Παρακολούθηση των επιπτώσεων ξηρασίας στα μεσογειακά κωνοφόρα δάση με τη χρήση χρονοσειρών NDVI και NDWI από δεδομένα SPOT-Vegetation.

Εισαγωγή

H μελέτη επικεντρώνεται στη διερεύνηση των αποκρίσεων της βλάστησης στις μεταβολές της βροχόπτωσης και στις συνθήκες υδατικής καταπόνησης σε τρία ελληνικά πευκοδάση (Χαλκιδική, Λέσβος, Αράξος), καθώς επίσης και στην αξιολόγηση των δεικτών NDWI και NDVI όσον αφορά την ικανότητα ανίχνευσης της ξηρασίας και της υδατικής καταπόνησης στα οικοσυστήματα αυτά.

Η αδυναμία των παραδοσιακών μεθόδων παρακολούθησης της ξηρασίας να παρέχουν σε συνεχή χωρική κάλυψη τα απαιτούμενα δεδομένα για τον χαρακτηρισμό και παρακολούθηση των χωρικών μοτίβων ξηρασίας, οδήγησε στη χρήση δορυφορικών δεδομένων για τη εξαγωγή των επιθυμητών δεδομένων. Η παρακολούθηση της βλάστησης είναι καίρια για κατανόηση της κλιματικής μεταβλητότητας και αλλαγής, μέσω της ανίχνευσης της ανταπόκρισης της βλάστησης στα φαινόμενα αυτά.

Ο Δείκτης Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς (NDVI) υπολογίζεται από τη σχέση (NIR - RED)/(NIR + RED) και στηρίζεται στην ιδιότητα της βλάστησης να απορροφά την ακτινοβολία του ερυθρού χρώματος και να ανακλά την υπέρυθρη ακτινοβολία. Έτσι υψηλότερες τιμές δηλώνουν υγιή και πυκνή βλάστηση με κόμη μεγάλης φωτοσυνθετικής ικανότητας. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται στην παρακολούθηση της βλάστησης και της ξηρασίας. O Δείκτης Νερού Κανονικοποιημένης Διαφοράς (NDWI) υπολογίζεται από τον τύπο (NIR - SWIR)/(NIR + SWIR) και όταν χρησιμοποιείται σε εφαρμογές βλάστησης υποδηλώνει την παρουσία νερού στην επιφάνεια της, δεδομένης της ιδιότητας του να απορροφά στο βραχύ υπέρυθρο (SWIR) και να ανακλά στο κοντινό υπέρυθρο (NIR). Χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της υδατικής κατάστασης και ανίχνευσης ενδεχόμενης υδατικής καταπόνησης.

Η επιλογή των περιοχών μελέτης στηρίχθηκε στην σχετική ομοιογένεια της σύνθεσης τους (Χαλκιδική και Λέσβος: Πεύκη η χαλέπιος, Αράξος: Πεύκη η πίτυς) και στην καταλληλότητα της έκτασης τους λαμβάνοντας υπόψη την 1m χωρική ανάλυση των δεδομένων.

Εικόνα 1. Ετήσιο προφίλ κατακρήμνισης στις τρεις περιοχές μελέτης για την περίοδο 11 ετών.

Εικόνα 2. Ετήσια προφίλ των μέσων μηνιαίων τιμών NDVI και NDWI στις τρεις περιοχές μελέτης κατά τη διάρκεια της περιόδου 11 ετών.

Εικόνα 3. Σημαντικότερη γραμμική συσχέτιση των μέσων τιμών NDVI & NDWI με την ολική βροχόπτωση προηγούμενων χρονικών διαστημάτων για τις τρεις περιοχές μελέτης.

Δεδομένα/Επεξεργασία

Για τους σκοπούς της παρούσας μελέτης δημιουργήθηκαν εντεκαετείς χρονοσειρές (1/1/2003-31/12/2013) NDVI και NDWI, από δεδομένα SPOT Vegetation, και συσχετίστηκαν με δεδομένα παραδοσιακών βροχομετρικών μεθόδων που μετρήθηκαν για την ίδια χρονική περίοδο, και για τις τρεις περιοχές μελέτης.

Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες σύνθεσης 10 ημερών των μέγιστων τιμών NDVI από τους δέκτες SPOT Vegetation 1 (δορυφόρος SPOT 4) και SPOT Vegetation 2 (δορυφόρος SPOT 5). Οι συνθέσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω επιλογής των καλύτερων μετρήσεων μιας περιόδου 10 ημερών από τα όργανα σύνθεσης. Για τον υπολογισμό των δεικτών NDWI χρησιμοποιήθηκαν ανακλάσεις της κορυφής της ατμόσφαιρας μετρούμενες επί καθημερινής βάσης από τους δέκτες.

