Λειτουργία προστατευόμενων και αλλαγμένων μεσογειακών οικοσυστημάτων: μία ταξινόμηση βασισμένη στην τηλεπισκόπιση στην Doñana, Ισπανία

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:21, 9 Φεβρουαρίου 2010

Ecosystem functioning of protected and altered Mediterranean environments: A remote sensing classification in Doñana, Spain

Λειτουργία προστατευόμενων και αλλαγμένων μεσογειακών οικοσυστημάτων: μία ταξινόμηση βασισμένη στην τηλεπισκόπιση στην Doñana, Ισπανία

Συγγραφείς: Néstor Fernández, José M. Paruelo, Miguel Delibes

Πηγή: Remote Sensing of Environment, 2009

Η χωρική ετερογένεια στη λειτουργία ενός οικοσυστήματος είναι βασικό συστατικό της οικολογικής μεταβλητότητας και απαιτεί ειδική προσοχή στα πλαίσια των παγκόσμιων αλλαγών. Τα μεσογειακά οικοσυστήματα χαρακτηρίζονται από υψηλή ετερογένεια εξαιτίας της μακρόχρονης ανθρώπινης χρήσης. Παρόλα αυτά, οι συνέπειες της ετερογένειας στο οικοσύστημα δεν είναι επαρκώς κατανοητές. Στα πλαίσια του άρθρου αναλύθηκαν οι φασματικοί δείκτες των ροών ύλης και ενέργειας στην επιφάνεια του εδάφους για να ταξινομηθεί η ετερογένεια ενός οικοσυστήματος σε μια περιοχή της Μεσογείου. Συγκεκριμένα, αναλύθηκε η χωρική μεταβλητότητα εποχιακών και ετήσιων τιμών του Ομαλοποιημένου δείκτη διαφοράς βλάστησης (Normalized Difference Vegetation Index -NDVI), η επιφανειακή θερμοκρασία (TS) και η λευκαύγεια από πέντε εικόνες Landsat ETM. Κατόπιν αυτή η μεταβλητότητα ταξινομήθηκε αριθμητικά σε λειτουργικούς τύπους οικοσυστήματος (Ecosystem Functional Types -EFTs) και ερευνήθηκε η εποχιακή δυναμική τους από την άποψη της απορρόφησης της φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας και της εξατμισοδιαπνοής. Αναγνωρίστηκαν 8 βασικοί λειτουργικοί τύποι οικοσυστήματος με διαφορές στις δυναμικές της εποχικότητας του κλάσματος της φωτοσυνθετικής ενεργής ακτινοβολίας που δέχεται η βλάστηση (fPAR ), μεγάλη διακύμανση στην ανακλαστικότητα της εισερχόμενης ακτινοβολίας και διαφορετικούς ρυθμούς εξατμισοδιαπνοής, κυρίως σε περιόδους ξηρασίας.

Διαφορετικοί παράγοντες υποβαθμίζουν με γρήγορο ρυθμό τα οικοσυστήματα σε περιφερειακό και παγκόσμιο επίπεδο. Η πρόσφατη πρόοδος στην τηλεπισκόπηση έχει συμβάλλει πολύ στη χαρτογράφηση της φυσιογνωμικής ετερογένειας των οικοσυστημάτων και της μεταβολής τους στο χώρο και το χρόνο (Kerr & Ostrovsky, 2003). Αυτό βοηθά στην κατανόηση του αντίκτυπου των ανθρώπινων επιδράσεων στα οικοσυστήματα, όπως ο κατακερματισμός και η υποβάθμιση των δασών και των υδάτινων οικοσυστημάτων, η επέκταση των ερήμων, η αύξηση των γεωργικών εκτάσεων κτλ.

