Αξιολόγηση της ερημοποίησης και των αλλαγών στις καλύψεις γης με χρήση τεχνολογιών τηλεπισκόπησης σε μια περιοχή της Μογγολίας

''' Αξιολόγηση της ερημοποίησης και των αλλαγών στις καλύψεις γης με χρήση τεχνολογιών τηλεπισκόπησης σε μια περιοχή της Μογγολίας '''

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' '' Assessment of land cover change and desertification using remote sensing technology in a local region of Mongolia ''

'''Συγγραφείς: '''  Munkhnasan Lamchin, Jong-Yeol Lee, Woo-Kyun Lee, Eun Jung Lee, Moonil Kim, Chul-Hee Lim, Hyun-Ah Choi, So-Ra Kim

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Space Research, 2016, 57, 64–77''

'''ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: ''' Ερημοποίηση, Άμμος, Αξιολόγηση, Συσχέτιση, Δείκτης Μεγέθους Κόκκου Επιφανειακού Εδάφους 

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_1.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Γεωγραφική θέση της περιοχής μελέτης(LANDSAT ETM, 17.08.2011)  ''']]

'''Αντικείμενο'''

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι να αξιολογήσει τις αλλαγές στις καλύψεις γης και την εξέλιξη του φαινομένου της ερημοποίησης μέσω τηλεσκοπικών δεδομένων σε μια προστατευόμενη περιοχή της Μογγολίας. Ακόμη επιχειρείται η ταυτοποίηση σχέσης μεταξύ ορισμένων δεικτών, η οποία εξετάστηκε χρησιμοποιώντας ανάλυση παλινδρόμησης που βασίζεται στα εικονοστοιχεία(pixels). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται εξειδικευμένοι δείκτες, οι οποίοι προκύπτουν από τη βιομάζα της βλάστησης, το περιβαλλοντικό μοτίβο και τη μικρομετεωρολογία, ως ένδειξη για να παρουσιάσουν την υφιστάμενη κατάσταση του επιφανειακού εδάφους. 

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_2.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Γράφημα της βροχόπτωσης(1990-2014) και της θερμοκρασίας αέρα(2003-2014) της περιοχής μελέτης που δημιουργήθηκε από NASA’s Giovanni   ''']]

'''Εισαγωγή'''

Η ερημοποίηση αποτελεί ένα ακραίο φαινόμενο υποβάθμισης του εδάφους και προκαλεί μια συνεχόμενη μείωση ή εξαφάνιση της βιολογικής και οικονομικής παραγωγικότητας των εδαφικών εκτάσεων. Παγκοσμίως, τα εδάφη που πλήττονται από ερημοποίηση καλύπτουν το 24,1% της επιφάνειας της Γης και επηρεάζουν το 1/6 του πληθυσμού της. Για την εξέταση του φαινομένου έχουν μελετηθεί πληροφορίες τηλεπισκόπησης, όπως είναι ο δείκτης διαφοράς βλάστησης, ο δείκτης μεγέθους μορίου επιφανειακού εδάφους(TGSI) και η λευκαύγεια του επιφανειακού εδάφους(albedo). Ο Κανονικοποιημένος Δείκτης Διαφοράς Βλάστησης(NDVI) χρησιμοποιείται σε τηλεσκοπικές μετρήσεις για να εκτιμηθεί κατά πόσο η βλάστηση στην περιοχή είναι υγιής, ενώ παράλληλα λειτουργεί και ως ένα μέσο παρακολούθησης των μεταβολών στη βλάστηση διαχρονικά. Επιπλέον, είναι εφικτό να  παρακολουθήσουμε την ερημοποίηση μέσω της παρατήρησης των μεταβολών στο μεγέθους του κόκκου του επιφανειακού εδάφους, χρησιμοποιώντας τηλεσκοπικές τεχνικές. Αρνητικές τιμές του δείκτη TGSI υποδηλώνουν κάλυψη της γης από βλάστηση, ενώ θετικές τιμές υποδηλώνουν κάλυψη από χονδροειδή άμμο. Παράλληλα, μελέτες έδειξαν ότι η αυξημένη λευκαύγεια του επιφανειακού εδάφους υποδηλώνει υποβάθμιση της ποιότητας του εδάφους. Με τον όρο λευκαύγεια αναφερόμαστε στην ικανότητα αντανακλαστικότητας του εδάφους. Η λευκαύγεια παίρνει τιμές από 0 έως 1, με την τιμή 0 να σημαίνει πως η επιφάνεια που εξετάζουμε απορροφά όλη την υπάρχουσα ακτινοβολία.  

