Remote sensing of ecosystem services: A systematic review
Από RemoteSensing Wiki
Τηλεπισκόπηση υπηρεσιών οικοσυστήματος: Μια συστηματική ανασκόπηση
Συγγραφείς: Caio C. de Araujo Barbosa, Peter M. Atkinson, John A. Dearing
Πηγή: [1]
Εισαγωγή
Η συγκεκριμένη μελέτη επικεντρώνεται στην αποτελεσματική ενσωμάτωση των τεχνολογιών τηλεπισκόπησης στις έννοιες και πρακτικές των οικοσυστημικών υπηρεσιών με σκοπό την προστασία της βιοποικιλότητας και την προώθηση της βιώσιμης χρήσης των φυσικών πόρων της Γης. Μετά από έρευνα σε επιστημονικές βάσεις δεδομένων, επιλέγονται 211 επιστημονικά άρθρα που αναφέρονται στο παραπάνω θέμα. Η μελέτη παρουσιάζει την εξέλιξη αυτών των εφαρμογών, ανασκοπώντας τη βιβλιογραφία και παρουσιάζει την κατάσταση των διαθέσιμων μεταβλητών τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιούνται. Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο χρήσης των δεδομένων τηλεπισκόπησης στη δημιουργία χωρικά ακριβών αξιολογήσεων και εκτιμήσεων των υπηρεσιών. Με επίκεντρο παραδείγματα από τη βιβλιογραφία, παρέχεται σύντομη περίληψη του τι έχει επιτευχθεί, του τι μπορεί να επιτευχθεί, και του τι μπορεί να βελτιωθεί στο μέλλον. Σκοπός είναι η προαγωγή της συζήτησης γύρω από τις μεθοδολογικές προκλήσεις, τις λύσεις και η ενθάρρυνση της χρήσης της τεχνολογίας τηλεπισκόπης όπου έχει πρακτικές εφαρμογές.
Η τηλεπισκόπηση παίζει σημαντικό ρόλο στην έρευνα των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ φυσικών και κοινωνικών συστημάτων.
Έχει εκτενώς χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή και τον χαρτογραφικό προσδιορισμό των ιδιοτήτων και των λειτουργιών των οικοσυστημάτων, καθώς και για τον εντοπισμό και τον χαρακτηρισμό των διαδικασιών τους. Χρησιμοποιώντας συνδυασμούς υφιστάμενων εργαλείων και δεδομένων επιτρέπει συνοπτικές, χωρικά συνεχείς και συχνές παρατηρήσεις, δημιουργώντας έτσι μεγάλους όγκους δεδομένων και πολλαπλά σύνολα για διάφορες χωρικές και χρονικές αναλύσεις. Με την εμφάνιση πιο εξελιγμένων προϊόντων, τα δεδομένα παρατήρησης γης θα συνεχίσουν να συμβάλλουν στην έρευνα για τη μοντελοποίηση, τη χαρτογράφηση και την αξιολόγηση των αγαθών και υπηρεσιών των οικοσυστημάτων.
