Χρονική δυναμική ανάλυση ενός ορεινού οικοσυστήματος που βασίζεται σε δεδομένα τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών και πολλαπλών κλιμάκων

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 18:46, 25 Φεβρουαρίου 2020

Τίτλος άρθρου: Temporal dynamic analysis of a mountain ecosystem based on multi‐source and multi‐scale remote sensing data

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ecs2.2708

Συγγραφείς: Edurne Ibarrola‐Ulzurrun, Javier Marcello, Consuelo Gonzalo‐Martín, José Luis Martín‐Esquivel

Λέξεις-Κλειδιά: ανίχνευση μεταβολών, υπερφασματική απεικόνιση, επεμβατικά είδη, πολυφασματικές εικόνες, εικόνες τηλεπισκόπισης, support vector machine

Αντικείμενο Μελέτης

Στην περιοχή του Εθνικού Πάρκου Teide στην Ισπανία η δομή της βλάστησης του ορεινού αυτού οικοσυστήματος έχει υποστεί αλλαγές, κυρίως από την εισαγωγή του ευρωπαϊκό κουνελιού από τον άνθρωπο καθώς και από περιόδους ξηρασίας. Αυτές οι αλλαγές εμπίπτουν σε ένα γενικότερο πλαίσιο, αφού λόγω της κλιματικής αλλαγής και της ανθρωπογενούς πίεσης έχουν μειωθεί οι φυσικοί πόροι σε πολλά οικοσυστήματα. Στην περιοχή έχουν γίνει μελέτες πεδίου, οι οποίες έχουν ασχοληθεί με τις αλλαγές στη δυναμική των δύο σημαντικότερων ειδών βλάστησης στην περιοχή, το Spartocytisus supranubius και το Pterocephalus lasiospermus. Υποστηρίζοντας ότι η τηλεπισκόπιση θεωρείτε ένα σημαντικό εργαλείο για την ταξινόμηση, την παρακολούθηση και την διαχείριση μεγάλων περιοχών με γρήγορο και οικονομικό τρόπο, η εργασία προτείνει ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την παρακολούθηση των αλλαγών που διαδραματίζονται σε αυτήν την προστατευόμενη περιοχή χρησιμοποιώντας εικόνες τηλεπισκόπησης πολλών πηγών. Τα αποτελέσματα έχουν σκοπό να ενισχύσουν και να επεκτείνουν την ανάλυση που ακολουθούν οι διαχειριστές του Εθνικού Πάρκου.

Ιστορικά υπήρξε έντονη η παρουσία του ανθρώπου στην περιοχή, κυρίως λόγω της βοσκής αιγών, των εξορυκτικών δραστηριοτήτων του εδάφους και της υλοτομίας. Σήμερα η βόσκηση αιγών έχει εξαφανιστεί, ενώ η υλοτομία θεωρείται παραδοσιακή δραστηριότητα χαμηλής έντασης. Οι σημαντικότερες προκλήσεις όσο αφορά τη διαχείριση του Πάρκου είναι η δημόσια χρήση, η πίεση που ασκείτε στα βότανα λόγω των κουνελιών, οι φάσεις ξηρασίας και η αύξηση της θερμοκρασίας. Όσο αφορά τη δημόσια χρήση, αναφέρεται η δυνατότητα επίσκεψης της περιοχής από τέσσερα εκατομμύρια επισκέπτες τον χρόνο και παράλληλα η προστασία και διατήρηση της φύσης. Η παρουσία φυτοφάγων εξακολουθεί να αποτελεί παράγοντα πίεσης στη χλωρίδα, ιδιαίτερα το ευρωπαϊκό κουνέλι (Oryctolagus cuniculus), το οποίο έχει εισάγει ο άνθρωπος τον 15ο αιώνα και τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείτε αύξηση στον πληθυσμό του. Τα κουνέλια επηρεάζουν άμεσα τα οικοσυστήματα της περιοχής προκαλώντας αλλαγές στη δομή και τη σύνθεση του εδάφους, καθώς και στην ποικιλία της χλωρίδας. Παλαιότερες μελέτες έχουν μελετήσει πως τα κουνέλια έχουν επηρεάσει την δυναμική του πληθυσμού των ειδών S. supranubius και Pterocephalus lasiospermus, δύο από τα σημαντικότερα και πολυπληθέστερα είδη του συγκεκριμένου οικοσυστήματος. Ενώ τα κουνέλια περιορίζουν την επέκταση του S. supranubius επειδή τρώνε τους σπόρους του φυτού εμποδίζοντας έτσι την αναγέννηση του, παράλληλα ευνόησαν την επέκταση του P. lasiospermus επειδή αυτό το φυτό ήταν σε θέση να επωφεληθεί από τη συνεισφορά των επιπλέον θρεπτικών ουσιών από τα απορήματα των φυτοφάγων.

