Ταξινόμηση της κάλυψης εδάφους των περιβαλλόντων τούνδρας στο Αρκτικό Δέλτα Λένα για αναβάθμιση των εκπομπών μεθανίου

[[category:Ψηφιακή Τηλεπισκόπηση]]

<b>Ταξινόμηση της κάλυψης εδάφους των περιβαλλόντων τούνδρας στο Αρκτικό Δέλτα Λένα βασισμένη σε δεδομένα Landsat 7 ETM+ και στις εφαρμογές τους για αναβάθμιση των εκπομπών μεθανίου</b><br>

Land cover classification of tundra environments in the Arctic Lena Delta based on Landsat 7 ETM+ data and its application for upscaling of methane emissions<br>
Julia Schneider, Guido Grosse, Dirk Wagner,  Remote Sensing of Environment (2009), Volume: 113, Issue: 2, Publisher: Elsevier Inc., Pages: 380-391 16 February 2009
[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425708003222]


<b>Περίληψη</b><br>

Τα φυσικά δέλτα χαρακτηρίζονται από σύνθετα γεωμορφολογικά μοτίβα και από διάφορους τύπους οικοσυστημάτων, οι πληροφορίες υψηλής χωρικής ανάλυσης σχετικά με την κατανομή και την έκταση των περιβαλλόντων δέλτα είναι απαραίτητες για μια χωρική αξιολόγηση και έναν ακριβή προσδιορισμό της ποσότητας των βιογεωχημικών διεργασιών ως οδηγοί για την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου από τα εδάφη τούνδρας. Στη παρούσα μελέτη η πρώτη ταξινόμηση της εδαφοκάλυψης για ολόκληρο το δέλτα Λένα, βασισμένη σε εικόνες Landsat 7 ETM+ διεξήχθη και χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ποσότητας εκπομπών μεθανίου από τα οικοσυστήματα του δέλτα σε περιφερειακή κλίμακα. Εννέα τάξεις εδαφοκάλυψης υδάτινων και χερσαίων οικοσυστημάτων στο δέλτα Λένα μπορούσαν να καθοριστούν από αυτή τη προσέγγιση ταξινόμησης. 

<b>Εισαγωγή</b><br>

Εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και τους υδρατμούς, το ατμοσφαιρικό αέριο ίχνος μεθανίου (CH4) είναι ένα από τα πιο σημαντικά αέρια του θερμοκηπίου. Το μεθάνιο είναι χημικά πολύ δραστικό και πιο αποτελεσματικό στην απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας από ότι το διοξείδιο του άνθρακα. Το μεθάνιο έχει μια μεγάλη ποικιλία φυσικών και ανθρωπογενών πηγών. Αν και οι κυριότερες πηγές ατμοσφαιρικού μεθανίου είναι σχετικά γνωστές, ο προσδιορισμός της ποσότητας των εκπομπών μεθανίου από αυτές τις πηγές είναι δύσκολος εξαιτίας της υψηλής χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας. Οι πιο σημαντικές φυσικές πηγές είναι οι υγρότοποι.<br>
Στη μελέτη μας εφαρμόσαμε  τεχνικές τηλεπισκόπησης για τον προσδιορισμό της ποσότητας εκπομπών μεθανίου, εστιάζοντας στην περιοχή από τούνδρα του δέλτα Λένα στην βορειανατολική Σιβηρία. Οι σκοποί αυτής της μελέτης ήταν: (1) η ταξινόμηση των τύπων εδαφοκάλυψης του δέλτα Λένα με βάση τη δυναμική τους σε εκπομπή μεθανίου και χρησιμοποιώντας Landsat 7 ETM+ δορυφορικά δεδομένα, (2) ο καθορισμός της χωρικής κατανομής και κάλυψης των διαφόρων τάξεων εδαφοκάλυψης, (3) η μέτρηση των εκπομπών μεθανίου των κυριότερων τύπων εδάφους στο δέλτα Λένα και να αποδοθούν αυτές στις δικές μας τάξεις εδαφοκάλυψης. Με τη προσέγγιση μας παρέχουμε μια λεπτομερή εικόνα για την κάλυψη εδάφους και των ειδικών τοποθεσιών  εκπομπής  μεθανίου ενός μεγάλου  τοπίου υγροτόπων τούνδρας στην Αρκτική.