Όσον αφορά τις διορθώσεις, πραγματοποίηθηκε αντικατάσταση των επισφαλών τιμών των pixel με γραμμική γραμμική παρεμβολή, μείωση θορύβου και διορθώσεις των δεικτών με βάση τα δεδομένα βροχόπτωσης. Τα δεδομένα αυτά αφορούν χρονοσειρές βροχόπτωσης επίγειων μετεωρολογικών σταθμών του δικτύου του Εθνικού Κέντρου Κλιματικών Δεδομένων (NCDC) της Εθνικής Υπηρεσίας Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA) των ΗΠΑ.

Αποτελέσματα/Συζήτηση

Οι δύο δείκτες παρουσιάζουν παρόμοιο μοτίβο εξέλιξης, με μικρές διαφοροποιήσεις, κυρίως στο χρονικό διάστημα Ιουλίου-Σεπτεμβρίου. Παρόμοια μοτίβα εμφανίζει και η εποχική ανάπτυξη των ειδών σε Χαλκιδική και Λέσβο, ενώ παρουσιάζει μικρές διαφοροποιήσεις στον Άραξο, πιθανώς λόγω διαφορετικών μετεωρολογικών συνθηκών και κυρίαρχων ειδών.

Ο δείκτης NDWI παρουσιάζει υψηλότερη συσχέτιση με τη βροχόπτωση από τον NDVI, καθιστώντας τον καταλληλότερο στη διερεύνηση της υδατικής κατάστασης της βλάστησης.

Οι συσχετίσεις μεταξύ των δύο δεικτών και δεδομένων κατακρήμνισης των προγενέστερων 12 μηνών, δείχνουν ότι οι στατιστικά σημαντικότερες σχέσεις είναι για παρόμοιες χρονικές περιόδους για όλους τις περιοχές μελέτης και συγκεκριμένα, έδειξαν ότι οι τιμές των δεικτών επηρεάζονται κυρίως από τα επίπεδα κατακρήμνισης των προηγούμενων 2 με 4 μηνών. Επιπλέον υπέδειξαν μεγαλύτερη επίδραση της βροχόπτωσης στους δείκτες (ειδικά στον NDWI) για τον Αράξο και τη Λέσβο, πιθανότατα λόγω της υψηλής εποχικής μεταβλητότητας της, και ασθενέστερη σχέση για τη Χαλκιδική εξαιτίας ομαλότερης κατανομής.

Συμπεράσματα

Η μελέτη παρουσιάζει τα πρώτα αποτελέσματα της οικοφυσιολογικής ανάλυσης σε τρία ελληνικά δάση Pinus sp διαφορετικού γωγραφικού πλάτους. Απαιτήθηκε η κατασκευή χρονοσειρών 11 ετών με δεδομένα δεδομένα SPOT Vegetation. Από τα αποτελέσματα της μελέτης, διαφαίνεται για όλες τις υπό εξέταση περιοχές η καλύτερη ανταπόκριση του NDWI στην απόδοση της υδατικής κατάστασης της βλάστησης. Οι τιμές των δεικτών NDVI και NDWI εξαρτώνται κυρίως από τα επίπεδα κατακρήμνισης των προηγούμενων 2-4 μήνες. Επιπλέον διαπιστώθηκε η μεγαλύτερη επίδραση της εντονότερης εποχικότητας της βροχόπτωσης καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους στις τιμές των δεικτών σε σχέση με μια πιο ομοιογενή διακύμανση της.

Πρόκειται για μια εν εξέλιξη μελέτη, με περαιτέρω συσχετίσεις μεταξύ των ήδη εξεταζόμενων παραμέτρων για τη καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των οικοσυστημάτων στη δυναμική του κλίματος. Η καταλληλότητα του NDWI στην παρακολούθηση των επιπτώσεων της ξηρασίας στα μεσογειακά οικοσυστήματα είναι υπό περαιτέρω έρευνα.

Πηγή

Karamihalaki, M., Stagakis, S., Sykioti, O., Kyparissis, A., & Parcharidi, I. (2016). Monitoring drought effects on Mediteranean conifer forests using SPOT-VEGETATION NDVI and NDWI timeseries. Living Planet Symposium. Prague: European Space Agency.