Μεθοδολογία & Αποτελέσματα
Αρχικά έγινε έρευνα και επιλογή βιβλιογραφιών. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την ανάκτηση βιβλιογραφικών πηγών περιλάμβανε ένα επιλεκτικό σύστημα αναζήτησης με λέξεις-κλειδιά σε συγκεκριμένες επιστημονικές βιβλιοθήκες (όπως Scopus και Web of Knowledge). Κατά την εκτέλεση κάθε αναζήτησης, υπήρχαν όροι και λέξεις-κλειδιά όπως "Υπηρεσίες Οικοσυστημάτων", "Οικολογικές Υπηρεσίες", "Περιβαλλοντικές Υπηρεσίες", "Τηλεπισκόπηση" και "Παρακολούθηση της Γης" για τη δημιουργία εκτενούς λίστας άρθρων. Η συνολική αξία των υπηρεσιών οικοσυστημάτων εξαρτάται όχι μόνο από φυσικά φαινόμενα και την τοποθεσία, αλλά και από το πλαίσιο και τις πιο υποκειμενικές αξίες που σχετίζονται με την κοινωνική ευημερία και τις πολιτιστικές αντιλήψεις. Σε αυτό το πλαίσιο, οι τρέχουσες μέθοδοι χαρτογράφησης βασισμένες σε δεδομένα τηλεπισκόπησης δεν είναι αρκετές μόνο για τον προσδιορισμό του πλήρους φάσματος των υπηρεσιών οικοσυστήματος. Ταυτόχρονα, η ενσωμάτωση μεθόδων αξιολόγησης των υπηρεσιών οικοσυστήματος και παρατήρησης μέσω τηλεπισκόπησης φαίνεται ότι αποτελεί μια ελπιδοφόρα προσέγγιση για να ενισχυθεί η ακρίβεια των αξιολογήσεων. Αρχικά παρέχεται μια επισκόπηση του τι έχει επιτευχθεί μέσω μιας συστηματικής ανασκόπησης. Ταυτόχρονα, αναγνωρίζεται ότι η ενσωμάτωση μεθόδων αξιολόγησης των υπηρεσιών οικοσυστήματος με παρατηρήσεις από τηλεπισκόπηση φαίνεται να είναι οι μοναδικές πρακτικές και ρεαλιστικές προσεγγίσεις για τον περιφερειακό προσδιορισμό της κατανόησης για τα σύνθετα αλληλεξαρτώμενα κοινωνικό-οικολογικά συστήματα. Εάν αυτά τα δεδομένα χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη πολλαπλών υπηρεσιών οικοσυστήματος, πρέπει πρώτα να προσδιοριστεί η φύση της σχέσης μεταξύ των φασματικών πληροφοριών και της υπηρεσίας του οικοσυστήματος. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας κατηγορίες χρήσης γης από εικόνές Landsat, πολλές μελέτες κατάφεραν να μετρήσουν τα ποσοστά αποψίλωσης και, συνεπώς, να εκτιμήσουν τις αλλαγές στην παροχή πρώτων υλών και γενετικών υλών, για παράδειγμα, στην Κίνα, την Αργεντινή και τις Ηνωμένες Πολιτείες (Wang et al., 2006; Volante et al., 2012; Klepeis et al., 2013). Παρόμοια, δεδομένα τηλεπισκόπησης που έχουν ταξινομηθεί σε κατηγορίες κάλυψης γης, σε συνδυασμό με μεταβλητές όπως δείκτες βλάστησης (VIs), χρησιμοποιούνται συχνά για να ποσοτικοποιήσουν και να χαρτογραφήσουν την παραγωγή τροφίμων (π.χ. Fegraus et al., 2012; Johnson et al., 2012; Castella et al., 2013). Σε αυτό το πλαίσιο, οι δείκτες βλάστησης χρησιμοποιούνται ως ένας αντιπροσωπευτικός δείκτης της ανάπτυξης των καλλιεργειών κατά τη διάρκεια της αναπτυσσόμενης εποχής, και στη συνέχεια συνδυάζονται με την κάλυψη της γης και τις εκτιμήσεις της βροχόπτωσης για να προβλέψουν την παραγωγή σοδειάς. Χρησιμοποιώντας ταξινομήσεις κάλυψης της γης σε εικόνες Landsat, οι Brandt κ.