Πως οι επιλογές τηλεπισκόπησης επηρεάζουν τη παρακολούθηση των οικοσυστημικών υπηρεσιών και της αξιολόγησης των παρεμβάσεων

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 12:15, 26 Φεβρουαρίου 2024

Πρωτότυπος τίτλος: How remote sensing choices influence ecosystem services monitoring and evaluation results of ecological restoration interventions

Συγγραφείς: Trinidad del Río-Mena, Louise Willemen, Anton Vrieling, Andy Nelson

Λέξεις Κλειδιά: BACI, Υποβάθμιση της γης, Εκτίμηση επιπτώσεων, Ανάλυση ευαισθησίας, Νότια Αφρική, Συμβολή της φύσης στον άνθρωπο (NCP)

Δημοσιεύθηκε: Ecosystem Services Volume 64, December 2023, 101565, https://doi.org/10.1016/j.ecoser.2023.101565

1. Εισαγωγή

Η εισαγωγή παρέχει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της σημασίας της οικολογικής αποκατάστασης για την αντιμετώπιση της υποβάθμισης της γης και την προώθηση της υγείας των οικοσυστημάτων όπως και ο οργανισμός UN Decade. Ορίζει την οικολογική αποκατάσταση ως μια διαδικασία που αποσκοπεί στην υποβοήθηση της ανάκαμψης των υποβαθμισμένων οικοσυστημάτων και τονίζει τη σημασία της τόσο για τη φύση όσο και για την ανθρώπινη ευημερία. Η εισαγωγή υπογραμμίζει τα οικονομικά και κοινωνικά οφέλη των προσπαθειών αποκατάστασης και τονίζει την ανάγκη να λαμβάνεται υπόψη το οικολογικό και κοινωνικό κόστος στις επενδύσεις αποκατάστασης. Οι προκλήσεις σχετίζονται με την παρακολούθηση και την αξιολόγηση των παρεμβάσεων αποκατάστασης, συμπεριλαμβανομένης της πολυπλοκότητας των διεργασιών του οικοσυστήματος και της ανάγκης για ακριβείς μεθόδους αξιολόγησης. Εισάγει την έννοια των οικοσυστημικών υπηρεσιών ως μέτρο για την αξιολόγηση των επιπτώσεων της αποκατάστασης και τονίζει τη σημασία της κατανόησης της επίδρασης των παρεμβάσεων στις υπηρεσίες αυτές. Οι στόχοι της μελέτης είναι η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των παρεμβάσεων αποκατάστασης με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης και η αξιολόγηση του τρόπου με τον οποίο διαφορετικές μεθοδολογικές επιλογές επηρεάζουν τα αποτελέσματα της παρακολούθησης της αποκατάστασης. Η εισαγωγή εξετάζει τα υφιστάμενα πλαίσια παρακολούθησης και αξιολόγησης στον τομέα της οικολογίας αποκατάστασης, τονίζοντας τον επαναληπτικό χαρακτήρα αυτών των διαδικασιών και τη σημασία της συλλογής δεδομένων βάσης, της εφαρμογής της αποκατάστασης και της ανάλυσης και αναφοράς των αποτελεσμάτων. Παρουσιάζεται ο σχεδιασμός Πριν-Μετά-Ελέγχου-Επιπτώσεων/Before-After-Control-Impact (BACI) ως μέθοδος για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της παρέμβασης και τονίζεται η ανάγκη σύγκρισης των περιοχών ελέγχου και των αποκατεστημένων περιοχών με την πάροδο του χρόνου για την ακριβή αξιολόγηση των επιπτώσεων της αποκατάστασης. Το κείμενο υπογραμμίζει τις δυνατότητες της τηλεπισκόπησης στο σχεδιασμό, τη διαχείριση και την παρακολούθηση των έργων αποκατάστασης, ιδίως όσον αφορά την παροχή βασικών στοιχείων για την αξιολόγηση των υπηρεσιών του οικοσυστήματος. Συζητούνται τα πλεονεκτήματα της δορυφορικής τηλεπισκόπησης, όπως η ικανότητά της να προσφέρει επαναλαμβανόμενες, τυποποιημένες και επαληθεύσιμες εικόνες για παρακολούθηση μεγάλης κλίμακας. Στην εισαγωγή τονίζεται η σημασία της ενσωμάτωσης δορυφορικών εικόνων με μετρήσεις πεδίου και άλλες μεταβλητές με γεωαναφορά για την παραγωγή ακριβών εκτιμήσεων της προσφοράς οικοσυστημικών υπηρεσιών. Παρά τις δυνατότητες της τηλεπισκόπησης στην παρακολούθηση της αποκατάστασης, το κείμενο εντοπίζει ένα ερευνητικό κενό στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι διάφορες επιλογές τηλεπισκόπησης επηρεάζουν τα αποτελέσματα της αξιολόγησης της αποκατάστασης. Η μελέτη αποσκοπεί στην αντιμετώπιση αυτού του κενού καταδεικνύοντας τον αντίκτυπο των επιλογών τηλεπισκόπησης στην αξιολόγηση των παρεμβάσεων αποκατάστασης στο Baviaanskloof της Νότιας Αφρικής. Παρέχει ένα σαφές σκεπτικό για τη μελέτη και καθορίζει τους στόχους της στο ευρύτερο πλαίσιο της οικολογίας αποκατάστασης και της αξιολόγησης των οικοσυστημικών υπηρεσιών.

