Η Τηλεπισκόπηση στη διατήρηση της βιοποικιλότητας

Από RemoteSensing Wiki

---

Αναθεώρηση της 10:45, 22 Ιανουαρίου 2018

Η Τηλεπισκόπηση στη διατήρηση της βιοποικιλότητας

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing for biodiversity science and conservation

Συγγραφείς: Woody Turner, Sacha Spector, Ned Gardiner, Matthew Fladeland, Eleanor Sterling and Marc Steininger

Δημοσιεύθηκε: TRENDS in Ecology and Evolution Vol.18 No.6 June 2003

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, θαλάσσια βιολογία, κοινότητες, είδος, Hyperion, AVIRIS, πολυφασματικές εικόνες

Εισαγωγή

Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιείται ο όρος «βιοποικιλότητα» με την έννοια των οργανισμών, για την αναφορά σε είδη και ορισμένα χαρακτηριστικά τους, όπως την κατανομή και τον αριθμό τους σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Χρησιμοποιείται επίσης και ευρύτερα ως ομάδες ειδών και οικολογικές κοινότητες (δηλαδή ομάδες αλληλεπιδρώντων και αλληλεξαρτώμενων ειδών). Υπάρχουν δύο γενικές τηλεπισκοπικές προσεγγίσεις της βιοποικιλότητας. Η μία είναι η άμεση τηλεπισκόπηση μεμονωμένων οργανισμών, κοπαδιών ή των οικολογικών κοινοτήτων από αερομεταφερόμενους ή δορυφορικούς αισθητήρες. Τα νέα διαστημικά συστήματα με πολύ υψηλή χωρική ανάλυση είναι τώρα διαθέσιμα από εμπορικές πηγές. Η άλλη προσέγγιση είναι η έμμεση τηλεπισκόπηση της βιοποικιλότητας μέσω της εξάρτησής τους από διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους. Για παράδειγμα, πολλά είδη εντοπίζονται σε διακριτούς οικοτόπους, όπως δασικές εκτάσεις, λιβάδια ή θαλάσσια στρώματα, οι οποίοι μπορούν να εντοπιστούν με σαφήνεια από απόσταση. Συνδυάζοντας πληροφορίες σχετικά με τις γνωστές απαιτήσεις των ειδών με χάρτες κάλυψης γης που προέρχονται από δορυφορικές εικόνες, είναι δυνατές ακριβείς εκτιμήσεις κατανομής των ειδών και του αριθμού των ειδών. Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε τρεις περιβαλλοντικές παραμέτρους: πρωτογενής παραγωγικότητα, κλίμα και διάρθρωση των ενδιαιτημάτων.

Άμεση Τηλεπισκόπηση ειδών

Υπερχωρική τεχνολογία και οι εφαρμογές της

Οι πρόσφατα εκτοξευμένοι εμπορικοί δορυφόροι με πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης πολυφασματικούς αισθητήρες, βελτιώνουν την επίλυση αντικειμένων σε κλίμακες που προηγουμένως ήταν εφικτές μόνο από αεροφωτογραφήσεις ή ταξινομημένες δορυφορικές εικόνες. Το σύστημα IKONOS από το Space Imaging και το σύστημα QuickBird από την DigitalGlobe προσφέρουν πολυφασματικές εικόνες σε αναλύσεις 4 m και 2,4-2,8 m αντίστοιχα, και πανχρωματικές εικόνες στο 1 m και 0,6-0,8 m αντίστοιχα. Σε αυτές τις αναλύσεις, καθίσταται εφικτή η άμεση ταυτοποίηση ορισμένων ειδών (π.χ. μέσω της ανίχνευσης μεμονωμένων κορμών δέντρων) και των συναθροιστικών ειδών. Η τηλεπισκόπηση των φαινολογικών μεταβολών (π.χ. καρποφορία) υπόσχεται ως μέθοδος την ανίχνευση βλάστησης σε επίπεδο είδους. Η καταγραφή της φαινολογίας των φυτών απαιτεί έναν αισθητήρα με υψηλή χρονική ανάλυση (Εικόνα 1). Η πρώτη έρευνα σχετικά με την εφαρμογή εικόνων του IKONOS για την εύρεση και καταμέτρηση των φαλαινών στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια του ωκεανού, έδειξε πως αποτελεί άλλο ένα εργαλείο για όσους παρακολουθούν όχι μόνο αυτές, αλλά και άλλα προστατευόμενα είδη φαλαινών.

