3D-LiDAR χαρτογράφηση οικοσυστήματος και εξελίξεις στη μελέτη της οικολογίας της άγριας πανίδας

Από RemoteSensing Wiki

3D-LiDAR χαρτογράφηση οικοσυστήματος και εξελίξεις στη μελέτη της οικολογίας της άγριας πανίδας

Πρωτότυπος τίτλος: Advances in animal ecology from 3D-LiDAR ecosystem mapping

Πίνακας 1α. Δημοσιευμένες εργασίες που βασίζονται σε δεδομένα LiDAR για την τρισδιάστατη δομή της βλάστησης και της τοπογραφίας ώστε να μελετήσουν την οικολογία των ζώων.

Συγγραφείς: Andrew B. Davies & Gregory P. Asner

Δημοσιεύθηκε: Trends in Ecology & Evolution 29(12), Οκτώβριος 2014, doi: 10.1016/j.tree.2014.10.005

Πίνακας 1β. Δημοσιευμένες εργασίες που βασίζονται σε δεδομένα LiDAR για την τρισδιάστατη δομή της βλάστησης και της τοπογραφίας ώστε να μελετήσουν την οικολογία των ζώων.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Εικόνα 1. Παράδειγμα καταγραφής δεδομένων LiDAR (Light Detection and Ranging) από αεροπλάνο, τα οποία συλλέχθηκαν στην πεδιάδα της Αμαζονίας από το Carnegie Airborne Observatory. Οι παλμοί laser εκπέμπονται και επιστρέφουν σε αισθητήρα LiDAR επί του αεροσκάφους, σαρώνοντας από πλευρά σε πλευρά την περιοχή καθώς το αεροπλάνο κινείται προς τα εμπρός στον αέρα, και δημιουργείται έτσι μια δυσδιάστατη χωρική κάλυψη. Κάθε ακτίνα laser στο εγγύς υπέρυθρο μήκος κύματος, διαπερνά την κόμη των δέντρων και επιστρέφει την φωτεινή ακτινοβολία κατά μήκος της διαδρομής της προς το έδαφος. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι ψηφιοποιημένη από τον δέκτη LiDAR και χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση του ύψους της βλάστησης (Α), του υποκείμενου εδάφους (Β) και της στρωματοποίησης της βλάστησης μεταξύ τους (δεν φαίνεται).

Λέξεις-Κλειδιά: 3D-LiDAR χαρτογράφηση, ενδιαίτημα, οικολογία, τοπογραφία, δομή βλάστησης, πανίδα, αφθονία ειδών, αφθονία ζώων, τηλεπισκόπηση

Εικόνα 2. Διατομή της τρισδιάστατης δομής της βλάστησης της Αφρικανικής σαβάνας, που συλλέχθηκε από το Carnegie Airborne Observatory. (a) κάλυψη θόλου των δέντρων, (b) ύψος θόλου, (c) κατακόρυφη στρωματοποίηση ή προφίλ, (d) βλάστηση υποορόφου, και (e) τοπογραφία. Ο συνδυασμός τους (a-e) ορίζει τη δομική ετερογένεια ή/και την πολυπλοκότητα ενός οικοσυστήματος.

Εικόνα 3. Η ποσοστιαία αναλογία των μελετών που διερευνούν τις αποκρίσεις των ζώων στην τρισδιάστατη δομή, όπως αυτές μετρήθηκαν και χαρτογραφήθηκαν με χρήση της τεχνολογίας LiDAR. Οι μελέτες αναφέρονται ανά ταξινομική ομάδα με βάση: (Α) τη γεωγραφική περιοχή και (Β) τον τύπο βιότοπου (biome). Δεν υπάρχουν δημοσιευμένες μελέτες σε περιοχές ή ενδιαιτήματα που δεν παρουσιάζονται εδώ.