<b>Περιοχή Μελέτης - Μέθοδοι</b><br>

Η περιοχή μελέτης είναι το Δέλτα Λένα που βρίσκεται στην Βόρεια Σιβηρία στην ακτή της θάλασσας Laptev ανάμεσα στη χερσόνησο Ταϊμίρ και στα νησιά Νέα Σιβηρία εικόνα 1. Καταλαμβάνει μια περιοχή περίπου 29.000 km2, είναι το μεγαλύτερο δέλτα στην Αρκτική και ένα από τα μεγαλύτερα στον κόσμο. Το δέλτα χαρακτηρίζεται από ένα δίκτυο από μικρά και μεγάλα ποτάμια και κανάλια, και από περισσότερα από 1000 νησιά. Η μελέτη βασίστηκε στην ταξινόμηση της εδαφοκάλυψης τριών σχεδόν ελεύθερων από σύννεφα δορυφορικών εικόνων Landsat 7 ETM+ που καλύπτουν περισσότερο από το 98% του Δέλτα Λένα. Οι ημερομηνίες απόκτησης είναι 27/7/2000 (διαδρομή 131, σειρά 8 και 9) και 26/7/2001 (διαδρομή 135, σειρά 8). Το λογισμικό ERDAS Imagine χρησιμοποιήθηκε για να εκτελέσει όλες τις εργασίες επεξεργασίας εικόνας. Οι τρεις εικόνες Landsat 7 ETM+ διορθώθηκαν χρησιμοποιώντας σημεία επίγειου ελέγχου από τρεις άλλες ορθό διορθωμένες εικόνες Landsat 7  και εφαρμόζοντας ενός πρώτου βαθμού πολυωνυμικού μετασχηματισμού.  
[[Εικόνα:Stlas-lena-1-14.gif|right|thumb||Εικόνα 1 : Η τοποθεσία του Δέλτα Λένα στη ΒΑ Σιβηρία.[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425708003222]πηγή]]
Οι ταξινομήσεις εικόνας διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας μη επιβλεπόμενες και επιβλεπόμενες  τεχνικές. Η νεφοκάλυψη εντοπίστηκε από μια μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση και συγκαλύφθηκε ώστε να μην φαίνεται στο μωσαϊκό της εικόνας. Η μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιήθηκε επίσης για να προσδιορίσει φασματικά παρόμοιες περιοχές και πιθανές περιοχές κατάρτισης για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Ο μη επιβλεπόμενος αλγόριθμος ISODATA χρησιμοποιήθηκε για να παράγει τις ταξινομήσεις κατά τη διάρκεια ενός αριθμού εκτελέσεων ταξινόμησης με ένα ποικίλο αριθμό τάξεων (6 έως 40). Ωστόσο, ο έλεγχος με τα στοιχεία του επίγειου ελέγχου αποκάλυψε ότι οι περισσότερες από τις φασματικές τάξεις που καθορίστηκαν από αυτές τις μη επιβλεπόμενες ταξινομήσεις δεν αντιπροσωπεύουν ομοιογενείς τάξεις εδαφοκάλυψης. Ως εκ τούτου, μια επιβλεπόμενη ταξινόμηση εκτελέστηκε χρησιμοποιώντας τα φασματικά κανάλια 1-5 και 7 (VIS, NIR, SWIR). Για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση ο αλγόριθμος της Ελάχιστης Απόστασης χρησιμοποιήθηκε, διότι μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικός από τον συχνά χρησιμοποιημένο αλγόριθμο της Μεγίστης Πιθανοφάνειας όταν ο αριθμός των περιοχών κατάρτισης ανά τάξη είναι περιορισμένος. Βοηθητικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την επιλογή των περιοχών κατάρτισης για την κάθε τάξη, συμπεριλαμβανομένων  τοπογραφικοί χάρτες (1:200.000), ένα χάρτη βλάστησης και εδάφους (1:1.000.000), ένα γεωμορφολογικό χάρτη (1:500.000) και γνώσεις πεδίου. Η διαδικασία αυτή είχε ως αποτέλεσμα 34 περιοχές κατάρτισης για 10 τάξεις εδαφοκάλυψης. Μετά από την αξιολόγηση αυτών των τάξεων όσον αφορά τις εκπομπές μεθανίου τους, δυο τάξεις συγχωνεύτηκαν. Ο τελικός αριθμός τάξεων είναι εννέα. Η αξιολόγηση της ακρίβειας για την ταξινόμησή μας βασίστηκε σε 36 επικυρωμένες περιοχές που εξαπλώνονται σε όλο το δέλτα. Οι περιοχές επιλέχτηκαν χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο τυχαίας επιλογής σημείου.     
[[Εικόνα:Stlas-lena-2-14.jpg|center|image|]]<i>Πίνακας 1 : Οι μέσες ημερήσιες τιμές εκπομπής μεθανίου για τον Ιούλιο και οι ετήσιες τιμές εκπομπής για όλες τις τάξεις εδαφοκάλυψης στο Δέλτα Λένα.[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425708003222]πηγή]]</i>

