Από RemoteSensing Wiki

Πρότυπος Τίτλος : Vegetation predicts soil shear strength in Arctic soils: Ground-based and remote sensing techniques

Συγγραφείς : Wade A. Wall, Ryan Busby, Lauren Bosche

Πηγή : [1]

Η σχέση μεταξύ βλάστησης και εδάφους έχει αναγνωριστεί εδώ και δεκαετίες ως καθοριστικός παράγοντας για τη δομή και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων. Η χωρική ετερογένεια των εδαφών επηρεάζει την κατανομή των φυτικών ειδών, τη βιοποικιλότητα και ακόμη και τις εξελικτικές διεργασίες. Αντίστροφα, η βλάστηση επηρεάζει το έδαφος μέσω της ριζικής ενίσχυσης, της ρύθμισης της υγρασίας και της εισροής οργανικής ύλης.

Η διατμητική αντοχή του εδάφους είναι κρίσιμη για τη σταθερότητα των πρανών, την ανθεκτικότητα στη διάβρωση και την πρόληψη κατολισθήσεων, ιδιαίτερα σε περιοχές με έντονες βροχοπτώσεις ή απόψυξη παγετού. Σε βορεακά και αρκτικά περιβάλλοντα, όπου οι αλλαγές του κλίματος επιταχύνουν την απόψυξη του μόνιμου παγετού, η κατανόηση και πρόβλεψη της διατμητικής αντοχής αποκτά ακόμη μεγαλύτερη σημασία.

Παραδοσιακά, η εκτίμηση της διατμητικής αντοχής βασίζεται σε επιτόπιες γεωτεχνικές μετρήσεις και σε μοντέλα που απαιτούν λεπτομερή γνώση των εδαφικών και ριζικών χαρακτηριστικών. Ωστόσο, η έλλειψη εκτεταμένων δεδομένων περιορίζει τη δυνατότητα εφαρμογής αυτών των μοντέλων σε περιφερειακή ή παγκόσμια κλίμακα. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει μια εναλλακτική προσέγγιση, καθώς επιτρέπει την έμμεση εκτίμηση της βλάστησης και, κατ’ επέκταση, της επίδρασής της στη μηχανική συμπεριφορά του εδάφους.

Η διατμητική αντοχή του εδάφους εξαρτάται από έναν συνδυασμό ενδογενών και εξωγενών παραγόντων. Στους ενδογενείς παράγοντες περιλαμβάνονται η ορυκτολογική σύσταση, η κατανομή μεγέθους των κόκκων και η γωνιότητα των σωματιδίων, ενώ στους εξωγενείς παράγοντες συγκαταλέγονται η υγρασία, η συμπύκνωση και η παρουσία βλάστησης.

Η βλάστηση αυξάνει τη διατμητική αντοχή κυρίως μέσω του ριζικού συστήματος, το οποίο λειτουργεί ως μηχανικός οπλισμός του εδάφους, αυξάνοντας τη συνοχή. Τα βαθιά και πυκνά ριζικά συστήματα έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικά στη σταθεροποίηση πρανών και στον έλεγχο της διάβρωσης. Ωστόσο, οι άμεσες μετρήσεις ριζικών χαρακτηριστικών είναι δύσκολες και συχνά περιορισμένες χωρικά.

Για τον λόγο αυτό, πολλές μελέτες έχουν επιχειρήσει να συσχετίσουν τα υπέργεια χαρακτηριστικά της βλάστησης με τη διατμητική αντοχή, βασιζόμενες σε αλλομετρικές σχέσεις μεταξύ υπέργειας και υπόγειας βιομάζας. Αυτές οι σχέσεις ανοίγουν τον δρόμο για τη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων ως έμμεσων δεικτών της εδαφικής σταθερότητας.

Η τηλεπισκόπηση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την παρακολούθηση της βλάστησης, της υγρασίας του εδάφους και των αλλαγών χρήσεων γης. Οι δορυφορικοί αισθητήρες, όπως ο Sentinel-2 του προγράμματος Copernicus, παρέχουν πολυφασματικά δεδομένα υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης, κατάλληλα για οικολογικές και γεωτεχνικές εφαρμογές.

Οι φασματικές ζώνες του Sentinel-2 καλύπτουν το ορατό, το εγγύς υπέρυθρο και το βραχύ υπέρυθρο φάσμα, επιτρέποντας τον υπολογισμό δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI, καθώς και μετασχηματισμών όπως οι δείκτες tasseled cap (φωτεινότητα, πρασινάδα, υγρασία). Οι δείκτες αυτοί έχουν συσχετιστεί με τη φυτοκάλυψη, τη βιομάζα και την υγρασία, παράγοντες που σχετίζονται έμμεσα με τη διατμητική αντοχή του εδάφους.