Υπερφασματική τεχνολογία και οι εφαρμογές της

Σε συνδυασμό με την αύξηση της χωρικής ανάλυσης, τα οφέλη της φασματικής ανάλυσης προσφέρουν νέες δυνατότητες για άμεση τηλεπισκόπηση της βιοποικιλότητας. Ίσως τα καλύτερα παραδείγματα ταξινόμησης κάλυψης γης συγκεκριμένης κατηγορίας μέσω της φασματικής ανάλυσης προέρχονται από τη χρήση αερομεταφερόμενων και διαστημικών υπερφασματικών αισθητήρων. Αυτές οι συσκευές διαφέρουν από τους πολυφασματικούς αισθητήρες στο ότι ανιχνεύουν την ανακλώμενη ακτινοβολία σε ένα συνεχές φάσμα, που συχνά περιλαμβάνει 200 ή περισσότερες συνεχείς φασματικές ζώνες. Το όργανο Hyperion στον δορυφόρο Earth Observing-1 (EO-1) της NASA καταγράφει ορατό φως καθώς και άλλη ανακλώμενη ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που κυμαίνεται από 0,4 έως 2,5 mm σε 220 κανάλια πλάτους 10 nm. Η χωρική της ανάλυση στα 30 m και η τροχιά του δορυφόρου συμπληρώνουν αυτά του Landsat. Παρόλο που ο Hyperion είναι ο πρώτος ασύρματος αισθητήρας διαστημικής διάχυσης, το φασματοφωτόμετρο αερόβιας ορατότητας / υπέρυθρης ακτινοβολίας (AVIRIS) από την NASA πρωτοστάτησε στην υπερφασματική έρευνα σε διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της ταξινόμησης βλάστησης και ορυκτών. Οι υπερφασματικές μετρήσεις των χαρακτηριστικών της επιφάνειας των φύλλων, κατά τη διάρκεια διαφορετικών περιόδων, μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία, την εξέλιξη και την αλλαγή του οικοσυστήματος. Μία εφαρμογή είναι η ανίχνευση και η χαρτογράφηση των χωροκατακτητικών ειδών. Έρευνα που διεξήχθη στο Εθνικό Πάρκο Theodore Roosevelt της δυτικής Βόρειας Ντακότα των Η.Π.Α. ανίχνευσε με επιτυχία το παρασιτώδες Euphorbia esula, χρησιμοποιώντας τρεις υπερφασματικούς αισθητήρες σε τρεις ξεχωριστές χωρικές αναλύσεις εδάφους. Και οι τρεις αισθητήρες θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν παρασιτώσεις σε διαφορετικούς βαθμούς. Το όργανο Hyperion πέτυχε ακρίβεια χαρτογράφησης έως και 80%, αλλά δεν μπόρεσε να διακρίνει προσβολές 500 τετραγωνικών m. Ομοίως, το AVIRIS, με χωρική ανάλυση 17 μέτρων για αυτή τη δραστηριότητα, μπορεί να χαρτογραφήσει προσβολές των 160 τετραγωνικών m και το CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), με ακόμα μεγαλύτερη χωρική ανάλυση 4 m, μπορεί να χαρτογραφήσει παρασιτώσεις τόσο μικρές όσο 9 τετραγωνικών m.