2. Υλικά Και Μέθοδοι

Περιοχή μελέτης & Τρόπος αποκατάστασης

Η μελέτη επικεντρώνεται σε υποτροπικούς ξηρούς θαμνώνες και θαμνότοπους στο Baviaanskloof Hartland Bawarea Conservancy, Ανατολικό Ακρωτήριο, Νότια Αφρική. Η περιοχή αυτή έχει υποβαθμιστεί σε μεγάλο βαθμό λόγω της μη βιώσιμης κτηνοτροφίας, με αποτέλεσμα την απώλεια της βλάστησης και τη μείωση των υπηρεσιών του οικοσυστήματος, όπως η παροχή χορτονομής και η πρόληψη της διάβρωσης. Για την αντιμετώπιση της υποβάθμισης έχουν εφαρμοστεί παρεμβάσεις αποκατάστασης, συμπεριλαμβανομένης της αναβλάστησης και του αποκλεισμού των ζώων.[Εικόνα 1] Η μελέτη εξετάζει συγκεκριμένα μια παρέμβαση αναβλάστησης που περιελάμβανε τη φύτευση του spekboom (Portulacaria afra),ένα ενδημικό και εύγευστο είδος για την άγρια ζωή και τα παραγωγικά ζώα, μεταξύ 2010 και 2015 σε 1.100 εκτάρια υποβαθμισμένης γης. Δύο οικοσυστημικές υπηρεσίες, η πρόληψη της διάβρωσης και η παροχή χορτονομής, επιλέχθηκαν για λεπτομερή αξιολόγηση με τη χρήση μετρήσεων πεδίου και δεδομένων τηλεπισκόπησης (RS). Για την εκτίμηση αυτών των οικοσυστημικών υπηρεσιών χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις πεδίου σε 30 δειγματοληπτικά τεμάχια. Η πρόληψη της διάβρωσης ποσοτικοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το ποσοστό της στρωματοποιημένης φυτοκάλυψης, ενώ η παροχή χορτονομής εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας αλλομετρικές εξισώσεις με βάση τις διαστάσεις και την κάλυψη της κομοστέγης. Αναπτύχθηκαν μοντέλα RS με βάση τις εικόνες Sentinel-2 και Landsat για να συσχετιστούν οι μετρήσεις πεδίου με τα δεδομένα RS( όπως BSI Bare Soil Index).[Πίνακας 1]

