Περιορισμοί σχετικά με τη μέγιστη πυκνότητα των δένδρων με χρήση υπερχωρικής τηλεπισκόπησης και ανάλυσης περιβαλλοντικών διαβαθμίσεων

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:00, 19 Ιανουαρίου 2011

Συγγραφείς J.A. Greenberg, S.Z. Dobrowski, V.C. Vanderbilt

Πηγή Limitations on maximum tree density using hyperspatial remote sensing and environmental gradient analysis

ΕΙΚΟΝΑ 1: Εκτιμώμενη πυκνότητα κορμών (δέντρα/εκτάριο), παραγόμενη από τη χαρτογράφηση με τη βοήθεια του αλγόριθμου， για την ανατολική περιοχή της λίμνης Tahoe.

ΕΙΚΟΝΑ 2: Διαδικασία φιλτραρίσματος για να αποτραπούν οι επικαλύψεις των δέντρων. (α) είναι ένα παράδειγμα αποτελέσματος μετά την έξοδο των δεδομένων. Οι τιμές αφορούν το μέγεθος του προτύπου καθώς και ένα τυχαίο αριθμό μεταξύ 0 και 1. (β) είναι το τελικό αποτέλεσμα, όπου ένα από τους δύο επικαλυπτόμενα δέντρα 8μ αποβλήθηκε, το 2m δέντρο απομακρύνθηκε επειδή ήταν μικρότερο από το στέμμα από το οποίο επικαλυπτόταν, και το 4m δέντρο δεν εξαλείφθηκε, διότι το στέλεχος δεν εμπίπτει στο στέμμα ενός μεγαλύτερου δέντρου.

Εισαγωγή

Τέσσερις βασικοί μηχανισμοί φαίνεται ότι είναι σημαντικοί για την εξήγηση της μείωσης της πυκνότητας των δέντρων ανάλογα με το υψόμετρο: 1) παγετός, 2) ανεπαρκής διαθέσιμοι πόροι (νερό, φως, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, άλλα θρεπτικά συστατικά του εδάφους), 3) μεταβολικές απαιτήσεις σύμφωνα με τη θερμοκρασία, ανεξάρτητα από διαθεσιμότητα των πόρων και 4) διαταραχή από αβιοτικούς παράγοντες, όπως χιόνι και πάγος, ή βιοτικούς παράγοντες, όπως φυτοφάγα ζώα και παθογόνοι οργανισμοί. Δύο γενικές πειραματικές προσεγγίσεις ερευνούν το λόγο για τον οποίο μειώνεται η πυκνότητα των δένδρων καθώς αυξάνεται το υψόμετρο. Στην εργασία αυτή ακολουθείται μία τρίτη προσέγγιση για την κατανόηση της κατανομής των δέντρων. Στο πλαίσιο των προτεινόμενων μηχανισμών των δασικών ορίων, εξετάζεται κατά πόσον η μέγιστη δυνατή πυκνότητα των δέντρων στην ανατολική λεκάνη της λίμνης Tahoe, ελέγχεται από τους περιορισμούς του νερού ή από παράγοντες που σχετίζονται με τη θερμοκρασία ή από ενεργητικούς περιορισμούς (οι οποίοι θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν μη επαρκή φωτοσυνθετική ακτινοβολία, ζημιές παγετού, ή υψηλές μεταβολικές απαιτήσεις λόγω θερμοκρασίας) .

Μεθοδολογία

Περιγραφή της περιοχής

Τα δεδομένα αναλύθηκαν, από μια περιοχή ενδιαφέροντος που βρίσκεται στην ανατολική ακτή της λίμνης Tahoe, που εκτείνεται στη Νεβάδα. Η βλάστηση κυριαρχείται από δέντρα (67% της συνολικής κάλυψης) και θάμνους(31% της συνολικής κάλυψης).

Χαρακτηριστικά των εικόνων

Αποκτύθηκαν δεδομένα από εικόνες IKONOS, στις 19 Ιουλίου 2002 που καλύπτει την περιοχή ενδιαφέροντός μας. Ο IKONOS συλλέγει πολυφασματικά δεδομένα στα 4m (μπλε, πράσινο, κόκκινο και NIR), καθώς και πανχρωματικά δεδομένα στο 1m. Οι εικόνες διορθώθηκαν ατμοσφαιρικά και τοπογραφικά, βαθμονομήθηκαν με βάση τα φάσματα του εδάφους, διoρθώθηκαν με περίπου ± 5m λάθος θέσης και οξύνθηκαν χρησιμοποιώντας τις κύριες συνιστώσες όξυνσης για να δημιουργηθεί μία τεχνητή εικόνα, έχοντας εικονοστοιχεία με μέγεθος 1m., που χρησιμοποιήθηκε για όλες τις επόμενες αναλύσεις .

