Τηλεπισκόπηση στην οικολογία και διαχείριση δασών

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 20:15, 17 Μαρτίου 2022

Αντικείμενο εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση στην οικολογία και διαχείριση δασών

Πρωτότυπος τίτλος: Applications in Remote Sensing to Forest Ecology and Management

Συγγραφείς: Alex M. Lechner, Giles M. Foody and Doreen S. Boyd

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332220302062

DOI: https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.05.001

Εισαγωγή

Δημοφιλείς μορφές τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιούνται στην περιβαλλοντική επιστήμη είναι οι εικόνες της γήινης επιφάνειας που λαμβάνονται από αισθητήρες τοποθετημένους σε εναέριες και διαστημικές πλατφόρμες. Η τηλεπισκόπηση έχει ακόμη χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση της κατανομής των δασικών οικοσυστημάτων, των παγκόσμιων διακυμάνσεων της παραγωγικότητας των φυτών ανάλογα με την εποχή και την τρισδιάστατη (3D) δομή των δασών. Το παρόν άρθρο εξετάζει το ρόλο της τηλεπισκόπησης στην οικολογία και τη διαχείριση των δασών με έμφαση στις μη χερσαίες μορφές της, δηλαδή τους αισθητήρες, τις πλατφόρμες, τις εφαρμογές, τις μεθόδους ταξινόμησης και υποδεικνύει μελλοντικές κατευθύνσεις του συνεχώς εξελισσόμενου αυτού πεδίου.

Τηλεπισκόπηση και περιβάλλον

Τίθεται το ερώτημα γιατί ενώ πολλές δασικές περιβαλλοντικές μεταβλητές μπορούν να εκτιμηθούν άμεσα στο πεδίο, η τηλεπισκόπηση έχει γίνει σημαντική πηγή δεδομένων, το οποίο και απαντάται με έξι βασικούς λόγους:

• Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια πλήρη επισκόπηση του περιβάλλοντος το οποίο απεικονίζει, σε αντίθεση με δεδομένα πεδίου τα οποία συνήθως βασίζονται σε περιορισμένο σύνολο δειγμάτων. Επιτρέπει έτσι τη χαρτογράφηση και την παρακολούθηση οικολογικών μεταβλητών όπως οι αλλαγές στην κάλυψη γης.
• Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα είναι συνήθως ελεύθερα διαθέσιμα σε χωρικές και χρονικές κλίμακες επιτρέποντας τη μελέτη απομακρυσμένων περιοχών, αλλά και εξετάζοντας στο χρόνο τα αίτια περιβαλλοντικών ζητημάτων.
• Τα δεδομένα αποκτώνται υπό σταθερές συνθήκες αφού καταγράφουν τον τρόπο με τον οποίο η ακτινοβολία αλληλεπιδρά με το περιβάλλον, πράγμα που είναι σταθερό χωρικά και χρονικά σε αντίθεση με ανθρώπινες πρακτικές μέτρησης που ενδέχεται να διαφέρουν από χώρα σε χώρα.
• Οι εικόνες περιέχουν ή μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε ψηφιακές εικόνες και να ενσωματωθούν με άλλα δεδομένα σε ένα σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών.
• Παρά το κόστος της τηλεανίχνευσης (κατασκευή, εκτόξευση και λειτουργία δορυφορικών συστημάτων), η τηλεπισκόπηση είναι φθηνός τρόπος απόκτησης δεδομένων ανά μονάδα επιφάνειας. Επιπλέον, τα αρχεία των δορυφόρων Landsat, δορυφόροι της ESA αλλά και πόροι όπως το Google Earth Engine παρέχουν ελεύθερη πρόσβαση σε παγκόσμια δεδομένα.
• Οι περιβαλλοντικοί επιστήμονες έχουν πρόσβαση σε επιστημονικά δεδομένα τηλεπισκόπησης (δείκτης φυλλικής επιφάνειας, χρήση και κάλυψη γης), μειώνοντας το χάσμα επικοινωνίας και την ανάγκη για απόλυτα εξειδικευμένες γνώσεις τηλεπισκόπησης.