Εικόνα 4. Αλληλεπιδράσεις μεταξύ ταξινομικών ομάδων ζώων και των τριών βασικών στοιχείων της τρισδιάστατης δομής της βλάστησης και της τοπογραφικής δομής (Εικόνα 2), που μετρήθηκαν με LiDAR. (A) Ποσοστιαία αναλογία δημοσιευμένων μελετών, οι οποίες κατέγραψαν μια αύξηση του πλούτου των ειδών ή/και της ποικιλότητάς τους σε κάθε μετρούμενη δομική παράμετρο.(Β) Ο αριθμός των δημοσιευμένων μελετών, οι οποίες κατέγραψαν μια σημαντική (θετική ή αρνητική, μαύρες στήλες) ή ουδέτερη απόκριση (κενές στήλες) στην αφθονία των ζώων. Δεν βρέθηκαν δημοσιευμένες μελέτες σε σχέση με την αφθονία των μη ιπτάμενων θηλαστικών.

Εισαγωγή

Οι πρόσφατες εξελίξεις της τεχνολογίας LiDAR επέτρεψαν την ακριβή μέτρηση της τρισδιάστατης δομής (3D) των οικοσυστημάτων (Εικόνα 1). Στην παρούσα εργασία, εξετάζονται οι πληροφορίες που αποκτήθηκαν μέσω της τεχνολογίας LiDAR στη μελέτη της οικολογίας της πανίδας, αποκαλύπτοντας τη θεμελιώδη σημασία της τρισδιάστατης δομής του οικοσυστήματος για τα ζώα. Η δομική ετερογένεια συμβάλλει περισσότερο στην αύξηση του πλούτου και της αφθονίας των ειδών και επηρεάζεται πολύ περισσότερο από την αύξηση της πολυπλοκότητας της κάθετης δομής της βλάστησης, παρά από την ανομοιογένεια στην κάλυψη του θόλου. Ωστόσο, οι διαφορετικές ταξινομικές ομάδες αλληλεπιδρούν με μια ποικιλία τρισδιάστατων χαρακτηριστικών του θόλου των δέντρων και ορισμένες από αυτές με την τρισδιάστατη τοπογραφία. Για την καλύτερη κατανόηση της δυναμικής των ειδών, οι μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να εξετάσουν τα αποτελέσματα των τρισδιάστατων απεικονίσεων των ενδιαιτημάτων σε μια ευρύτερη ποικιλία οικοσυστημάτων και περιλαμβάνοντας περισσότερες ταξινομικές βαθμίδες.

Τρισδιάστατη οικολογία: η σημαντικότητα της δομής

Η 3D δομή των οικοσυστημάτων έχει μεγάλη σημασία για τις ζωικές κοινότητες. Ήδη από το 1935, η κατακόρυφη δομή της βλάστησης αναγνωρίστηκε ως ένας σημαντικός παράγοντας για τις κατανομές των πτηνών. Στις πρώτες αυτές μελέτες αποδείχθηκε ότι, ο προσδιορισμός της ποικιλότητας των πτηνών στα φυλλοβόλα δάση μπορούσε να γίνει λαμβάνοντας υπόψη τη δομή της βλάστησης, ενώ η ποικιλότητα των φυτών ήταν σημαντική μόνο όταν επηρέαζε αυτή τη δομή. Είναι σαφές ότι η τρισδιάστατη δομή των οικοσυστημάτων επηρεάζει πολλές πτυχές της οικολογίας των ζωικών ειδών, που κυμαίνονται από τις κατανομές των ειδών και την αφθονία τους, ως τη συμπεριφορά και τα πρότυπα κινδύνου θήρευσης τους. Πράγματι, πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι αποτελεί την κινητήρια δύναμη για την ποικιλομορφία πολλών ταξινομικών ομάδων πτηνών και πρωτευόντων.

Η κατανόηση της τρισδιάστατης δομής ενός οικοσυστήματος και των βιοτικών της επιδράσεων είναι θεμελιώδης για τη μελέτη της οικολογίας των ζώων. Μέχρι πρόσφατα, τα δεδομένα σχετικά με την τρισδιάστατη δομή ήταν λίγα, και ήταν δύσκολο να αποκτηθούν, ειδικά σε μεγάλες χωρικές κλίμακες. Τα μοντέλα των ενδιαιτημάτων βασίζονταν σε δεδομένα πεδίου περιορισμένης χωρικής ανάλυσης ή σε αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες, που δεν μπορούν να διεισδύσουν πέρα από το ανώτατο τμήμα του ορόφου των φυτών ώστε να χαρακτηρίσουν την κάθετη δομή της βλάστησης. Η πρόοδος στην τεχνολογία της τηλεπισκόπησης, ιδιαίτερα όσον αφορά την τεχνολογία LiDAR, αντιμετώπισε επιτυχώς αυτές τις δυσκολίες, επιτρέποντας την ακριβή μέτρηση της τρισδιάστατης δομής των οικοσυστημάτων σε μεγάλες χωρικές κλίμακες και με μεγάλη λεπτομέρεια.