ά. (2012) εξέτασαν πώς οι αλλαγές στον τύπο δάσους, η απώλεια δασών παλαιού τύπου και η ανάπτυξη του οικοτουρισμού επηρέαζαν τη διαθεσιμότητα υπηρεσιών παροχής, υπηρεσιών οικοτόπων και ρυθμιστικών υπηρεσιών. Διαπίστωσαν ότι οι αλλαγές στις πρακτικές διαχείρισης και στην πολιτική είχαν σημαντική επίδραση στην αύξηση και μείωση των ρυθμών υλοτομίας σε δάση υψηλής ποικιλομορφίας παλαιού τύπου στον οικοτόπο της βορειοδυτικής επαρχίας Γιουνάν στη νοτιοδυτική Κίνα. Άλλες μελέτες, προσανατολισμένες στο να ποσοτικοποιήσουν και να χαρτογραφήσουν τη χωροχρονική μεταβολή στις τιμές των υπηρεσιών οικοσυστήματος, βασίζονταν στη μεθοδολογία τους σε χρονοσειρές δεδομένων κάλυψης της γης από εικόνες αισθητήρων δορυφόρων σε συνδυασμό με ανάλυση κατακερματισμού του τοπίου και ανάλυση εκτίναξης των αστικών περιοχών (Kreuter et al., 2001; Su et al., 2012; Estoque and Murayama, 2013), οικονομετρικούς υπολογισμούς (Niu et al., 2012), ιστορικά δεδομένα (Cai et al., 2013) και μετα-ανάλυση κοινωνικοοικονομικών μεταβλητών (Camacho-Valdez et al., 2013). Η ένταξη δεδομένων συγκέντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων και πάχους αεροσόλ (από MODIS-Aqua και MODIS-Terra), κάλυψης της γης (από Landsat και MODIS-Terra), κυκλοφορίας θρεπτικών ουσιών (από SeaWifs) και NDVI (από Landsat και MODIS-Terra) έχει χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση χωρικών και εποχιακών προτύπων υπηρεσιών παροχής νερού και ρύθμισης πλημμύρας (Muthuwatta et al., 2010; Ghobadi et al., 2012), ρύθμισης κλίματος και διατήρησης υπηρεσιών οικοτόπου (Chopra et al., 2001; Gong et al., 2010; Ke et al., 2011) στην Ινδία, την Κίνα, την Ουγκάντα, το Ιράν, το Μεξικό και τις Ηνωμένες Πολιτείες.
Δυνατότητες/ Διορθώσεις/ Πλεονεκτήματα & Αποτελέσματα της χρήσης Τηλεπισκόπησης στις οικοσυστημικές υπηρεσίες.
Η ρύθμιση της ποιότητας του αέρα μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τα ίχνηαερίων και των αεροσωματιδίων ως δείκτες, καθώς τα δεδομένα αεροσωματιδίων, σε συνδυασμό με μοντέλα προσομοίωσης, επιτρέπουν την εντοπισμό της πηγής ρυπαντικού αέρα. Επιπλέον, μια μεταβολή στο ποσό σκόνης που συσσωρεύεται στον αέρα θα αλλάξει τη φασματική ανάκλαση των αντικειμένων και έτσι θα μπορούν να εντοπιστούν.(Chu et al., 2003; Emeis and Schaefer, 2006; Yong et al., 2010; Roots et al., 2011; Mozumder et al., 2013). Η διατήρηση της εδαφικής γονιμότητας μπορεί να εκτιμηθεί από απομακρυσμένους δείκτες όπως ο (NPV), ο (GV) και ο NDVI καθώς μια αύξηση του NPV υποδεικνύεται ότι σχετίζεται με μείωση της εδαφικής γονιμότητας (Numata et al., 2003). Επιπλέον, τα δεδομένα ανακλαστικότητας (εντός κυμάτων 0.425-0.695 μ) μπορούν να σχετιστούν με την οργανική ύλη του εδάφους (SOM) και να χρησιμοποιηθούν (Numata et al., 2003; Ji et al., 2012; Liu et al., 2013a). Άλλα ορυκτά χαρακτηριστικά που υπάρχουν στα εδάφη και μπορούν να ανιχνευτούν με τηλεπισκόπηση είναι η αλατότητα, περιεκτικότητα σε οξείδιο του σιδήρου κ.