Έμμεση ανίχνευση ποικιλότητας των ειδών μέσω τηλεπισκόπησης περιβαλλοντικών παραμέτρων

Τηλεπισκόπηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας για των πλούτο των ειδών

Η φύση της σχέσης μεταξύ της πρωτογενούς παραγωγικότητας και του πλούτου των ειδών εξακολουθεί να είναι αμφισβητήσιμη. Εξερευνώντας την σχέση τους σε διαφορετικές χωρικές κλίμακες και σε μια ποικιλία χερσαίων και υδάτινων οικοσυστημάτων, οι ερευνητές βρήκαν θετικές και αρνητικές γραμμικές και μονότροπες ή χονδροειδείς σχέσεις, καθώς και αποτελέσματα που δεν έδειξαν στατιστικά σημαντική σχέση. Υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις που βασίζονται στην τηλεπισκόπηση για την εκτίμηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας. Τυπικά, οι πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες που διατίθενται σε χωρικές αναλύσεις που κυμαίνονται από 4 έως 8 km, παρέχουν τη βάση για την εκτίμηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας σε μια ποικιλία χωρικής κλίμακας. Αυτές οι εκτιμήσεις προέρχονται συχνά από έναν από τους διάφορους δείκτες βλάστησης (π.χ. τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης ή τον NDVI) ή από τα άμεσα μέτρα, όπως η καθαρή πρωτογενής παραγωγικότητα (NPP).

Τεχνολογίες Τηλεπισκόπησης των κλιματικών μεταβλητών

Η μοντελοποίηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας μέσω δορυφορικών δεδομένων καταγράφει και άλλες περιβαλλοντικές μεταβλητές που μπορεί να είναι σημαντικές για την κατανόηση των χωρικών προτύπων της βιοποικιλότητας. Αυτές μπορεί να είναι κλιματικές μεταβλητές, οι οποίες λειτουργούν ως πιθανοί περιοριστικοί παράγοντες για πολλά είδη (π.χ. εποχιακή θερμοκρασία, σχετική υγρασία και υγρασία εδάφους). Τέτοιου είδους δεδομένα κλιματικών παραμέτρων έχουν καταστεί διαθέσιμες από την εκτόξευση των δορυφόρων TERRA και AQUA το 1999 και το 2002, αντίστοιχα. Οι αισθητήρες φασματοφωτομετρίας (MODIS) βρίσκονται σε αμφότερους τους δορυφόρους.

Τεχνολογίες Τηλεπισκόπησης της διάρθρωσης των ενδιαιτημάτων και της τοπογραφίας

Τα παθητικά συστήματα τηλεπισκόπησης μας δείχνουν έναν δισδιάστατο κόσμο. Τα ενεργά συστήματα φέρνουν σε εφαρμογή την τρίτη διάσταση, καθιστώντας δυνατές τις μετρήσεις για τη διάρθρωση των ενδιαιτημάτων, τη βιομάζα και την τοπογραφία. Για παράδειγμα, στα δάση, οι αισθητήρες lidar χρησιμοποιούν τα σήματα επιστροφής για να ανιχνεύσουν το ύψος της κορυφής ενός θόλου, το υψόμετρο και την απόσταση μεταξύ των φύλλων και των κλαδιών. Οι παλμοί μεγαλύτερου μήκους κύματος των ραντάρ μπορούν να διεισδύσουν στα σύννεφα και τα μεγαλύτερα μήκη κύματος του ραντάρ (δηλαδή η λωρίδα L και πέραν αυτής) διεισδύουν στην κόμη των δένδρων - ή, σε περιπτώσεις γυμνού και αργιλώδους εδάφους, στην επιφάνεια της Γης σε βάθη ενός ή περισσοτέρων μέτρων. Επίσης, το ραντάρ αποτελεί πιθανό εργαλείο μέτρησης της βιομάζας και προσδιορισμού της δομής της βλάστησης. Για πρώτη φορά, τα δεδομένα που προέρχονται από ραντάρ παρέχουν, επίσης, τοπογραφικές πληροφορίες υψηλής ανάλυσης για το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας της γης. Το 2000, η NASA και η Εθνική Υπηρεσία Καταγραφής Εικόνων και Χαρτογράφησης (NIMA) ένωσαν τις δυνάμεις τους για την αποστολή αεροσκάφους τοπογραφικού ραντάρ (SRTM) στο διαστημικό λεωφορείο Endeavour. Σε διάστημα δέκα ημερών, το ραντάρ SRTM έλαβε υψομετρικά στοιχεία από το 80% της επιφάνειας της γης. Η NASA και η NIMA τώρα παραχωρούν δεδομένα ψηφιακής ανύψωσης SRTM σε ερευνητές. Οι οριζόντιες καταχωρίσεις που διατίθενται είναι 30 μέτρα για τις ΗΠΑ και 90 μέτρα για άλλες περιοχές. Οι κατακόρυφες αναλύσεις (δηλαδή η ικανότητα του αισθητήρα να ανιχνεύει σωστά τις διαφορές ύψους) είναι της τάξεως των 5 m.