Ύστερα από διερεύνηση των δυνατοτήτων της εφαρμογής της τεχνολογίας LiDAR στην οικολογία, οι ερευνητές καταλήγουν ότι η τεχνολογία LiDAR είναι ακριβής και πολύ χρήσιμη για την αποσαφήνιση των σχέσεων μεταξύ πανίδας και της τρισδιάστατης δομής των οικοσυστημάτων. Η LiDAR δεν είναι το μόνο διαθέσιμο εργαλείο για την μέτρηση αυτής της δομής, αλλά αποτελεί αναμφίβολα την πιο ελπιδοφόρα τεχνική, όσον αφορά τόσο την ακρίβεια των αποτελεσμάτων της όσο και τη σχέση κόστους-απόδοσης ειδικά όταν εφαρμόζεται σε μεγάλες χωρικές κλίμακες, οι οποίες είναι έχουν μεγάλη σημασία σε οικοσυστημικό επίπεδο.

Εφαρμογές της τρισδιάστατης οικολογίας της πανίδας

Ιπτάμενα σπονδυλωτά Τα ζώα που πετάνε (πουλιά, νυχτερίδες) ζουν και μετακινούνται σε έναν τρισδιάστατο χώρο. Ως εκ τούτου, η δομή της βλάστησης επηρεάζει όλες τις πτυχές της οικολογίας τους, από τα χαρακτηριστικά των ενδιαιτημάτων τους έως την κίνησή τους κατά την πτήση. Δεν είναι τυχαίο, ότι ο μεγαλύτερος όγκος της βιβλιογραφίας, η οποία αφορά τη δομή της βλάστησης για μελέτες οικολογίας πανίδας, έχει επικεντρωθεί στα πτηνά. Στις περισσότερες από τις μελέτες πάνω σε πουλιά που εξετάστηκαν, βρέθηκε ότι υπάρχει μια θετική συσχέτιση ανάμεσα στον πλούτο και την αφθονία των ειδών των πτηνών και στην ποικιλομορφία και πολυπλοκότητα της δομής της κόμης των δέντρων, την κάθετη κατανομή των ιστών (κλαδιά, φύλλα) και το συνολικό ύψος του θόλου (Πίνακας 1, Εικόνα 2). Επίσης, μελέτες πάνω σε νυχτερίδες κατέδειξαν ότι τόσο η δραστηριότητά τους όσο και η συχνότητα εμφάνισης της παρουσίας τους, αυξάνονταν όσο αυξανόταν και η ποικιλομορφία της δομής του θόλου των δέντρων ή/και του ύψους του.