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_3.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Δενδροδιάγραμμα για την αξιολόγηση και κατηγοριοποίηση του βαθμού ερημοποίησης χρησιμοποιώντας τους δείκτες NDVI, TGSI και albedo   ''']]

'''Περιοχή μελέτης'''

Η μελέτη εστιάζει στην περιοχή Hongo Khaan της Μογγολίας η οποία καταλαμβάνει τμήματα από τρεις γεωγραφικές περιφέρειες, καλύπτοντας συνολικά 835,45km2. Η περιοχή περιλαμβάνει ποικίλα γεωμορφολογικά και τοπογραφικά στοιχεία, όπως υψηλούς ορεινούς όγκους, στέπες, αμμόλοφους και ποτάμια που συνθέτουν ένα σπάνιο οικοσύστημα το οποίο προστατεύεται από το 1997 και φιλοξενεί σπάνια ενδιαιτήματα. 

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_4.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Χάρτες NDVI, TGSI και albedo για κάθε χρόνο   ''']]
 
'''Μεθοδολογία'''

Η κύρια πηγή για τη μελέτη μας είναι εικόνες τηλεπισκόπησης από το δορυφόρο Landsat ETM+ και το Landsat TM, οι οποίες παρέχουν δεδομένα για εφτά διαφορετικές ημερομηνίες μεταξύ 1990 και 2001. Πραγματοποιήθηκε διαχωρισμός του βαθμού ερημοποίησης σε πέντε διαφορετικές κατηγορίες: μηδενική, χαμηλή, μέτρια, υψηλή και δριμεία ερημοποίηση. Στόχος μας είναι να διαχωρίσουμε τους βαθμούς ερημοποίησης συνδυάζοντας τις τιμές που λαμβάνουν οι τρεις δείκτες που έχουν επιλεχθεί(NDVI, TGSI, albedo). Η μέθοδος του Δέντρου Αποφάσεων(Decision Tree) είναι μια κατάλληλη προσέγγιση για το διαχωρισμό που επιθυμείται. Με βάση έρευνα που πραγματοποιήθηκε διαχρονικά οι τιμές του NDVI αντιστοιχιστήκαν με ορισμένες καλύψεις γης για τη Μογγολία. Έτσι, με την κατάλληλη κατηγοριοποίηση και των άλλων δύο δεικτών(TGSI, albedo), για κάθε εύρος τιμών που λαμβάνει ο NDVI υπάρχει ένα αντίστοιχο εύρος και για τους άλλους δύο δείκτες. Ο διακλαδωτός αυτός σχηματισμός(Decision Tree) μας δίνει τον κατάλληλο βαθμό ερημοποίησης για το κάθε εύρος τιμών που λαμβάνουν οι δείκτες. Οι εξισώσεις της παλινδρόμησης απέδειξαν τη σχέση μεταξύ εξαρτημένης(NDVI) και ανεξάρτητων μεταβλητών(TGSI, albedo), επιτρέποντας τον υπολογισμό των προβλεπόμενων τιμών για εικονοστοιχεία 5*5. Στη συνέχεια, για τη συσχέτιση μεταξύ των δεικτών χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές γραμμικής συσχέτισης Pearson, ενώ η ανάλυση μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη μέθοδο της γραμμικής παλινδρόμησης(y=a+bx), όπου y=NDVI και x=TGSI*Albedo.

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_5.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Κλίση της συσχέτισης μεταξύ NDVI, TGSI, και albedo. (a) Κλίση της συσχέτισης μεταξύ NDVI και albedo. (b) Κλίση της συσχέτισης μεταξύ NDVI και TGSI. (c) Κλίση της συσχέτισης μεταξύ TGSI και albedo   ''']] 

'''Αποτελέσματα και συζήτηση'''