Το Spartocytisus supranubius είναι το βασικότερο είδος χλωρίδας του ορεινού οικοσυστήματος της Τενερίφης. Οι τάσεις εξαφάνισης του S. supranubius επηρεάζουν ολόκληρο το εθνικό πάρκο, αλλά τα αποτελέσματα είναι πιο αξιοσημείωτα στη νότια περιοχή λόγω της επίδρασης την ξηρασίας. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμπληρώσει και να προσθέσει σχετικές πληροφορίες στις προηγούμενες μελέτες, καλύπτοντας μια ευρύτερη περιοχή μελέτης και ποσοτικοποιώντας την επιφάνεια του ίδιου είδους που εξετάζεται σε αυτή τη μελέτη, καθώς και άλλα σημαντικά είδη του Εθνικού Πάρκου Teide. Επιπλέον η συγκεκριμένη έρευνα υποστηρίζει την σημαντικότητας της ανίχνευσης των μεταβολών για ζητήματα αυτού του είδους.

Μεθοδολογία

Η ταξινόμηση των ειδών του Εθνικού Πάρκου Teide απαιτεί χωρική ανάλυση μικρότερη του ενός μέτρου, προκειμένου να γίνει διάκριση σε επίπεδο είδους λόγω της πολυπλοκότητας του οικοσυστήματος, με μικτή βλάστηση και μικρούς θάμνους. Ως εκ τούτου, η μελέτη ανίχνευσης των αλλαγών, η οποία κάλυπτε 15 έτη, πραγματοποιήθηκε με τη χρήση δεδομένων πολλαπλών πηγών και πολυδιάστατων δεδομένων. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές εικόνες υψηλής ανάλυσης στη μελέτη, δύο MS που παρείχαν οι αισθητήρες QuickBird (QB) και WorldView-2 (WV-2) και μια HS από τον αισθητήρα CASI 1550i. Αναφέρετε ότι για πιο ετερογενή οικοσυστήματα, όπως οι θάμνοι ή τα τροπικά δάση, οι εικόνες HS υψηλής χωρικής ανάλυσης είναι ιδανικές για την παρακολούθηση των οικοτόπων επειδή διαθέτουν πολλές φασματικές περιοχές και κατ’ επέκταση περισσότερες πληροφορίες για την διάκριση και ανάλυση διαφορετικών ειδών. Η ημερομηνία επίσης, είναι ένας σημαντικός παράγοντας στην επιλογή της εικόνας που θα αναλυθεί. Έτσι, η απόκτηση των εικόνων του Teide έγινε κατά το τέλος της ανοιξιάτικης περιόδου καθώς τα είδη της βλάστησης έχουν μεγαλύτερη φασματική διαχωριστικότητα.

Κατά την υλοποίηση ενός έργου ανίχνευσης μεταβολών, εμπλέκονται τα ακόλουθα βήματα: προεπεξεργασία εικόνας, κατηγοριοποίηση, επιλογή κατάλληλων τεχνικών για την εφαρμογή αναλύσεων ανίχνευσης αλλαγών, και αξιολόγηση της ακρίβειας. Πριν την ανάλυση των εικόνων έγιναν διάφορα βήματα προεπεξεργασίας. Αρχικά έγινε ραδιομετρική και ατμοσφαιρική διόρθωση. Στη συνέχεια έγινε pansharpening και διόρθωση του μεγέθους των εικόνων, κάτι που θεωρείτε σημαντικό για την ανάλυση ετερογενών και μικτών οικοσυστημάτων χαμηλής βλάστησης, όπου το μέγεθος των φυτών είναι μικρό. Οι εικόνες CASI έχουν υψηλότερη χωρική ανάλυση από τις δύο εικόνες MS (QB και WV-2), επειδή η λήψη γίνεται σε αεροσκάφος αντί για δορυφόρο. Έτσι, πραγματοποιήθηκε αλλαγή μεγέθους των εικονοστοιχείων προκειμένου να υπάρχει το ίδιο μέγεθος εικονοστοιχείων (0.5 m), χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο nearest neighbor, για να αποφευχθεί η ανάμειξη πληροφοριών από γειτονικά εικονοστοιχεία. Επίσης εφαρμόστηκε ορθοαναγωγή (orthorectification) έτσι ώστε να αντιμετωπιστούν οι στρεβλώσεις που προκαλούνται από την έντονη τοπογραφία του ορεινού περιβάλλοντος και συν-εγγραφή (co-registration), γεωμετρική ευθυγράμμιση δηλαδή των εικόνων.