Χερσαία Θηλαστικά Σε σύγκριση με την έρευνα για τα πουλιά και τις νυχτερίδες, λιγότερες μελέτες έχουν διερευνήσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της τρισδιάστατης δομής της βλάστησης (από δεδομένα LiDAR) και των θηλαστικών. Όλες όσες εξετάστηκαν, όμως, έχουν καταγράψει σημαντική συσχέτιση μεταξύ ενός τουλάχιστον χαρακτηριστικού της δομής της βλάστησης και της προτίμησης ενδιαιτήματος από τα θηλαστικά. Αυτές οι μελέτες υποδεικνύουν ότι, όπως με τα ιπτάμενα σπονδυλωτά, η ετερογένεια της δομής της βλάστησης είναι σημαντική και για τα θηλαστικά. Τουλάχιστον δύο είδη (Martes pennanti και Odocoileus hemionus) φάνηκαν να ανταποκρίνονται θετικά στην αύξηση της κάθετης ετερογένειας της δομής της βλάστησης. Το πιο σημαντικό, ωστόσο, είναι ότι παρατηρήθηκαν διαφορές στις προτιμήσεις ως προς τη δομή της βλάστησης ακόμα και ανάμεσα στα δύο φύλα του ίδιου είδους, υπογραμμίζοντας την αναγκαιότητα της ύπαρξης ετερογένειας στα ενδιαιτήματα για τη βιοποικιλότητα. Η τρισδιάστατη τοπογραφική δομή παίζει επίσης πολύ σημαντικό ρόλο στην επιλογή ενδιαιτήματος από τα μη ιπτάμενα θηλαστικά. Όντας περιορισμένα στη χερσαία επιφάνεια, τα ζώα αυτά παρουσιάζουν μειωμένη κινητικότητα και επηρεάζονται έντονα από την τοπογραφία μιας περιοχής, γεγονός που αποδεικνύεται από τη σημασία της μορφολογίας του εδάφους για διάφορα είδη.

Ασπόνδυλα Από τις μελέτες που εξετάστηκαν, η ετερογένεια της δομής της βλάστησης (τόσο της κατακόρυφης όσο και της οριζόντιας) ή αλλιώς « η δομική μεταβλητότητα », θεωρείται πολύ σημαντική για τις συναθροίσεις των ασπόνδυλων. Η αφθονία και ο πλούτος των ειδών των Κολεοπτέρων και των Αραχνών αυξάνεται με την αύξηση της ετερογένειας της δομικής μεταβλητότητας του θόλου. Οι διαφορές στο ύψος της βλάστησης αποτελούν, επίσης, ένα σημαντικό παράγοντα πρόβλεψης για την εκτίμηση των πληθυσμών των ασπόνδυλων. Για παράδειγμα, τρία είδη πεταλούδων προτιμούν ενδιαιτήματα με μεγάλο ύψος βλάστησης, ενώ η αφθονία των σκαθαριών μειώνεται με την αύξηση του ύψους της βλάστησης.

Τα περισσότερα ασπόνδυλα, λόγω του μικρού τους μεγέθους, κινούνται σε μικρές χωρικές κλίμακες (δεκάδες μέτρα), και τα πρότυπα απόκρισής τους στις δομικές μεταβλητές του χώρου αλλάζουν επίσης πάνω σε μικρές κλίμακες. Οι Müller et al. παρατήρησαν ότι η ποικιλότητα των αρθροπόδων αυξανόταν με την αύξηση της δομικής μεταβλητότητας και της πυκνότητας της βλάστησης σε κλίμακα επιπέδου δέντρου, αλλά ήταν σημαντικά χαμηλότερη σε κλίμακα συστάδας. Με βάση τα παραπάνω θα περιμέναμε να παρατηρήσουμε υψηλότερα επίπεδα ποικιλότητας αρθροπόδων σε δάση με σχετικά ανοιχτές συστάδες δέντρων, οι οποίες εμπεριέχουν μεμονωμένα δέντρα με πυκνή κόμη. Μια τέτοια μελέτη ήταν δυνατή μόνο λόγω της μοναδικής δυνατότητας της LiDAR, για ακριβή χαρτογράφηση της δασική δομής, σε λεπτομερή χωρική ανάλυση και για μεγάλες εκτάσεις.

Σύγχρονες τάσεις τρισδιάστατης χαρτογράφησης ενδιαιτημάτων

Οι περισσότερες μελέτες σχετικά με την οικολογία της άγριας πανίδας με χρήση LiDAR έχουν διεξαχθεί κυρίως για πουλιά, σε δασικά οικοσυστήματα της Βόρειας Αμερικής και της Ευρώπης (Εικόνα 3). Αυτό είναι αναμενόμενο δεδομένης: α) της εγγενούς τρισδιάστατης φύσης της οικολογίας των πτηνών, β) της ελκυστικότητας και της καταλληλότητας της τεχνολογίας LiDAR για τη χαρτογράφηση δασικών περιοχών και γ) της σχετικά μεγαλύτερης διαθεσιμότητας πόρων και εξειδικευμένης γνώσης σε σχέση με την LiDAR στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη. Ωστόσο, το γεγονός αυτό έχει αποτελέσει έναν περιοριστικό παράγοντα ως προς τη δυνατότητα χρήσης της LiDAR για την καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η τρισδιάστατη δομή ενός οικοσυστήματος επηρεάζει τη δυναμική της πανίδας.