Εφαρμογές της Τηλεπισκόπησης για τη διάρθρωση των ενδιαιτημάτων και την τοπογραφία

Οι Nagendra και Johnson et al. ανέφεραν βελτιώσεις στην ταξινόμηση των δασικών τύπων και στην πρόβλεψη περιοχών με ενδημικά είδη πουλιών, μέσω της ενσωμάτωσης υψομετρικών στοιχείων. Η καταγραφή πολυάριθμων σημάτων επιστροφής lidar καθιστά δυνατή την εκτίμηση της πυκνότητας της βλάστησης σε διαφορετικά υψόμετρα και επιτρέπει την κατασκευή τρισδιάστατων προφίλ. Αυτά τα δεδομένα υποδεικνύουν τη δυνατότητα εφαρμογών, όπως η χαρτογράφηση αναπτυσσόμενων δένδρων και της κόμης τους που είναι σημαντικοί δείκτες διαστρωμάτωσης για είδη δασικών πτηνών (Εικόνα 2). Έως σήμερα, οι κύριοι χρήστες του θαλάσσιου lidar είναι λιμενικοί και μηχανικοί που διερευνούν την παράκτια δυναμική (π.χ. γεωμορφολογικές αλλαγές και δομικές συνθήκες) και μελετούν την μεταφορά ιζημάτων. Η εφαρμογή της τεχνολογίας lidar στην προστασία της θαλάσσιας βιοποικιλότητας, υπόσχεται την ανίχνευση ενδιαιτημάτων με δύο κύριους τρόπους. Ο πρώτος, όταν συνδυάζεται με οπτική τηλεπισκόπηση, τα δεδομένα επιτρέπουν στους επιστήμονες να βαθμονομούν την ανάκλαση, ώστε να μπορούν να διακρίνουν το βάθος του νερού από τις αλλαγές στο βυθό της θάλασσας. Ο δεύτερος είναι μοντέλα που βασίζονται σε στοιχεία που διεξάγονται από το lidar, τα δεδομένα βαθυμετρίας λεπτής κλίμακας και οι βιοφυσικές παράμετροι, που επηρεάζουν την ανάπτυξη και τη δυναμική του πληθυσμού πολλών οργανισμών των υφάλων (π.χ. βάθος, έκθεση και συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων) μπορούν να βοηθήσουν στην πρόβλεψη της κατανομή των βενθικών κοινοτήτων, καθώς και τις διαδικασίες που διέπουν τη διανομή αυτών των κοινοτήτων.

Συμβολή της τηλεπισκόπησης

Η πρόοδος στις χωρικές και φασματικές αναλύσεις των αισθητήρων, που είναι πλέον διαθέσιμες και στους οικολόγους, καθιστά όλο και περισσότερο εφικτή την άμεση τηλεπισκόπηση ορισμένων πτυχών της βιοποικιλότητας, όπως. για παράδειγμα, τη διάκριση των συναθροιστικών ειδών ή ακόμη και τον εντοπισμό μεμονωμένων είδών δέντρων. Σε περιπτώσεις όπου η άμεση ανίχνευση μεμονωμένων οργανισμών παραμένει ανέφικτη, οι έμμεσες προσεγγίσεις προσφέρουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τα μοντέλα ποικιλότητας. Τέτοιες προσεγγίσεις δίνουν σημαντικά περιβαλλοντικά στοιχεία από βιοφυσικά χαρακτηριστικά που ανιχνεύονται με τηλεπισκόπηση.