<b>Αποτελέσματα</b><br>

Εννέα τάξεις κάλυψης εδάφους που χαρακτηρίστηκαν από τη βλάστηση, την υγρασία επιφάνειας και την τοπογραφία τους και συν μια τάξη κάλυψης των σύννεφων θα μπορούσαν να καθοριστούν για την περιοχή του Δέλτα Λένα:
(1)υγρό σπαθόχορτο και τούνδρα που κυριαρχούν βρύα (WT), (2) υγρή χλόη και τούνδρα που κυριαρχούν βρύα (MT), (3) τούνδρα που κυριαρχούν υγροί προς ξηροί νάνοι θάμνοι (MDD), (4) τούνδρα που κυριαρχούν ξερά βρύα-σπαθόχορτα και νάνοι θάμνοι (DMSD), (5) τούνδρα που κυριαρχεί ξερή χλόη (DG), (6) ξερές τούφες τούνδρας (DT), (7) κυρίως περιοχές χωρίς βλάστηση (NV), (8) ρηχά νερά (SW) και (9) υδάτινες συγκεντρώσεις (WB).
[[Εικόνα:Stlas-lena-3-14.gif|right|thumb||Εικόνα 2 : Επιβλεπόμενη ταξινόμηση του Δέλτα Λένα και ένα λεπτομερές υποσύνολο που δείχνει την κατανομή των τάξεων γύρω από το νησί Samoylov στο κεντρικό δέλτα.[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425708003222]πηγή]]
Τα ποσοστά εκπομπής μεθανίου ποικίλουν έντονα μεταξύ των μεμονωμένων τάξεων εδαφοκάλυψης. Ενώ τα υψηλότερα ποσά εκπέμπονται από την τάξη MDD, ακολουθούμενη από τα περιθώρια της κατάφυτης λίμνης και τις τάξεις ΜΤ και WT, τα χαμηλότερα ποσοστά εκπέμπονται από τις τάξεις με χαρακτηριστικά ξηρών υποστρωμάτων (DMSD, DG και DT). Οι τάξεις κάλυψης εδάφους WT και MT αντιπροσωπεύουν τους υγροτόπους του Δέλτα Λένα. Τα ποσοστά εκπομπής μεθανίου αυτών των υγροτόπων είναι 16,8mg CH4 m-2 d-1. Η καθημερινή εκπομπή μεθανίου ολόκληρου του Δέλτα Λένα υπολογίστηκε  300,7x106 g (τυπικό σφάλμα < 15%).<br> 
Μια κοινή μέθοδος για γενική ταξινόμηση της κάλυψης εδάφους μεγάλων ετερογενών συνόλων δεδομένων είναι η αυτόματη μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση που βασίζεται σε ένα αλγόριθμο αλυσίδα και τη μεταγενέστερη σήμανση των τάξεων εδαφοκάλυψης με τα πραγματικά χαρακτηριστικά της εδαφοκάλυψης. Τέτοιες μη επιβλεπόμενες ταξινομήσεις με πολύ μεγάλο αριθμό τάξεων αποδείχθηκαν ακατάλληλες για την ταξινόμηση της κάλυψη του εδάφους των υγροτόπων με επίκεντρο την εξισορρόπηση μεθανίου, καθώς συνήθως μόνο ένας περιορισμένος αριθμός περιοχών μέτρησης είναι διαθέσιμος. Επιπλέον, οι τάξεις που λαμβάνονται με μια τέτοια μη επιβλεπόμενη προσέγγιση είναι οικολογικά πολύ ετερογενείς και έτσι ακατάλληλες για την αναβάθμιση των τοπικών συνόλων δεδομένων. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε μια προσέγγιση επιβλεπόμενης ταξινόμησης βασισμένη σε ένα σχετικά μικρό αριθμό τάξεων για την ταξινόμηση του Δέλτα Λένα. Επιτύχαμε τα καλύτερα αποτελέσματα με τον επιβλεπόμενο αλγόριθμο της Ελάχιστης Απόστασης χρησιμοποιώντας 9 τάξεις. Οι Landsat 7 παραγόμενες τάξεις αντικατοπτρίζουν κυρίως τις τοπικές συνθήκες υγρασίας εδάφους και βλάστης, που είναι δυο σημαντικοί παράμετροι για τις εκπομπές μεθανίου μιας περιοχής. Η αξιολόγηση της ακρίβειας της επιβλεπόμενης ταξινόμησης Landsat 7 υποδεικνύει μια ικανοποιητικά καλή συνολική ακρίβεια  77,8% (kappa=0,74) για μια τόσο μεγάλη και απομακρυσμένη περιοχή μελέτης. Οι σχετικές ακρίβειες για τις μεμονωμένες τάξεις κυμάνθηκαν από 50 ως 100%. Οι λανθασμένες ταξινομήσεις εμφανίστηκαν συνήθως μέσα στις γειτονικές τάξεις με την υψηλότερη ομοιότητα στις περιβαλλοντικές παραμέτρους (π.χ. μεταξύ WT και MT). Παρά τις προκλήσεις, ήμασταν σε θέση να ταξινομήσουμε την κάλυψη εδάφους του Δέλτα Λένα και να συνδέσουμε αυτές τις τάξεις με τα ποσοστά εκπομπής μεθανίου με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα πεδίου. Αυτή η ταξινόμηση της εδαφοκάλυψης είναι η πρώτη, καλύπτοντας ολόκληρο το Δέλτα Λένα σε υψηλή ανάλυση.       
[[Εικόνα:Stlas-lena-4-14.jpg|center|image|]]<i>Πίνακας 2 : Ο πίνακας σφάλματος, της συνολικής ακρίβειας και της ακρίβειας χρήστη και παραγωγού για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση του Δέλτα Λένα .[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425708003222]πηγή]]</i>