Ένας λειτουργικός χαρακτηρισμός περιφερειακής κλίμακας των οικοσυστημάτων απαιτεί τον προσδιορισμό της δυναμικής των ροών ύλης και ενέργειας που δεν είναι γενικά εύκολο να γίνουν αντιληπτές. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης επιτρέπουν την ποσοτικοποίηση αυτών των ροών και υπερνικούν κάποιους από τους περιορισμούς που προκύπτουν από τη διαφορά κλίμακας μεταξύ των επιτόπιων εκτιμήσεων και της χωρικής διάστασης που απαιτείται στις περιφερειακές αναλύσεις.

Μέθοδος

Περιοχή μελέτης

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην περιοχή Doñana, στη νοτιοδυτική Ισπανία, έκτασης 3.560 km2 , που περιλαμβάνει διάφορα αντιπροσωπευτικά επίπεδα προστασίας. Στην περιοχή βρίσκονται δύο διαφορετικοί τύποι προστασίας οικοσυστημάτων, τα Εθνικά και και Φυσικά Πάρκα.

Συλλογή στοιχείων

Χρησιμοποιήθηκε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα δορυφορικών εικόνων Landsat ETM+, που καλύπτουν ένα ολόκληρο υδρολογικό έτος (από τον Οκτώβριο έως το Σεπτέμβριο) από το 2002 έως το 2003. Οι εικόνες Landsat επιλέχτηκαν επειδή παρέχουν δεδομένα με μεγάλη λεπτομέρεια, απαραίτητα για την ανίχνευση των υψηλών επιπέδων της χωρικής ετερογένειας που αναμένεται στα μεσογειακά περιβάλλοντα - το μέγεθος του pixel είναι 30m για όλες τις ζώνες εκτός από τη θερμική ζώνη (60m) - και τις πολυφασματικές πληροφορίες που απαιτούνται για τον υπολογισμό διάφορων οικοσυστημικών δεικτών.

Εκτίμηση των λειτουργικών παραμέτρων

Χρησιμοποιήσαμε τρεις περιεκτικούς δείκτες του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας του εδάφους για να καθορίσουμε τους λειτουργικούς τύπους οικοσυστήματος: τον Ομαλοποιημένο δείκτη διαφοράς βλάστησης (NDVI), ενδεικτικό της αρχικής παραγωγής, τη θερμοκρασία φωτεινότητας επιφάνειας εδάφους (TS), και τη λευκαύγεια (albedo). Ο πρώτος εκτιμήθηκε μέσω της φασματικής ανακλαστικότητας στο κόκκινο και κοντά στο υπέρυθρο διάστημα μήκους κύματος (NDVI = (NIR−RED) /(NIR + RED)), δηλαδή ζώνες 3 (0.63–0.69 μm) και 4 (0.76–0.90 μm) των εικόνων Landsat αντίστοιχα. Η επιφανειακή θερμοκρασία (TS) υπολογίστηκε μετατρέποντας τις τιμές ανακλαστικότητας στη θερμική ζώνη 6 (10.40–12.50 μm) σε θερμοκρασία “at – sensor bright”, και εφαρμόζοντας έπειτα τον αλγόριθμο “mono-window” (Qin, 2001). Τέλος, η λευκαύγεια εκτιμήθηκε από τις ζώνες 1 (blue, 0.45–0.52 μm),3,4,5 (1.55–1.75 μm) και 7 (2.08–2.35 μm), ακολουθώντας τον τύπο του Liang (2001).

Προσδιορισμός των λειτουργικών τύπων οικοσυστήματος

Ταξινομήσαμε την παρατηρηθείσα μεταβλητότητα στη λειτουργία του οικοσυστήματος χρησιμοποιώντας μεθόδους “clustering” για τη συνάθροιση των στοιχείων (αλγόριθμος Clara). O άριστος αριθμός των “clusters” k, για τη συνάθροιση της παρατηρούμενης μεταβλητότητας, εκτιμήθηκε μέσω της στατιστικής Gap (Tibshirani, 2001). Έτσι, μέσω του άριστου k προσδιορίστηκαν και χαρτογραφήθηκαν οι λειτουργικοί τύποι οικοσυστήματος.