Εικόνα 1. (Α)Περιοχή μελέτης που βρίσκεται στις Κεντρικές Άλπεις (βορειοανατολική Ιταλία, αυτόνομη επαρχία του Νοτίου Τιρόλου) και (Β) οι 118 περιοχές μελέτης σε γεωργικές περιοχές

Τηλεπισκοπικές επιλογές για χαρτογράφηση

Επιλογή παρακολούθησης και εκτίμησης πλαισίου: Η μελέτη αξιολόγησε τον αντίκτυπο των διαφόρων επιλογών RS στην αξιολόγηση των παρεμβάσεων αποκατάστασης χρησιμοποιώντας την ανάλυση Before-After-Control-Impact (BACI). Εξετάστηκαν πέντε βασικές επιλογές RS συμπεριλαμβανομένου

•του αριθμού των περιοχών ελέγχου

•της κατανομής των περιοχών ελέγχου

•της επιλογής των εικόνων εντός του έτους

•της επιλογής των περιόδων αναφοράς

•της επιλογής του αισθητήρα RS (Landsat-8 ή Sentinel-2)

Περιβαλλοντικές Μεταβλητές

Τοπογραφικές, LIDAR και πολυφασματικές μεταβλητές υπολογίστηκαν σε κλίμακες 100 και 400 για την εκτίμηση οικοτόπων και περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών με τη μικρότερη κλίμακα να αντικατοπτρίζει το μέγεθος επικράτειας των στρουθιόμορφων πουλιών κατά την αναπαραγωγική περίοδο ενώ η μεγαλύτερη κλίμακα αντιστοιχεί στις ευρύτερες περιοχές μεγαλύτερων πουλιών.

Εικόνα 2. Τύπος περιβαλλοντικής μεταβλητής, πλήρες όνομα, περιγραφές, εύρος τιμών, ερμηνεία, για όσες έχουν εισαχθεί στα κατά μέσο όρο πιο υποστηριζόμενα μοντέλα.

Πολυφασματικές Μεταβλητές

Με χρήση του Google Earth Engine στο R υπολογίστηκε ένας Χάρτης NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) του Sentinel-2 με χωρική ανάλυση 10 m για τα έτη 2019, 2020 και 2021. Κάθε χάρτης προέκυψε ως μια σύνθετη μέση τιμή NDVI όλων των διαθέσιμων εικόνων χωρίς σύννεφα για την περίοδο από τις 15 Απριλίου έως 15 Ιουλίου. Για τις πολυφασματικές μεταβλητές, χρησιμοποιήθηκε ένας χάρτης το έτος που συνάδει με την περίοδο κατά την οποία έγινε η έρευνα της ορνιθοπανίδας. Τα πολυφασματικά δεδομένα επιτρέπουν τη μέτρηση των χαρακτηριστικών των φυτών και τη ποικιλομορφία βλάστησης. Επιπλέον, οι μετρικές υφής που προέρχονται από πολυφασματικά δεδομένα ποσοτικοποιούν φασματική και χωρική μεταβολή των τιμών των εικονοστοιχείων μιας εικόνας, και έτσι υποδηλώνουν πληροφορίες σχετικά με τη φασματική και χωρική ετερογένεια της βλάστησης. Ο μέσος NDVI, ο μέγιστος NDVI, η τυπική απόκλιση του NDVI και του δείκτη Q του NDVI Rao υπολογίστηκαν σε κάθε περιοχή μελέτης.

