες βλάστησης παρέχουν πολύ υψηλότερα επίπεδα ακρίβειας και ανάλυσης και πολύ μεγαλύτερο βαθμό εμπιστοσύνης στη χωρική κάλυψη της βλάστησης. Η βλάστηση των βρυόφυτων χαρτογραφήθηκε με πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας και επομένως επιτρέπει την παρακολούθηση μικρών αλλαγών στην πυκνότητα και την κάλυψη σε σύντομες χρονικές περιόδους. Η παρακολούθηση των λειχήνων και των κυανοβακτηρίων θα απαιτήσει τροποποιημένες μεθόδους λόγω λόγω της δυσκολίας οριοθέτησης των μαύρων και γκρίζων χρωμάτων από τις σκιές, βράχους και χαλίκια. Για πρώτη φορά, αποδείχθηκε ότι η χρήση της τεχνολογίας των drones παρέχει τα μέσα για την πραγματοποίηση γρήγορων ερευνών σε προστατευόμενες περιοχές με χαμηλό αντίκτυπο, χαμηλό κόστος και εύκολα επαναλήψιμες. Η ανάλυση που επιτύχαμε με τη χρήση μη επανδρωμένων αεροσκαφών (0,5 έως 5 cm) συγκρίνεται με την ανάλυση που είναι διαθέσιμη από δορυφορικές εικόνες (0,5 έως 5m) για τη χαρτογράφηση βλάστησης (όπου η πλευρά των pixel μπορεί να κυμαίνεται από 1 έως 100 cm). Επομένως, οι μέθοδοι έρευνας με drones θα είναι ιδιαίτερα χρήσιμες για μελλοντικές αλλαγές στη βλάστηση και θα έχουν ιδιαίτερη αξία για τους διαχειριστές των οικοσυστημάτων. Η δυνατότητα χαρτογράφησης εξαιρετικά ευαίσθητών περιοχών, όπως τα εύθραυστα στρώματα βρύων στην Ανταρκτική, χωρίς καταπάτηση της προστατευόμενης περιοχής, θα έχει σημαντική χρησιμότητα για τη διατήρηση της φύσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η έκταση και η πυκνότητα της βλάστησης στις προστατευόμενες περιοχές δεν είναι τόσο μεγάλη όσο υποδηλώνουν οι προηγούμενοι χάρτες του σχεδίου διαχείρισης, ιδίως για την περιοχή Botany Bay. Ωστόσο, λόγω της έλλειψης λεπτομέρειας στους προηγούμενους χάρτες, δεν είναι σαφές αν η διαφορά αυτή οφείλεται σε αλλαγή της έκτασης και της πυκνότητας της βλάστησης ή απλά λόγω της έλλειψης ακρίβειας που ήταν εμφανής στις προηγούμενες χαρτογραφήσεις ή αποτέλεσμα της κλιματικής αλλαγής. Καλό θα ήταν λοιπόν οι διαχειριστές διατήρησης και βιωσιμότητας ευαίσθητων (και όχι μόνο) περιοχών να επωφεληθούν από αυτές τις νέες τεχνολογικές μεθόδους, συμπεριλαμβάνοντας τακτικές έρευνες με drone. Αυτό θα οδηγήσει σε ακριβέστερη χαρτογράφηση των περιοχών και θα παρέχει τα δεδομένα για την παρακολούθηση των αλλαγών τόσο σε βραχυπρόθεσμο όσο και σε μακροπρόθεσμο χρονικό διάστημα.