α υποδεικνύοντας την παρελθοντική και τρέχουσα κατάσταση των εδαφών. Ο συντελεστής διάχυσης (KPAR) για τη φωτοσυνθετικά ενεργός ακτινοβολία (PAR) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της καθαριότητας του νερού και της επεξεργασίας αποβλήτων στα οικοσυστήματα. Καθώς η διαθεσιμότητα φωτός είναι θεμελιώδης για την παραγωγή φυτοπλαγκτόν και την παραγωγή θαλάσσιας βλάστησης, η απόκλιση του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέτρο της θολότητας ή της διαύγειας του νερού (Chen et al., 2009; Liu et al., 2013b). Έτσι, η συσχέτιση των δεδομένων ανακλαστικότητας που προέρχονται από δορυφόρο με τη μέτρηση στη θέση της απόκλισης του φωτός επιτρέπει την αξιολόγηση της διαύγειας του νερού και, ως εκ τούτου, της ικανότητας επεξεργασίας του νερού στα οικοσυστήματα (Behrenfeld and Boss, 2006; Zhu et al., 2009; Zhao et al., 2011). Παράμετροι ποιότητας νερού όπως το διαλυμένο οξυγόνο, η χλωροφύλλη και η θολότητα συνδέονται στενά με τις αλλαγές στην απορρόφηση της φυσικής ακτινοβολίας και μπορούν να ανιχνευθούν από παθητικούς απομακρυσμένους αισθητήρες (Xie et al., 2007; Wang et al., 2013a; Lin et al., 2014). Η χρήση της τηλεπισκόπησης στην έρευνα των υπηρεσιών οικοσυστήματος παραμένει ακόμα περιορισμένη, και μέχρι το 2009 αυτό το θέμα είχε μια σχετικά μικρή παρουσία στη βιβλιογραφία. Ωστόσο, η γενική τάση δείχνει ότι ο αριθμός των επιστημονικών δημοσιεύσεων που την ενσωματώνουν στις μελέτες υπηρεσιών οικοσυστήματος αυξάνεται γρήγορα. Αυτό δεν είναι έκπληξη δεδομένων των δυνατοτήτων για την ένταξη χωρικών δεδομένων στις μελέτες οικοσυστήματος και την ίδρυση σχέσεων μεταξύ των δεδομένων τηλεπισκόπησης και των κοινωνιο-οικολογικών φαινομένων.Ο αυξανόμενος εκθετικός ρυθμός των ενσωματωμένων επιστημονικών μελετών επεκτείνει τις γνώσεις μας και δείχνει προς πεδία για μελλοντική ανάπτυξη. Πολλά βασικά τεχνικά θέματα πρέπει να αντιμετωπιστούν, καθώς αυτά θα επηρεάσουν το συνολικό προϋπολογισμό αβεβαιότητας. Κάποια από τα αδύναμα σημεία των μελετημένων ερευνητικών εργασιών που προτείνεται βελτίωση είναι: οι ακρίβειες των αποτελεσμάτων ταξινόμησης και των βιοφυσικών δεδομένων που χρησιμοποιούνται, οι διάφορες χωρικές, χρονικές και φασματικές αναλύσεις του συστήματος αισθητήρων του δορυφορικού συστήματος (σε πολλές περιπτώσεις αυτό περιορίζει τη χρησιμοποίηση των αποστακτικών δεδομένων), και, όταν είναι δυνατό, η ανάγκη να λαμβάνονται υπόψη οι κυρίαρχες συνθήκες κατά την απόκτηση της εικόνας (π.χ., ατμοσφαιρικές παρεμβολές, γεωμετρία προβολής, κ.λπ.).
Συμπεράσματα
Αυτή η συστηματική ανασκόπηση συνοψίζει την πρόοδο της έρευνας προς τη χρήση και ολοκλήρωση δεδομένων τηλεπισκόπησης εντός του πλαισίου αξιολόγησης και εκτίμησης των υπηρεσιών του οικοσυστήματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ποιες υπηρεσίες του οικοσυστήματος μετρούνται περισσότερο από το διάστημα, ποια είδη δεδομένων τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμόζονται πιο συχνά για την εκτίμηση αυτών των υπηρεσιών, η χρονική ανάλυση αυτών των έρευνών, και πού στον κόσμο απαιτείται ακόμη περισσότερη έρευνα. Η μελλοντική έρευνα πρέπει να λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότι ο αποτελεσματικός χαρτογραφικός προσδιορισμός του πλήρους φάσματος των υπηρεσιών του οικοσυστήματος είναι προς το παρόν υπέρ των ικανοτήτων της λεπισκόπησης. Επομένως, απαιτείται περαιτέρω συντονισμένη έρευνα για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί, για παράδειγμα, μέσω του συνδυασμού των δεδομένων τηλεπισκόπησης με πληροφορίες από άλλες πηγές.