Ανίχνευση της περιμέτρου και της πυκνότητας των δέντρων

Κάθε εικονοστοιχείο ταξινομήθηκε στην εικόνα ως «σκιασμένη βλάστηση», «φωτισμένη βλάστηση» και «άλλη». Για να εντοπιστούν όλα τα δέντρα με ακτίνες R μεταξύ Rmin = 1 m και rmax = 8 μ., δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος αναζήτησης.

Αξιολόγηση ακρίβειας

Στη συνέχεια αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου για την ανίχνευση της παρουσίας/απουσίας δέντρων σε ένα συγκεκριμένο χώρο 30τ.μ.. Για αυτό το σκοπό έγινε φωτοερμηνεία σε 50 τυχαία επιλεγμένα 100m × 100m οικόπεδα που βρίσκονται στις εικόνες, συσχετίζοντας τις πυκνότητες από τη φωτοερμηνεία με τις πυκνότητες που προβλέφθηκαν από τον αλγόριθμο.

Περιβαλλοντικές διαβαθμίσεις, συνδυασμός διαβαθμίσεων και συνεχής περιοχές

Χρησιμοποιήθηκαν δύο περιβαλλοντικές διαβαθμίσεις που δημιουργήθηκαν με τοπογραφικά στοιχεία: ανύψωση και ετήσια ενδεχόμενη σχετική ακτινοβολία. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το 30m USGS DEM (US Geological Survey, 1998) που αντιστοιχίστηκε στην εικόνα του IKONOS για να αντλήσει το υψόμετρο και να συμβάλει στο πιθανό σχετικό μοντέλο ακτινοβολίας.

ΕΙΚΟΝΑ 3: Αποτελέσματα ταυτοποίησης για τα δύο επιλεγμένα οικόπεδα. Οι εικόνες του υποβάθρου προέρχονται από τον IKONOS και είναι ψευδοχρωματικές NIR (RGB = NIR, κόκκινο, πράσινο). α) Ένας χώρος με πυκνά δένδρα, σε εδαφικό υπόβαθρο (φωτοερμηνευτικά διακρίνονται 118 δέντρα, ενώ με τον αλγόριθμο προβλέπονται 159) και β) μία αραιή, θαμνώδης και βραχώδης περιοχή (φωτοερμηνευτικά διακρίνονται 37 κορμοί, ενώ με τον αλγόριθμο προβλέπονται 40).

Αποτελέσματα

Ανίχνευση περιμέτρου των δέντρων

Η σύγκριση των φωτοερμηνευμένων με τους προβλεπόμενους κορμούς, απέδωσε ένα ισχυρό συντελεστή συσχέτισης 0,8773 και μια γραμμική εξίσωση. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι για τις διακυμάνσεις της πυκνότητας των δένδρων στη λίμνη, ο αλγόριθμος υπερεκτιμά τη πυκνότητα των δένδρων κατά 14 δένδρα/στρέμμα (σε 0 δέντρα/ha ) και 18 δένδρα/στρέμμα (σε 150 δένδρα/στρέμμα). Η ανάλυση προσδιόρισε 3.102.601 δέντρα στην ανατολική πλευρά της λίμνης Tahoe, με ακτίνα τουλάχιστον 1m.

Συζήτηση

Η μέγιστη πυκνότητα των δένδρων στο εσωτερικό της ανατολικής περιοχής της λίμνης Tahoe φαίνεται να καθορίζεται από τα όρια του νερού (σε χαμηλότερα υψόμετρα και σε πιο φωτεινές, με νότιο προσανατολισμό πλαγιές) και της θερμοκρασίας (σε υψηλότερα υψόμετρα και στις σκοτεινότερες, βορειοανατολικές πλαγιές). Τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν τη σημασία της ολοκληρωμένης προσέγγισης στην ανάλυση της βλάστηση σε σχέση με τις διάφορες συνθήκες του περιβάλλοντος. Η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη δύναμη του συνδυασμού τηλεπισκοπικών δεδομένων με συνεχής καλύψεις περιβαλλοντικών διαβαθμίσεων, για τη διενέργεια ανάλυσης οικολογικών διαβαθμίσεων και αλλαγών. Υπερτοπικά οπτικά δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή περιφερειακών χαρτών βλάστησης με υψηλό βαθμό ακρίβειας και υψηλής ανάλυσης, που μπορούν να χρησιμοποιηθούνn ως βάση για την εξαγωγή περιβαλλοντικών διαβαθμίσεων σε κλίμακες σχετικές με μεμονωμένα και συγκεκριμένα φυτά.