Αποτελεσματικές μελέτες που βασίζονται σε LiDAR, τόσο για ιπτάμενα θηλαστικά, ασπόνδυλα όσο και σε σχέση με την ακουστική ποικιλομορφία (Πίνακας 1), έχουν υλοποιηθεί στην Αφρική και τη Νότια Αμερική, και σε άλλα οικοσυστήματα εκτός από δασικά. Ωστόσο, λόγω της έλλειψης επαρκούς αριθμού μελετών, είναι δύσκολο να γίνουν σαφείς δηλώσεις ως προς την κατανόηση αυτών των ταξινομικών ομάδων (taxa) ή των περιοχών. Επιπλέον, παρόλο που οι περισσότερες μελέτες επικεντρώθηκαν σε πτηνά, όλες αφορούσαν τη Βόρεια Αμερική, την Ευρώπη ή τη Χαβάη, ενώ καμία οικολογική μελέτη βασισμένη σε LiDAR δεν έχει δεν έχει δημοσιευτεί από την Ασία ή την Αυστραλία.

Σύνθεση

Η τεχνολογία LiDAR αποκάλυψε τις ισχυρές επιδράσεις της τρισδιάστατης δομής των ενδιαιτημάτων στην ποικιλομορφία και την κατανομή της πανίδας, πολλές από τις οποίες ήταν δυσδιάκριτες προηγουμένως. Η αυξημένη ετερογένεια της δομής των ενδιαιτημάτων συχνά οδηγεί σε αύξηση του πλούτου και της αφθονίας των ειδών, ενώ η κάλυψη του θόλου έχει μικτά αποτελέσματα. Υπάρχει μεγάλη έμφαση στη μέτρηση της φυτικής κάλυψης ως εναλλακτική μεθοδολογία για τη μελέτη της δομής της βλάστησης και των μοτίβων των ενδιαιτημάτων, αλλά η αύξηση της κάλυψης δεν οδηγεί πάντα σε αυξημένη ποικιλότητα ειδών. Στην πραγματικότητα, στην παρούσα επισκόπηση παρατηρήθηκε ότι συχνά οδηγεί σε μείωση της ποικιλότητας των ειδών, με τον πλούτο και την αφθονία τους να ανταποκρίνονται θετικά περισσότερο στην κάθετη τρισδιάστατη δομική ετερογένεια παρά στην κάλυψη του θόλου.

Με βάση τη μέχρι στιγμής βιβλιογραφία, συμπεραίνουμε ότι η δομική ετερογένεια των ενδιαιτημάτων αποτελεί την πλέον ευνοϊκή παράμετρο ως προς την αύξηση της βιοποικιλότητας των ειδών. Επομένως, οικοσυστήματα με μεγαλύτερη δομική ετερογένεια (π.χ. φυσικά δάση σε σύγκριση με καλλιέργειες) αναμένεται να είναι πιο ευνοϊκά για την αύξηση της βιοποικιλότητας. Επιπλέον, οι ήδη υπάρχουσες μελέτες, οι οποίες έχουν πραγματοποιηθεί σε μια μεγάλη ποικιλία ταξινομικών ομάδων (taxa) και ενδιαιτημάτων, καταδεικνύουν ότι η τεχνολογία LiDAR έχει τη δυνατότητα να προσφέρει μια μεγάλη ποικιλία στοιχείων για τα διάφορα taxa, και ότι εάν εφαρμοσθεί ευρύτερα, θα συμβάλλει σημαντικά στην περαιτέρω κατανόηση των σχέσεων και αλληλεπιδράσεων της οικολογίας των ζώων (ποικιλομορφία, διασπορά και συμπεριφορά ειδών) και της δομής της βλάστησης.