Πλατφόρμες και αισθητήρες τηλεπισκόπησης

Οι αισθητήρες τηλεπισκόπησης διακρίνονται σε παθητικούς και ενεργητικούς, ενώ οι πλατφόρμες σε γήινες όπως δορυφόρους παρατήρησης, αεροπλάνα και ελικόπτερα καθώς και μη επανδρωμένα αεροσκάφη (UAV) με σταθερές πτέρυγες ή περιστρεφόμενα. Οι αισθητήρες διακρίνονται επίσης σε πολυφασματικούς που διαθέτουν περιορισμένο αριθμό καναλιών και υπερφασματικούς που διαθέτουν χιλιάδες κανάλια. Τα οπτικά συστήματα (και τα θερμικά συστήματα) είναι παθητικοί αισθητήρες, οι οποίοι βασίζονται στο ανακλώμενο ηλιακό φως ή στην εκπεμπόμενη θερμική ενέργεια. Κατά συνέπεια δεν μπορούν να διαπεράσουν τα σύννεφα, τον καπνό ή την ομίχλη ή να χρησιμοποιηθούν τη νύχτα. Οι ενεργητικοί αισθητήρες περιλαμβάνουν την ανίχνευση φωτός και την αποστασιομέτρηση (LiDAR) και τα συστήματα ραντάρ (SAR). Αυτοί, εκπέμπουν ένα παλμό και μετρούν την οπισθοσκέδαση που αντανακλάται στον αισθητήρα. Επομένως μπορούν να χρησιμοποιηθούν με νέφωση αλλά και τη νύχτα, ενώ οι αισθητήρες SAR μπορούν να διακρίνουν τα χαρακτηριστικά της κάλυψης γης ανάλογα με την τραχύτητα της επιφάνειάς, την τρισδιάστατη δομή και την περιεκτικότητα σε νερό. Ανάλογα με το μήκος κύματος του αισθητήρα το σήμα μπορεί να διαπεράσει τη βλάστηση, το θόλο και το έδαφος. Αντίθετα, τα συστήματα LiDAR εκπέμπουν παλμό από λέιζερ και μετρούν την απόσταση από έναν στόχο και το ανακλώμενο φως. Οι διαστημικοί αισθητήρες λαμβάνουν σταθερές μετρήσεις σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα σύμφωνα με το χρόνο που απαιτείται για να επισκεφθούν εκ νέου την ίδια τοποθεσία (π.χ. Landsat κάθε 16 ημέρες). Ωστόσο, πολλοί εμπορικοί δορυφόροι, όπως η σειρά WorldView, μπορούν να αναλάβουν καθήκοντα για συγκεκριμένες τοποθεσίες. Επιπλέον, οι τελευταίοι δορυφόροι αναπτύσσονται συνήθως ως μέρος ενός αστερισμού πολλαπλών δορυφόρων για την αύξηση του χρόνου επαναφοράς (π.χ. Sentinel). Αντιθέτως, οι εναέριες πλατφόρμες έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να πετάξουν για συγκεκριμένα γεγονότα, όπως πυρκαγιά, αλλά και κάτω από σύννεφα (ιδίως τα UAV), αντιμετωπίζοντας αυτόν τον βασικό περιορισμό των δορυφόρων παρατήρησης της γης. Αερομεταφερόμενες πλατφόρμες, όπως τα UAV μπορούν να αποκτήσουν δεδομένα πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης εκατοστών.

