Πως οι επιλογές τηλεπισκόπησης επηρεάζουν τη παρακολούθηση των οικοσυστημικών υπηρεσιών και της αξιολόγησης των παρεμβάσεων
Από RemoteSensing Wiki
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]
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)
Οι επιλογές αυτές αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας την ανάλυση BACI της διαθεσιμότητας βοσκήσιμης ύλης ενώ η 5η επιλογή διερευνήθηκε υπολογίζοντας τη παροχή της πρόληψης από διάβρωση.
Για να απεικονιστούν οι μακροπρόθεσμες πορείες των οικοσυστημικών υπηρεσιών, εντοπίστηκαν συστάδες με παρόμοια επίπεδα οικοσυστημικών υπηρεσιών πριν από την παρέμβαση, χρησιμοποιώντας φασματικούς δείκτες βλάστησης που προέρχονται από εικόνες Landsat. Αυτές οι συστάδες χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της πρόληψης της διάβρωσης και της παροχής βοσκήσιμης ύλης από το 1989 έως το 2020, αναδεικνύοντας τις μεταβολές στην παροχή οικοσυστημικών υπηρεσιών με την πάροδο του χρόνου.Περιγραφή δεδομένων τηλεπισκόπησης: Διάφορες δορυφορικές εικόνες, συμπεριλαμβανομένων των Landsat-5, 7 και 8 και του Sentinel-2, χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση RS. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης βοηθητικά δεδομένα, όπως πληροφορίες για τις κλίσεις που προέκυψαν από ένα DEM και σύνολα χωρικών δεδομένων των περιοχών παρέμβασης. Η μελέτη χρησιμοποίησε το Google Earth Engine για την πρόσβαση στα δεδομένα και την επεξεργασία τους, εξασφαλίζοντας συνεπή χειρισμό των δεδομένων σε διάφορες RS επιλογές και βήματα ανάλυσης. Παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την αξιολόγηση της επιρροής των επιλογών RS στην παρακολούθηση και αξιολόγηση των παρεμβάσεων αποκατάστασης, με έμφαση στην περιοχή Baviaanskloof στη Νότια Αφρική. Με την ενσωμάτωση των μετρήσεων πεδίου και των δεδομένων RS, η μελέτη συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση της αποτελεσματικότητας των προσπαθειών οικολογικής αποκατάστασης για την ενίσχυση των οικοσυστημικών υπηρεσιών. Συνολικά, η μελέτη υπογραμμίζει τη σημασία των επιλογών RS στην αξιολόγηση των παρεμβάσεων αποκατάστασης και τονίζει την ανάγκη προσεκτικής εξέτασης των επιλογών αυτών για να διασφαλιστεί η ακριβής εκτίμηση των αποτελεσμάτων των οικοσυστημικών υπηρεσιών.
3.ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η ταξινόμηση ISODATA των δορυφορικών δεικτών βλάστησης αποκάλυψε πέντε ομάδες βλάστησης με βάση την παροχή τροφής και τα επίπεδα πρόληψης της διάβρωσης. Η συστάδα 1 αντιπροσώπευε περιοχές με υψηλή παροχή, ενώ η συστάδα 5 υποδήλωνε χαμηλή παροχή. Οι περισσότερες εκτάσεις ανήκαν στις συστάδες 3, 4 και 5. Οι διαχρονικές τροχιές από το 1989 έως το 2020 έδειξαν διακυμάνσεις στην παροχή βοσκήσιμης ύλης και στην πρόληψη της διάβρωσης, με τη συστάδα 1 να είναι σταθερά η υψηλότερη και τη συστάδα 5 η χαμηλότερη.[Εικόνα 2] Οι εκτάσεις που αναβλάστησαν παρουσίασαν μέση μέγιστη παροχή χορτονομής που κυμάνθηκε από 16,7 kg m-2 έως 52,5 kg m-2 και μέση ελάχιστη παροχή από 4,8 kg m-2 έως 31,3 kg m-2. Η πρόληψη της διάβρωσης κυμάνθηκε από 2,43% έως 8,51% για τις μέγιστες τιμές και από 0,43% έως 5,97% για τις ελάχιστες τιμές. Η χρήση ελάχιστων τιμών και οι συστάδες με χαμηλή παροχή υπηρεσιών παρουσίασαν τη μικρότερη μεταβλητότητα. Οι περιορισμοί των εικόνων/δεδομένων χωρίς σύννεφα το 1997 και το 2006 επηρέασαν τις τιμές, οι οποίες δεν λήφθηκαν υπόψη στον υπολογισμό του BACI. Διαφορετικές επιλογές RS επηρέασαν τις αντιθέσεις BACI, ιδιαίτερα σε συστάδες με χαμηλή προσφορά υπηρεσιών. Οι μέγιστες ετήσιες τιμές έδειξαν σχετικά σταθερές αντιθέσεις BACI, υποδηλώνοντας μικρή επίδραση, ενώ οι ελάχιστες τιμές οδήγησαν σε κυμαινόμενα αποτελέσματα, υποδηλώνοντας θετικές επιδράσεις αποκατάστασης σε ορισμένα έτη. Οι επιλογές RS συχνά απέδωσαν αντίθετα πρόσημα BACI, υποδεικνύοντας ποικίλα συμπεράσματα αξιολόγησης της παρέμβασης. Η ενδοετήσια επιλογή εικόνας οδήγησε στις μεγαλύτερες αποκλίσεις, ενώ η περίοδος αναφοράς και το μέγεθος του δείγματος επηρέασαν επίσης τα αποτελέσματα. Θετικές έως αρνητικές αλλαγές στο πρόσημο αντίθεσης BACI σημειώθηκαν με αλλαγές στο σύνολο ελέγχου και στην περίοδο αναφοράς. Οι εκτιμήσεις για την πρόληψη της διάβρωσης με βάση τον Sentinel-2 ήταν υψηλότερες από τον Landsat-8 λόγω της μεγαλύτερης χωρικής μεταβλητότητας που καταγράφηκε.
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.