Αν και η δομική ετερογένεια οδηγεί σε γενική αύξηση της ποικιλομορφίας με την προώθηση της συνύπαρξης των ειδών, οι διαφορές απόκρισης ανάμεσα στις διαφορετικές ταξινομικές ομάδες υποδηλώνουν, ότι διαφορετικά χαρακτηριστικά της τρισδιάστατης δομής έχουν διαφορετικού βαθμού σημασία για τις διαφορετικές ομάδες. Τα ιπτάμενα σπονδυλωτά ανταποκρίνονται στην κατακόρυφη τρισδιάστατη δομή, την κάλυψη του θόλου και την πυκνότητα της βλάστησης του υποορόφου (Εικόνα 4), αλλά η αύξηση του πλούτου και της αφθονίας των ειδών (ή/και η παρουσία τους) εξαρτάται περισσότερο από την κάθετη τρισδιάστατη δομική ετερογένεια ενός ενδιαιτήματος.

Οι αποκρίσεις σε σχέση με την κάλυψη του θόλου και την πυκνότητα της βλάστησης του υποορόφου διαφέρουν ανάμεσα στα είδη, είναι θετικές για ορισμένα από αυτά και αρνητικές για κάποια άλλα. Η τοπογραφική δομή ενός οικοσυστήματος βρέθηκε ότι είναι πιο σημαντική για τα μη ιπτάμενα θηλαστικά και τα ασπόνδυλα, παρά για τα ιπτάμενα σπονδυλωτά (Εικόνα 4Β). Φαίνεται, επίσης, ότι η κάλυψη του θόλου των δέντρων έχει θετική επίδραση στα μη ιπτάμενα θηλαστικά, ενώ η πυκνότητα της βλάστησης του υποορόφου επηρεάζει τις συνήθειες αναζήτησης λείας (hunting habbits) των θηρευτών. Η κάθετη δομική ετερογένεια είχε μικτά αποτελέσματα για αυτήν την ομάδα.

Τα ασπόνδυλα ανταποκρίνονται σε διάφορα τρισδιάστατα δομικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένης της κάθετης ετερογένειας, της πυκνότητας του υποορόφου και της τοπογραφικής δομής, αλλά λιγότερο στην κάλυψη του θόλου (Εικόνα 4). Παρά τη σημασία της τρισδιάστατης δομής των ενδιαιτημάτων για την οικολογία των ζώων, η μορφή και τα στάδια ανάπτυξης της βλάστησης και η σύνθεση των φυτικών ειδών εξακολουθούν να έχουν σημαντικές επιδράσεις στις ζωικές κοινότητες. Επομένως, στις οικολογικές μελέτες θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και οι δύο αυτές προσεγγίσεις. Δεδομένου ότι η LiDAR δεν μπορεί εύκολα να εντοπίσει διαφοροποιήσεις ως προς τη φυτική σύνθεση, απαιτούνται μελέτες πεδίου ή άλλες προσεγγίσεις τηλεπισκόπησης, ώστε να συμπληρώσουν τα δομικά δεδομένα LiDAR.

Συμπεράσματα & Συμβολή Τηλεπισκόπησης

Η συμβολή της τεχνολογίας LiDAR στην αποσαφήνιση των σχέσεων μεταξύ της πανίδας και της τρισδιάστατης δομής των ενδιαιτημάτων είναι πάρα πολύ σημαντική, παρέχοντας δεδομένα με μεγάλη λεπτομέρεια και ακρίβεια και για μεγάλες εκτάσεις. Σε συνδυασμό με δεδομένα GPS τηλεμετρίας, η LiDAR παρέχει μια εξαιρετική ευκαιρία ώστε να εκτιμηθεί ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζονται οι μετακινήσεις των ζώων από τη βλάστηση και την τοπογραφική δομή. Η χρήση δεδομένων LiDAR θα πρέπει να επεκταθεί, εστιάζοντας όχι μόνο στην ταξινομική ποικιλομορφία, αλλά διερευνώντας επίσης το πώς τα δομικά στοιχεία ενός ενδιαιτήματος, που είναι σχετικά με τη σύνθεση των ειδών, επηρεάζουν τη λειτουργική ποικιλομορφία και τις υπηρεσίες του.