<b>Συμπεράσματα</b><br>

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι η τηλεπισκόπηση και η επιβλεπόμενη ταξινόμηση εικόνας είναι άριστα εργαλεία για να παρέχουν μια βάση για την αναβάθμιση των τοπικών μετρήσεων εκπομπής μεθανίου σε περιοχές υψηλού γεωγραφικού πλάτους. Η επιβλεπόμενη ταξινόμηση των εικόνων Landsat 7 ETM+ είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την ανίχνευση των τύπων οικοσυστημάτων στο Δέλτα Λένα. Η εφαρμοσμένη επιβλεπόμενη ταξινόμηση της Ελάχιστης Απόστασης ήταν πολύ αποτελεσματική με τα λίγα βοηθητικά δεδομένα που ήταν διαθέσιμα για την επιλογή περιοχών κατάρτισης.<br>
Αυτή η μελέτη είναι η πρώτη προσπάθεια για εκτίμηση της εκπομπής μεθανίου στο Δέλτα Λένα με βάση δορυφορικά δεδομένα και μετρήσεις πεδίου. Αν και υπάρχει ακόμη μεγάλη δυνατότητα για την ενίσχυση της έρευνας σχετικά με την επίλυση των αβεβαιοτήτων των μετρήσεων μεθανίου για διαφορετικούς τύπους εδαφοκάλυψης, για την εκτίμηση της μεταβλητότητας των εκπομπών από τα χαρακτηριστικά υπό-τάξεων και για την επέκταση των μετρήσεων εκπομπής σε όλες τις τάξεις στο πεδίο, τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι το Δέλτα Λένα συμβάλλει σημαντικά στην παγκόσμια εκπομπή μεθανίου λόγω των εκτενών περιοχών υγροτόπων του.