Αφού ολοκληρώθηκαν τα βήματα προεπεξεργασίας, πάρθηκαν εικόνες με διαφορετικές φασματικές ζώνες στα 50 cm χωρικής ανάλυσης που παρείχαν τιμές ανάκλασης της επιφάνειας της γης. Το επόμενο βήμα αφορούσε την δημιουργία μιας μάσκας για την εξάλειψη των εικονοστοιχείων χωρίς βλάστηση. Για την ενίσχυση των πληροφοριών σχετικά με τη βλάστηση και την εκτίμηση ποσοτικών χαρακτηριστικών, χρησιμοποιούνται οι δείκτες NDVI – κανονικοποιημένος δείκτης διαφοράς βλάστησης και MSAVI2 – τροποποιημένος δείκτης βλάστησης προσαρμοσμένος στο έδαφος. Ο NDVI είναι ο λόγος μεταξύ της περιοχής του κόκκινου(RED) και του εγγύς υπέρυθρου(NIR), ενώ ο MSAVI2 είναι ένας πιο σύνθετος δείκτης που χρησιμοποιείτε σε περιοχές με μεγάλο ποσοστό γυμνού εδάφους. Μετά τον υπολογισμό και των δύο δεικτών βλάστησης, έγιναν αναλύσεις boxplot προκειμένου να επιλεγεί ο καταλληλότερος δείκτης βλάστησης για να γίνει διάκριση μεταξύ βλάστησης και μη βλάστησης. Στη συνέχεια, ορίζοντας το όριο του δείκτη αφαιρέθηκαν τα εικονοστοιχεία μη βλάστησης για να ταξινομηθούν στη συνέχεια οι περιοχές βλάστησης σε επίπεδο είδους.

Το επόμενο στάδιο αφορά την διαδικασία της ταξινόμησης της κάλυψης γης. Τα κύρια βήματα που εμπεριέχονται στο στάδιο αυτό περιλαμβάνουν τον καθορισμό ενός κατάλληλου συστήματος ταξινόμησης, όπως η επιλογή περιοχών εκπαίδευσης, η επιλογή ενός κατάλληλου μοντέλου ταξινόμησης και η αξιολόγηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων. Οι περιοχές εκπαίδευσης επιλέχθηκαν κυρίως από την επιτόπια έρευνα ή χρησιμοποιώντας εικόνες με μεγάλη χωρική ανάλυση. Το πρώτο βήμα στη διαδικασία ταξινόμησης ήταν να προσδιοριστούν οι κατηγορίες που εμπεριέχονται στην περιοχή μελέτης. Οι κατηγορίες επιλέχθηκαν σύμφωνα με κριτήρια αντιπροσωπευτικότητας και αφθονίας στην περιοχη. Τα επιλεγμένα είδη ήταν τα ακόλουθα: S. supranubius, Ρ. Lasiospermus, D. bourgaeana και Ρ. Canariensis. Προκειμένου να αποκτηθούν αξιόπιστοι χάρτες ταξινόμησης, οι περιοχές εκπαίδευσης και δοκιμής επιλέχθηκαν κυρίως κατά τη διάρκεια των παρατηρήσεων πεδίου σε γνωστά σημεία γύρω από την περιοχή μελέτης. Για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας του μοντέλου ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν οι μηχανισμοί φορέα υποστήριξης - support vector machines (SVM). Τέλος, έγινε η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ταξινόμησης με στατιστική αξιολόγηση ακρίβειας.

