Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 23:53, 23 Απριλίου 2020

Add Your Content Here

Τίτλος:Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015. Πρωτότυπος τίτλος: Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.

• Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.

Πηγή: [1]

• Εισαγωγή

Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών. Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες. Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.

• Μεθοδολογία
• Περιοχή μελέτης

Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·( b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.

• Εικόνες Landsat και επεξεργασία

Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (α) διαδρομή / σειρά. (β) μήνα · και (γ) αισθητήρες. Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):

Δεδομένα αναφοράς εδάφους. Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS. Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης. Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση. Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή. Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).

• Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι

Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.

Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή. Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015. Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής

Σχήμα 4. Εικόνα (α) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (β) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων. Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (α) 1990; (β) 1995; (γ) 2000; (δ) 2005; και (ε) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ. Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):

όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές). Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988. Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.

• Αποτελέσματα

Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.

Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan. Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).

Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015. Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.

Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.

• Συμπεράσματα

Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.