Μετασχηματισμός της χωρικής δομής του δρυόδασους στη μητροπολιτική περιοχή Μινεάπολις/Σαιντ Πωλ της Μινεσότα των Η.Π.Α. σε διάστημα 7 ετών

Από RemoteSensing Wiki

Πηγή: Science Direct, Landscape and Urban Planning 81 (2007) 27–33

Transformation of the oak forest spatial structure in the Minneapolis/St.Paul metropolitan aera, Minnesota, USA over 7 years

Συγγραφείς: Kathleen Ward, Kathryn Kromroy, Jennifer Juzwik

Εικόνα 1. Τοποθεσία της υπό μελέτη περιοχής και των επτα οικολογικών υποπεριοχών στη μητροπολιτική περιοχή Μινεάπολις/Σαιντ Πωλ στη Μινεσότα.

Λέξεις κλειδιά: Quercus, κατακερματισμός, απώλεια, δρυόδασος, τηλεπισκόπηση, Landsat

Key words: Quercus, fragmentation, attrition, oak forests, remote sensing, Landsat

1. Αντικείμενο της εφαρμογής

Αντικείμενο της εφαρμογής είναι η αποτίμηση διαχρονικών αλλαγών σε δρυόδασος με τη χρήση τηλεπισκόπησης που εντάσσεται στο ευρύτερο αντικείμενο της δασοπονίας και της δασικής διαχείρισης.

2. Στόχος της εφαρμογής

Η έκταση του δρυοδάσους στην Μητροπολιτική Περιοχή των Δίδυμων Πόλεων (Twin Cities Metropolitan Area ή TCMA) στη Μινεσότα περιορίστηκε κατά 5,6% μεταξύ 1991 και 1998, ενώ, ταυτόχρονα, η χωρική δομή του υπέστη μετασχηματισμούς. Οι κυριότερες διαδικασίες που επιφέρουν τέτοιους μετασχηματισμούς είναι ο κατακερματισμός (ο κατατεμαχισμός των δασοσυστάδων σε μικρότερες), η απώλεια (η εξαφάνιση δασοσυστάδων), η διάτρηση (η διαδικασία δημιουργίας αποψιλωμένων θυλάκων εντός των δασοσυστάδων), η συρρίκνωση (η μείωση της έκτασης της δασοσυστάδας) και η κατάτμηση (από στοιχεία όπως δρόμοι και δίκτυα ηλεκτρισμού), ενώ οι συνηθέστερες αιτίες των μεταβολών αυτών είναι η μετατροπή δασικής έκτασης για αστική ή περιαστική (suburban) χρήση, η πρόκληση βλαβών από παθογόνους μικροοργανισμούς και έντομα και η κατασκευή δρόμων και δικτύων ηλεκτρισμού που διχοτομούν το δάσος. Η μελέτη αυτή αποσκοπεί στο να ενσωματώσει τηλεπισκόπηση, GIS και χωρικές μετρικές (landscape metrics) ώστε να ποσοτικοποιήσει τους μετασχηματισμούς που έλαβαν χώρα στο δρυόδασος της TCMA μεταξύ 1991 και 1998.

3. Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης έχει έκταση 770 χιλιάδες εκτάρια, περιλαμβάνει 7 κομητείες στην κεντρική-ανατολική Μινεσότα (Anoka, Carver, Dakota, Hennepin, Ramsey, Scott και Washington) και όλες τις περιοχές που ανήκουν στις 7 οικολογικές υποπεριοχές που περιγράφει ο Keys et al. (1995) και η Διεύθυνση Φυσικών Πόρων της Μινεσότα (Minnesota Department of Natural Resources, 2006). Οι τρεις μεγαλύτερες από αυτές (Big Woods, St.Paul-Baldwin-Moraines Plains και Anoka Sand Plains) αποτελούν το 87% της συνολικής έκτασης και το 93% του δρυόδασους στην TCMA.

4. Ανάλυση

Οι οικολογικές υποπεριοχές ταξινομήθηκαν χωριστά ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα ταξινόμησης με την επίτευξη μεγαλύτερης φασματικής ομοιογένειας εντός των υποπεριοχών παρά ανάμεσα σε αυτές. Τέσσερις εικόνες Landsat TM ελήφθησαν στις 16 Ιουνίου και 4 Σεπτεμβρίου 1991 και στις 18 Μαΐου και 7 Σεπτεμβρίου 1998. Για την προετοιμασία και την επεξεργασία των εικόνων χρησιμοποιήθηκε λογισμικό ERDAS Imagine. Η εικόνα διορθώθηκε με μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE) μικρότερο από 0,25 εικονοστοιχεία χρησιμοποιώντας το χαρτογραφικό υπόβαθρο των οδών της Διεύθυνσης Μεταφορών της Μιννεσότα (UTM Zone 15).