Το τελικό βήμα είναι η ανάλυση των αλλαγών. Για αυτό το σκοπό επιλέχθηκε η τεχνική της μετα-ταξινόμησης, η οποία ταξινομεί ανεξάρτητα κάθε εικόνα και συγκρίνει τους ταξινομημένους χάρτες σε βάση pixel-by-pixel για να προσδιορίσει τις αλλαγές. Εκτός αυτού, ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών, αισθητηριακών και περιβαλλοντικών διαφορών μεταξύ εικόνων πολλαπλών χρονικών και πολλαπλών πηγών. Στη μελέτη επισημαίνετε η δυσκολία ταξινόμησης ορισμένων τύπων βλάστησης λόγω της πολυπλοκότητας του οικοσυστήματος της χαμηλής βλάστησης, με μικτά και μικρά είδη βλάστησης, όπως για παράδειγμα το D. bourgaeana. Έτσι αναφέρετε ως το σημαντικότερο εμπόδιο, η λανθασμένη ταξινόμηση κάποιων ειδών λόγω της φασματικής τους ομοιότητας και της μεγάλης τους ανάμειξης σε κάποιες περιοχές. Τέλος εφαρμόστηκε μια οπτική επιθεώρηση για κάθε ταξινόμηση για τον προσδιορισμό των περιοχών σφάλματος μεταξύ ταξινομήσεων. Επιπλέον, τα αποτελέσματα της ταξινόμησης αξιολογήθηκαν ποσοτικά χρησιμοποιώντας τα confusion matrices, τη συνολική ακρίβεια και το kappa coefficient.

Συμπεράσματα

Συμπερασματικά παρατηρείται ο τρόπος με τον οποίο η συνολική βλάστηση σχεδόν διπλασιάστηκε από το 2002. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι το είδος P. canariensis και D. bourgaeana μετέβαλαν ελάχιστα την περιοχή κάλυψής τους, όπως αναμενόταν λαμβάνοντας υπόψη προηγούμενα έργα. Από την άλλη, το Pterocephalus lasiospermus, ένα πολύ σπάνιο είδος πριν από κάποιες δεκαετίες, έχει αυξηθεί από το 2002 έως το 2017, τριπλασιάζοντας την αρχική έκταση του τα τελευταία 15 έτη. Το S. supranubius παρουσίασε αύξηση από 0,032 km2 από το 2002 έως το 2011, ωστόσο, ο πληθυσμός του μειώθηκε έως το 2017 σε χαμηλότερες τιμές από ό, τι το 2002, με καθαρή απώλεια 0,014 km2 κατά τα 15 έτη που αναλύθηκαν. Στην παρούσα έρευνα αναγνωρίζετε το γεγονός πως τα αποτελέσματα επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες, όπως η χωρική ανάλυση των αισθητήρων, η ανάμειξη ειδών και η ακρίβεια ταξινόμησης. Ωστόσο, υποστηρίζετε ότι παρέχουν αρκετά ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική του οικοσυστήματος Teide και κατ’ επέκταση είναι δυνατόν να εντοπιστούν τάσεις μεταβολής της βλάστησης στην περιοχή. Η τηλεπισκόπιση έκανε δυνατή τη μελέτη αυτών των αλλαγών σε μια ευρύτερη περιοχή, καθώς και τη λήψη ποσοτικών αποτελεσμάτων για τον τρόπο με τον οποίο η κάλυψη και η τοποθεσία του είδους άλλαξαν κατά τη διάρκεια των ετών. Εν κατακλείδι, το προτεινόμενο πλαίσιο τηλεπισκόπησης είναι «οικολογικής σημασίας, στατιστικά αξιόπιστο, οικονομικά αποδοτικό, ευέλικτο και ευέλικτο στη χρήση του σε άλλα συστήματα», παρέχοντας έτσι οδηγίες στους περιβαλλοντικούς διαχειριστές.

Εικόνα 1: (α) Πρωτότυπη πολυφασματική εικόνα και (β) συγκολλημένη εικόνα. Πάνω σειρά: εικόνες QuickBird. Κάτω σειρά: εικόνες WorldView-2.

Εικόνα 2: Πάνω σειρά : Προεπεξεργασμενες εικόνες με μάσκα. Κάτω σειρά : Χάρτες ταξινόμισης