Σε μορφή χρονοσειρών για τα τελευταία 20 χρόνια τέθηκαν σε σύγκριση οι εικόνες των τριών δεικτών εξετάζοντας τους όρους: ελάχιστη και μέγιστη τιμή, μέση τιμή και τυπική απόκλιση. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως το μέγεθος των σωματιδίων εδάφους έχει αλλάξει, μεταμορφώνοντας την αργιλική σύσταση σε πολύ ψιλή άμμο. Οι τιμές των δεικτών επηρεάζονται και από φυσικά φαινόμενα, όπως για παράδειγμα η ξηρασία. Σε περιοχές με χαμηλό βαθμό ερημοποίησης οι τιμές του NDVI ήταν υψηλές, ενώ εκείνες των TGSI και albedo χαμηλές. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα έδειξαν αρνητική συσχέτιση μεταξύ της χονδροειδούς άμμου και της περιεκτικότητας του εδάφους σε θρεπτικά συστατικά. Αυτό υποδηλώνει ότι οι αλλαγές στα θρεπτικά συστατικά και στη διαθεσιμότητα αυτών ελέγχθηκαν με βάση την υφή του εδάφους. Όπως επίσης συμπεραίνουμε και ότι η διανομή των σωματιδίων του εδάφους ήταν ένας απ’ τους πιο σημαντικούς παράγοντες αναστροφής του φαινομένου της ερημοποίησης. Ύστερα απ’ την ανάλυση παλινδρόμησης, τα αποτελέσματα έδειξαν πως δεν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ NDVI και albedo ή TGSI, αλλά υπάρχει υψηλή συσχέτιση μεταξύ TGSI και albedo σε περιοχές με μηδενική ερημοποίηση. Διαχρονικά η ερημοποίηση στην περιοχή μελέτης αυξάνεται. Η μετατροπή του εδάφους από αργιλικό σε ψιλή άμμο ενέτεινε τη διάβρωση από τον αέρα μέσω της μεταφοράς άμμου, φαινόμενο το οποίο προκαλεί ζημιά στη βλάστηση. Γι’ αυτό και τα τελευταία χρόνια παρατηρούμε αύξηση στην κατηγορία των περιοχών δριμείας ερημοποίησης, αφού σύμφωνα με τα αποτελέσματα οι αμμόλοφοι ανήκουν στην κατηγορία αυτή.

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_6.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Χάρτες ερημοποίησης της προστατευόμενης περιοχής Hogno Khaan για τα έτη 1990, 2002 και 2011   ''']]
[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_8.jpg  | thumb| left|Πίνακας 1:'''Κριτήρια NDVI της Μογγολίας  ''']]

'''Συμπεράσματα'''

Στη συγκεκριμένη μελέτη επιχειρήσαμε να αξιολογήσουμε και να χαρτογραφήσουμε τις αλλαγές που πραγματοποιήθηκαν διαχρονικά στις εκτάσεις που πλήττονται από ερημοποίηση για την προστατευόμενη περιοχή Hongo Khaan στην κεντρική Μογγολία. Συνολικά, το 15,3% της συνολικής έκτασης έχει υποστεί εδαφική υποβάθμιση. Η ερημοποίηση εμφανίστηκε κυρίως σε αμμόλοφους, βοσκότοπους και λιβάδια. 

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_7.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Χάρτης μεταβολών ερημοποίησης για την περίοδο 1990-2011   ''']]

'''Συμβολή της τηλεπισκόπησης'''

Η τηλεπισκόπηση, όπως φάνηκε από την εργασία, δύναται να αποτελέσει βασικό κομμάτι της ορθής αναγνώρισης της υπάρχουσας κατάστασης και να λειτουργήσει ως καταλύτης στη λήψη μέτρων προστασίας από την ερημοποίηση. Καταδεικνύει άμεσα τις πληττόμενες περιοχές διαμορφώνοντας έτσι τις κατάλληλες προτεραιότητες κατά το σχεδιασμό. Αυτό επιτυγχάνεται, καθώς μέσω διαδικασιών τηλεπισκόπησης μπορούμε να συνδυάσουμε τα αριθμητικά αποτελέσματα των δεικτών με τις αλλαγές στις καλύψεις γης και να εξάγουμε ολοκληρωμένα αποτελέσματα. Στο υπέρυθρο κανάλι κατά τη διαδικασία φωτοερμηνείας των δορυφορικών εικόνων, διακρίνεται η διαφορετικότητα στην υφή του εδάφους και στη συνέχεια αυτή συσχετίζεται με την παραγωγική ικανότητά του μέσω των κατάλληλων δεικτών. Επιπλέον, μέσω διαδικασιών τηλεπισκόπησης παρατηρήθηκε και η διάχυση των όγκων άμμου που συνετέλεσε στην εντατικοποίηση του φαινομένου της ερημοποίησης. Αξίζει να σημειωθεί πως το κομβικό στοιχείο που προσέφερε η τηλεπισκόπηση στη μελέτη αυτή είναι η δυνατότητα σύνθεσης χαρτών παρατήρησης διαχρονικών αλλαγών που συνέβαλλαν στην ολοκληρωμένη εκτίμηση των στατιστικών αλλαγών. Τα αποτελέσματα της αναλυτικής διαδικασίας μπορούν εντέλει να καταδείξουν την επικινδυνότητα της κατάστασης και να υλοποιηθούν σωτήριες παρεμβάσεις πριν να είναι αργά.

[[Εικόνα:rswiki_p1_ld_9.jpg  | thumb| center|Πίνακας 2:'''Διαμορφωμένος για τις διανομές των αλλαγών NDVI, TGSI και Albedo  ''']]