Πίνακας 2.Ακριβής εκτίμηση των ταξινομήσεων των δρυόδασων το 1991 και το 1998 από εικόνες του LANDSAT ΤΜ της μητροπολιτικής περιοχής Μινεάπολις/Σαιντ Πωλ στη Μινεσότα.

Ένα τυχαίο δείγμα δασοσυστάδων χρησιμοποιήθηκε για την επιλογή 640 τοποθεσιών δοκιμών και εκπαίδευσης για συλλογή στοιχείων στο πεδίο. Οι δύο εικόνες του 1991 τοποθετήθηκαν η μία πάνω στην άλλη, ενώ η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και με τις δύο εικόνες του 1998. Ένα επίπεδο με καλύψεις γης του 1993 χρησιμοποιήθηκε για να απομονωθούν οι δασικές περιοχές. Για κάθε υποπεριοχή υπολογίστηκε η έκταση που καλυπτόταν από τις κυρίαρχες τάξεις δασών στην TCMA (μελία, λεύκα, σφενταμιά, φλαμουριά, κ.ο.κ.) και ανάχθηκε σε ποσοστό κάλυψης επί τοις εκατό. Τα ποσοστά εισήχθησαν απριόρι για την κάθε τάξη στον επεξεργαστή φασματικής υπογραφής (spectral Signature Editor) στο λογισμικό ERDAS Imagine. Σε κάθε ζεύγος εικόνων εφαρμόστηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση στα κανάλια 3, 4 και 5 με τη χρήση του αλγορίθμου μέγιστης πιθανοφάνειας και παρήχθησαν ταξινομημένες εικόνες για το δρυόδασος της TCMA. Προκειμένου να εξαχθεί ένα επίπεδο που να απεικονίζει τις μεταβολές ανάμεσα στις ταξινομήσεις του 1991 και του 1998 χρησιμοποιήθηκε η διαφοροποίηση εικόνων(image-differencing). Η συνολική ακρίβεια των ταξινομήσεων υπολογίστηκε ανά οικολογική υποπεριοχή.

Οι ταξινομημένες εικόνες μετετράπησαν σε κάναβο (grid) με τη χρήση του ArcGIS. Το λογισμικό FRAGSTATS χρησιμοποιήθηκε για να παραχθούν από τις κανάβους οι χωρικές μετρικές του δρυοδάσους. Οι διαφορές ανάμεσα στις υποπεριοχές αναλύθηκαν με τη χρήση μετρικών για μεμονωμένες δασοσυστάδες δρυόδασους, τη διαδικασία ANOVA με το LSD του Fischer και το λογισμικό SAS.

5. Αποτελέσματα

Μεταξύ 1991 και 1998 και σε όλη την έκταση της TCMA, η συνολική έκταση των δασοσυστάδων, ο αριθμός τους, η μέση έκταση τους, η ακτίνα περιστροφής τους και ο λόγος περιμέτρου-έκτασης μειώθηκαν, ενώ η ευκλείδεια απόσταση από την κοντινότερου γείτονα αυξήθηκε. Η συνολική έκταση του δρυόδασους μειώθηκε στις 6 από τις 7 οικολογικές περιοχές από 3% έως 9,1%. Η συνολική αποτελεσματικότητα της ταξινόμησης κυμάνθηκε ανά οικολογική υποπεριοχή από 52% έως 75% και ήταν μικρότερη της επιθυμητής. Η ακρίβεια ταξινόμησης συσχετίστηκε αρνητικά με το μέγεθος της υποπεριοχής και την ανομοιογένεια των δασικών ειδών, ενώ επηρεάστηκε αρνητικά σε περιοχές όπου υπερίσχυαν οι μικρές σε μέγεθος δασοσυστάδες, αλλά και όπου ο αριθμός αυτών ήταν περιορισμένος. Προκειμένου ο ερευνητής να επιτύχει μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα για ταξινομήσεις Επιπέδου ΙΙΙ (δασικός τύπος, π.χ. δρυόδασος) μπορεί να χρησιμοποιήσει δορυφορικές εικόνες ή αεροφωτογραφίες υψηλής χωρικής ανάλυσης (π.χ. Ikonos, Quickbird).