Η βασική πρόκληση έγκειται στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ των τηλεπισκοπικών παρατηρήσεων και των μηχανικών ιδιοτήτων του εδάφους. Αυτό απαιτεί τη δημιουργία στατιστικών ή μηχανιστικών μοντέλων που να συνδέουν τις φασματικές πληροφορίες με επιτόπιες μετρήσεις διατμητικής αντοχής

Στην παρούσα μελέτη, δεδομένα συλλέχθηκαν από 24 δασικές επιφάνειες στην εσωτερική Αλάσκα, αντιπροσωπεύοντας διαφορετικούς τύπους βορεακών δασών. Η διατμητική αντοχή του εδάφους μετρήθηκε επιτόπου με τη χρήση διατμητικού πτερυγίου, ενώ παράλληλα καταγράφηκαν υπέργεια χαρακτηριστικά της βλάστησης, όπως ο αριθμός των δέντρων και η κάλυψη αγρωστωδών.

Εικόνα 1 : Χάρτης των πέντε περιοχών δειγματοληψίας στην Αλάσκα

Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα προήλθαν από εικόνες Sentinel-2 χωρίς νέφη, οι οποίες επεξεργάστηκαν για τον υπολογισμό φασματικών ζωνών και δεικτών. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκαν χωρικά στατιστικά μοντέλα για τη διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ διατμητικής αντοχής, βλάστησης και τηλεπισκοπικών μεταβλητών.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι συγκεκριμένες φασματικές ζώνες στο ορατό φάσμα (μπλε και πράσινη ζώνη) παρουσίασαν σημαντική θετική συσχέτιση με τη διατμητική αντοχή, ενώ ο αριθμός των δέντρων συσχετίστηκε αρνητικά. Επιπλέον, πολυμεταβλητά μοντέλα που συνδύασαν φασματικές ζώνες και δείκτες (NDVI, υγρασία) βελτίωσαν την προγνωστική ικανότητα.

Εικόνα 2 : Συσχέτιση μεταξύ της αστράγγιστης διατμητικής αντοχής και των καναλιών B1 (aerosol), B2 (μπλε) και Β3 (πράσινο) του δορυφόρου Sentinel 2A

Η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων για την εκτίμηση της διατμητικής αντοχής παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, κυρίως ως προς τη χωρική κάλυψη και τη μείωση του κόστους. Η δυνατότητα επαναλαμβανόμενων μετρήσεων επιτρέπει επίσης τη μελέτη της χρονικής μεταβλητότητας, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό σε περιοχές που επηρεάζονται από την κλιματική αλλαγή.

Ωστόσο, υπάρχουν και σημαντικοί περιορισμοί. Οι σχέσεις μεταξύ φασματικών χαρακτηριστικών και εδαφικών ιδιοτήτων είναι συχνά έμμεσες και εξαρτώνται από τον τύπο βλάστησης, το έδαφος και τις τοπικές συνθήκες. Επομένως, τα μοντέλα που αναπτύσσονται σε μία περιοχή ενδέχεται να μην είναι άμεσα μεταφέρσιμα σε άλλες βιογεωγραφικές ζώνες χωρίς προσαρμογή.

Η ενσωμάτωση επιπλέον μεταβλητών, όπως δεδομένα υγρασίας εδάφους, τοπογραφίας και εδαφικής σύστασης, καθώς και η χρήση πολυχρονικών σειρών δεδομένων, αναμένεται να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια των μοντέλων.

Η παρούσα εργασία καταδεικνύει ότι η τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για την εκτίμηση της διατμητικής αντοχής των εδαφών μέσω της έμμεσης αποτύπωσης της βλάστησης. Τα δορυφορικά δεδομένα Sentinel-2, σε συνδυασμό με κατάλληλα στατιστικά μοντέλα, προσφέρουν τη δυνατότητα χωρικά εκτεταμένης και οικονομικά αποδοτικής αξιολόγησης της εδαφικής σταθερότητας σε βορεακά οικοσυστήματα.

Παρότι απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη γενίκευση των αποτελεσμάτων σε άλλες περιοχές και οικοσυστήματα, η προσέγγιση αυτή ανοίγει νέους δρόμους για την παρακολούθηση και τη διαχείριση των εδαφικών πόρων, ιδιαίτερα υπό συνθήκες ταχείας περιβαλλοντικής αλλαγής.