Εφαρμογές και μέθοδοι ταξινόμησης

Στο πλαίσιο της οικολογίας και της διαχείρισης των δασών, η τηλεπισκόπηση χρησιμοποιείται για ευρύ φάσμα όπως την μέτρηση της κάλυψης γης, τη δομή και χημεία της βλάστησης και της υγρασίας, τη βιοποικιλότητα και τα χαρακτηριστικά του εδάφους. Για εφαρμογές σχετικές με τα δάση, η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μέτρηση αποθεμάτων και υπολογισμό αριθμού δέντρων ανά στρέμμα αλλά και για την αξία της ξυλείας. Για την παρακολούθηση των δασών, οι μετρήσεις αυτών των μεταβολών συμβάλλουν στην κατανόηση του οικοσυστήματος και των ανθρώπινων επιπτώσεων σε αυτό, τόσο βραχυπρόθεσμα (πχ. πυρκαγιά), όσο και μακροπρόθεσμα (πχ. κλιματική αλλαγή). Επιπλέον, από την οπτική της διαχείρισης η παρακολούθηση των δασών συμβάλλει στον προσδιορισμό πιθανών κινδύνων, ενώ παράλληλα στηρίζει πολιτικές όπως η μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους χρησιμοποιείται η τηλεπισκόπηση με σκοπό την αναπαράσταση δασικών μεταβλητών (π.χ. πυκνότητα δέντρων και βασική επιφάνεια). Τόσο τα οπτικά δεδομένα όσο και τα δεδομένα SAR παρέχονται σε (επίπεδη) μορφή raster, ενώ τα δεδομένα LiDAR έχουν τρισδιάστατη αναπαράσταση. Τα δεδομένα αυτά ταξινομούνται στη συνέχεια είτε σε κατηγορικά (πχ. χρήσεις γης) είτε σε συνεχείς εξόδους (πχ. κάλυψη φυλλώματος).

Αποτελέσματα και συμπεράσματα

Ο τομέας της τηλεπισκόπησης εξελίσσεται ραγδαία, ιδίως επειδή είναι αλληλένδετος με τον τομέα της μηχανικής, της επιστήμης των υπολογιστών, της γεωγραφίας και διαφόρων κλάδων που χρησιμοποιούν την τεχνολογία για την υποστήριξη της οικολογίας και της διαχείρισης των δασών. Ο αριθμός, το εύρος και οι επιδόσεις των πλατφορμών και των αισθητήρων αυξάνονται δραματικά και όλο και πιο πολλοί φορείς, από τις κυβερνήσεις έως την ιδιωτική βιομηχανία, αναπτύσσουν και λειτουργούν συστήματα τηλεπισκόπησης. Παρά την ραγδαία εξέλιξη όμως, τα ελεύθερα διαθέσιμα δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat, Sentinel και το (MODIS), είναι πιθανό να εξακολουθούν να διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην υποστήριξη της δασικής οικολογίας και διαχείρισης σε όλο τον κόσμο, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες. Τα περισσότερα από τα παρθένα δάση του κόσμου με υψηλή βιοποικιλότητα βρίσκονται σε τροπικά μέρη αναπτυσσόμενων εθνών με περιορισμένο προϋπολογισμό και τεχνική εμπειρογνωμοσύνη. Επιπλέον, οι πρόσθετες τεχνικές προκλήσεις της τηλεπισκόπησης είναι πως τα δάση αυτά μπορεί να είναι εξαιρετικά ποικίλα και δομικά πολύπλοκα με συχνή νεφοκάλυψη. Ωστόσο, το μέλλον είναι ελπιδοφόρο, το κόστος των δεδομένων τηλεπισκόπησης μειώνεται, η τεχνολογία UAV είναι φθηνότερη, υπάρχουν περισσότερα ελεύθερα διαθέσιμα δεδομένα και με πλατφόρμες όπως η GEE, υπάρχει μια μειωμένη απαίτηση για δαπανηρή τεχνολογία. Αυτές οι εξελίξεις οδηγούν σε μεγαλύτερο εκδημοκρατισμό της τηλεπισκόπησης για την υποστήριξη της διαχείρισης των δασών και τη διατήρηση της δασοπονίας σε μέρη του κόσμου όπου τα περιβαλλοντικά ζητήματα ασκούν μεγαλύτερες πιέσεις.