3.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Καταμετρήθηκαν συνολικά 3794 άτομα που ανήκαν σε 91 είδη- οι καμπύλες συσσώρευσης έδειξαν ότι η δειγματοληψία ήταν επαρκής και πλήρης. Το πιο κοινό είδος ήταν ο κότσυφας (Turdus merula) με 309 καταγραφές, ακολουθούμενη από τον κοινό σπίνο (Fringilla coelebs, 265)- μερικά από τα σπανιότερα ήταν ο καλαμοκανάς (Crex crex), η ortolan bunting/ βλάχος (Emberiza hortulana) και woodlark/δεντροσταρήθρα (Lullula arborea). Tα πουλιά που φωλιάζουν στο έδαφος-υποόροφο αντιπροσώπευαν το 38,5% των ειδών που ερευνήθηκαν, τα πουλιά που φωλιάζουν στο μεσαίο όροφο και στη κομοστέγη για 23.1%, τα πουλιά που φωλιάζουν στα δέντρα για 19,8% και αυτά που φωλιάζουν σε βράχους και κτίρια για 18,7%. Αυτά που βρίσκονται στις αγροτικές εκτάσεις και αλπικά λιβάδια αντιπροσώπευαν το 29,7%, ενώ το 26,4% ήταν δασόβια είδη, ενώ τα υπόλοιπα (44,0%) ήταν γενικευμένα είδη. Τα μισά από τα είδη (51,0%) ήταν μη απειλούμενα πουλιά, τα απειλούμενα πουλιά (κυρίως αγροτικά είδη πουλιών) ήταν 23,7% και τα υπόλοιπα είδη (25,3%) είχαν άγνωστη κατάσταση. Όσον αφορά τα δεδομένα τηλεπισκόπησης, ο δείκτης Q του Rao NDVI επιλέχθηκε σε περισσότερα από τα μισά τελικά μοντέλα και ήταν η πιο συχνά σημαντική πολυφασματική μεταβλητή στα μοντέλα. Ο δείκτης Q του LiDAR Rao διατηρήθηκε σε 10 από τα 12 και ήταν η πιο συχνά συμπεριληφθείσα μεταβλητή.

4.ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Για παράδειγμα, η αύξηση της κλίσης και του υψομέτρου ευνόησε κυρίως μια κοινότητα δασικών πουλιών, ενώ η υψηλή ηλιακή ακτινοβολία ευνόησε μια ποικιλόμορφη και πλούσια κοινότητα και ήταν ιδιαίτερα σημαντική για τα αγροτικά πουλιά. Το υψηλό NDVI και το LiDAR Rao Q συσχετίζονται με υψηλή ποικιλότητα και το NDVI Rao's Q επίσης με τη λειτουργική εντροπία των κοινοτήτων πουλιών στα αγροτικά τοπία. Το πρώτο ήταν πιο σημαντικό για τα αγροτικά και απειλούμενα είδη και το τελευταίο για τα δασικά είδη. Όπως προβλέφθηκε, αύξηση του μέσου και μέγιστου NDVI κυρίως προκάλεσε μετατόπιση της κοινότητας των πουλιών από τα αγροτικά στα δασικά είδη που φωλιάζουν, από τα απειλούμενα στα μη απειλούμενα, και από τα πουλιά που φωλιάζουν στο έδαφος-υποόροφο σε δασικά είδη που φωλιάζουν στον μεσοόροφο, στη κομοστέγη και στις κουφάλες των δέντρων. Το στρώμα θαμνώδης βλάστησης υποστηρίζει δασόβια είδη σε 400 μέτρα κλίμακα. Η ποικιλότητα των ειδών επηρεάστηκε θετικά και στις δύο κλίμακες από την ηλιακή ακτινοβολία και το Q του LiDAR Rao, και στα 400 m από τον NDVI Q του Rao.

5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η παρούσα μελέτη διερευνά τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικές επιλογές στη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης επηρεάζουν την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της αποκατάστασης για την παροχή οικοσυστημικών υπηρεσιών. Η μελέτη διαπιστώνει επίσης ότι οι περιοχές με διαφορετικά επίπεδα υποβάθμισης ανταποκρίνονται διαφορετικά στις επιλογές των RS, με τις έντονα υποβαθμισμένες περιοχές να παρουσιάζουν πιο συνεπή αποτελέσματα. Δεδομένης της σημασίας της παρακολούθησης και της αξιολόγησης της αποκατάστασης, η κατανόηση του αντίκτυπου των επιλογών RS είναι ζωτικής σημασίας.