Χαρακτηρισμός των λειτουργικών τύπων οικοσυστήματος

Εξετάσαμε έπειτα τη λειτουργική φαινολογία για κάθε τύπο που ανταποκρίνεται σε δύο παραμέτρους οικοσυστήματος που υπολογίζονται από τους αρχικούς δείκτες και τα μετεωρολογικά στοιχεία: το κλάσμα της φωτοσυνθετικής ενεργής ακτινοβολίας που δέχεται η βλάστηση (fPAR) και την εξατμισοδιαπνοή.

Αντιστοίχηση ανάμεσα στη λειτουργική και δομική ταξινόμηση

Ερευνήθηκε η σχέση μεταξύ των λειτουργικών τύπων οικοσυστήματος και της δομής της βλάστησης μέσω της ανάλυσης αντιστοίχησης (Correspondence analysis, Legendre, 1998).

Εικόνα 1: Κατανομή των λειτουργικών τύπων οικοσυστήματος (EFT) στην περιοχή Donana της νοτιοδυτικής Ισπανίας.

Αποτελέσματα

Από την ανάλυση Gap προκύπτουν 8 λειτουργικοί τύποι οικοσυστήματος (k = 8 clusters). Οι τύποι EFT.1 EFT.2 έχουν στενή σχέση ενώ ο τύπος EFT.8 έχει τη μεγαλύτερη ανομοιότητα με τους υπόλοιπους τύπους (βλ. σχ.1). Οι τύποι EFT.1-4 χαρακτηρίζονται από υψηλό Ομαλοποιημένο δείκτη διαφοράς βλάστησης (NDVI). Αυτοί είναι οι πιο συχνοί τύποι βλάστησης στην Doñana. Ο τύπος EFT.5 χαρακτηρίζεται από καθαρές αυξήσεις στην επιφανειακή θερμοκρασία και μειώσεις στον NDVI το καλοκαίρι, σε αντίθεση με τους τύπους EFT.6-8. Ο χωρικός διαχωρισμός των τύπων οικοσυστήματος σχετίζεται και με το καθεστώς προστασίας. Τρεις τύποι μη προστατευόμενων περιοχών σημείωσαν δραματικές εποχιακές μεταβολές στο fPAR (EFT.4, EFT.6 και EFT.7) και ακόμα μεγαλύτερες μεταβολές στην εξατμισοδιαπνοή το καλοκαίρι (EFT.6 και EFT.7).

Συμπεράσματα

Οι ανθρώπινες δραστηριότητες σε διάφορες οικολογικές συνθήκες έχουν αυξήσει τη λειτουργική ποικιλομορφία των μεσογειακών περιβαλλόντων, δημιουργώντας σοβαρές αλλαγές στην εποχιακή δυναμική της παραγωγής ύλης και στις ισορροπίες νερού και ενέργειας στην επιφάνεια του εδάφους. Η εν λόγω ανάλυση αποδεικνύει ότι τόσο το οικολογικό πλαίσιο, όσο και ο τύπος χρήσης της γης επηρεάζουν έντονα την κατεύθυνση και το μέγεθος των λειτουργικών αλλαγών που σχετίζονται με τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Αυτό το εύρημα υπογραμμίζει την ανάγκη να επεκταθούν οι λειτουργικές αναλύσεις οικοσυστήματος για την καλύτερη κατανόηση των επιδράσεων της μεταβλητότητας της φύσης και της χρήσης γης στις θεμελιώδεις διαδικασίες της ύλης, και στις δυναμικές της ενέργειας και του νερού.

Η συνδυασμένη χρήση της ταξινόμησης με βάση την κάλυψη γης αλλά και τη λειτουργία του οικοσυστήματος, μπορεί να βοηθήσει πολύ στην καλύτερη παρακολούθηση των συνεπειών της αλλαγής του περιβάλλοντος σε επίπεδο οικοσυστήματος, σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα.