Χρονική ανάλυση της αποθήκευσης άνθρακα από αστικό δάσος, με τη χρήση τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
A temporal analysis of urban forest carbon storage using remote sensing
Χρονική ανάλυση της αποθήκευσης άνθρακα από αστικό δάσος, με τη χρήση τηλεπισκόπισης
Συγγραφείς:Soojeong Myeong, David J. Nowak, Michael J. Duggin
Πηγή:Remote Sensing of Environment, 2006
Σκοπός
Βασικός σκοπός του παρόντος άρθρου είναι να αναπτύξει γρήγορες και οικονομικές μεθόδους για την ποσοτικοποίηση της επίγειας αποθήκευσης άνθρακα από τα δέντρα στις πόλεις, χρησιμοποιώντας εικόνες από τον Landsat TM, ως εναλλακτική λύση στις πιο πολύπλοκες, ακριβές και περιοριστικές επίγειες/ φωτογραμμετρικές μεθόδους. Ένας δεύτερος σκοπός είναι να εξετάσει την αποτελεσματικότητα μιας τροποποιημένης μεθόδου PIF (pseudoinvariant features) στην εξομάλυνση διαχρονικών εικόνων. Ένας τρίτος στόχος είναι να ανιχνεύσει τη μεταβολή της αποθήκευσης άνθρακα από τα δέντρα σε μία αστική περιοχή διαχρονικά.
Δεδομένα και μέθοδοι
Η περιοχή μελέτης είναι η Syracuse, στη Νέα Υόρκη των ΗΠΑ. Χρησιμοποιήθηκαν Landsat εικόνες από τρεις διαφορετικές ημερομηνίες: 27 Ιουνίου 1985, 16 Ιουλίου 1992 και 3 Ιουλίου 1999. Οι εικόνες του 1985 και του 1992 αποκτήθηκαν από τον Landsat 5 TM με ανάλυση 25m x 25m, ενώ η εικόνα του 1999 αποκτήθηκε από τον Landsat 7 ETM+, με ανάλυση 30m x 30m.
Αρχικά οι ψηφιακοί αριθμοί (DNs) μετατράπηκαν σε τιμές ανακλαστικότητας (Huang, 2000), για τα κανάλια 3 και 4 του Landsat ETM+, λόγω των διαφορών που παρατηρούνται διαχρονικά στη βαθμονόμηση του δέκτη και σε περιβαλλοντικούς παράγοντες. Στη συνέχεια, η εικόνα του 1999 λήφθηκε ως δείγμα εκ νέου με ανάλυση 25m x 25m και όλες οι εικόνες προσαρμόστηκαν στα συστήματα συντεταγμένων UTM, στη ζώνη 18 πριν καταχωρηθούν. Οι εικόνες TM, του 1992 και του 1985, καταχωρήθηκαν στην εικόνα ETM+ του 1999.
Η διεξαγωγή ποσοτικών ερευνών με μη διορθωμένα ραδιομετρικά δεδομένα διαφορετικών ημερομηνιών παρουσιάζει μεγάλη δυσκολία. Επομένως, είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί ραδιομετρική διόρθωση. Όμως λόγω έλλειψης συνυπαρχόντων στοιχείων για διαφορετικές ημερομηνίες, εφαρμόστηκε η μέθοδος PIF (Schott, 1988). Η μέθοδος PIF περιλαμβάνει την ανάλυση χαρακτηριστικών, όπως οι δρόμοι, οι στέγες, οι χώροι στάθμευσης, όπου τα χαρακτηριστικά ανακλαστικότητας παραμένουν αμετάβλητα με την πάροδο του χρόνου. Στη μελέτη αυτή, η αρχική μέθοδος PIF τροποποιήθηκε, καθώς τα αμετάβλητα χαρακτηριστικά (π.χ., δρόμος, στέγες, λατομεία και βαθιά νερά) που συνδυάστηκαν στις διαχρονικές εικόνες, επιλέχτηκαν χειροκίνητα. Αυτή η τροποποίηση προσφέρει στατιστική συνέπεια, ενώ κάποιες περιοχές όπου υπήρχαν σύννεφα, αποφεύχθηκαν. Στη συνέχεια έγινε εξομάλυνση των δεδομένων και υπολογίστηκε το Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (Root Mean Square Error – RMSE) πριν και μετά την εξομάλυνση, για να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητά της.
Μετά τη ραδιομετρική διόρθωση, εφαρμόστηκε ένα layer NDVI και για τις τρεις εικόνες. Για την ποσοτικοποίηση της αποθήκευσης άνθρακα από τα δέντρα των εικόνων της αστικής περιοχής, αναπτύχθηκε μια συνάρτηση παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας το δείκτη NDVI ως ανεξάρτητη μεταβλητή και την αποθήκευση άνθρακα (kg C/pixel) ως εξαρτημένη μεταβλητή. Τα δεδομένα εξήχθηκαν από 190 γραφήματα, μετά από στρωματοποιημένη τυχαία δειγματοληψία, βασισμένη στον τύπο χρήσης γης.
Σε αυτήν την έρευνα χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Urban Forest Effects (UFORE), που προσδιορίζει την αποθήκευση άνθρακα για κάθε γράφημα, χρησιμοποιώντας δεδομένα από την περιοχή, όπως είδη δέντρων, διάμετρος και ύψος δέντρου (Nowak & Dwyer, 2000). Οι τιμές άνθρακα εξομαλύνθηκαν σε kg C/pixel και καταχωρήθηκαν σε κάθε pixel. H εξέταση διαφόρων, γραμμικών και μη, συναρτήσεων έδειξε ότι η μη γραμμική συνάρτηση παλινδρόμησης (1) έδωσε την καλύτερη εκτιμήτρια για την αποθήκευση άνθρακα:
Carbon = ae(NDVIb) (1)
Η συνολική αποθήκευση άνθρακα υπολογίστηκε μέσω του αθροίσματος των τιμών αποθήκευσης άνθρακα για όλα τα pixels. Οι εκτιμήσεις για το 1999 συγκρίθηκαν με τις εκτιμήσεις του μοντέλου που προέκυψε από την έρευνα πεδίου στην εν λόγω περιοχή. Μετά την εφαρμογή της εξ. (1) στις ομαλοποιημένες εικόνες, συγκρίθηκαν οι τιμές συνολικής αποθήκευσης άνθρακα για το 1982 και το 1999, ώστε να ανιχνευθούν τυχόν αλλαγές στην πάροδο του χρόνου.
Αποτελέσματα
Το γράφημα του αποθηκευμένου άνθρακα ως προς τον NDVI (για 190 plots) φαίνεται στο Διάγραμμα 1. Η τελική συνάρτηση παλινδρόμησης είναι η εξής:
Carbon = 107,2e(NDVI0,0194) (2)
Το r2 είναι ίσο με 0,67.
Τα στατιστικά στοιχεία για τις τρεις χρονολογίες που εξετάζονται, διαφέρουν μεταξύ τους πριν την εξομάλυνση. Μετά την εξομάλυνση το RMSE κάθε καναλιού παρατηρήθηκε ότι μειώθηκε. Έτσι, η εξομάλυνση μείωσε τα προβλήματα που σχετίζονται με εικόνες από διαφορετικές ημερομηνίες και επέτρεψε μία πιο εύλογη σύγκριση των αλλαγών ανά τα χρόνια (εικ.1).
Από την εξ. (2), η έρευνα που εκπονήθηκε κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το συνολικό ποσό αποθήκευσης άνθρακα για το 1999 είναι 148.659 τόνοι. Οι Nowak και λοιποί (2001) υπολόγισαν μετά από επίγεια έρευνα πως το εν λόγω ποσό ανέρχεται σε 148.334 τόνους. Επομένως, η εξίσωση για το 1999 επικυρώνεται. Η εφαρμογή της στις εικόνες του παρελθόντος αποκάλυψε κάποιες σημαντικές διαφορές στις εκτιμήσεις αποθήκευσης άνθρακα πριν και μετά την κανονικοποίηση. Σύμφωνα με τα ομαλοποιημένα δεδομένα, η αποθήκευση άνθρακα στη Syracuse αυξήθηκε κατά 1,79% από το 1985 έως το 1992, αλλά μειώθηκε κατά 0,52% από το 1992 έως το 1999.
Συμπεράσματα
Η μελέτη έδειξε ότι η εν λόγω περιοχή είναι σχετικά σταθερή σε αποθήκευση άνθρακα από το αστικό δάσος, κάτι που δικαιολογείται από το γεγονός ότι δεν υπέστη έντονη αστικοποίηση. Παρόλα αυτά, είναι απαραίτητη η εφαρμογή αυτής της προσέγγισης σε άλλες αστικές περιοχές με διαφορετικά πρότυπα αλλαγών χρήσης/ κάλυψης γης και διαφορετικές κατανομές διαμέτρου των δέντρων.
Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι μέσω της ανάλυσης εικόνας μπορούν να παραχθούν εκτιμήσεις της αποθήκευσης άνθρακα από τα δέντρα των αστικών περιοχών αρκετά καλά και πως η διαδικασία εξομάλυνσης της εικόνας αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για την ανίχνευση αλλαγών με την πάροδο του χρόνου. Εάν η μελέτη αυτή μπορεί να επεκταθεί γεωγραφικά, θα ήταν δυνατή μια οικονομικότερη και πιο έγκαιρη εκτίμηση των πηγών βιομάζας και κατ’ επέκταση, θα ήταν δυνατή μια πιο βελτιωμένη διαχείριση του περιβάλλοντος.
