RemoteSensing Wiki - Συνεισφορές χρήστη [el]

Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery

2020-04-27T09:08:17Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Εκτίμηση παραγωγής/Απόδοση]]
*'''Τίτλος: Εκτίμηση γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού με χρήση πολυφασματικών εικόνων από Drone.'''
*'''Πρωτότυπος Τίτλος:Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery'''
*DIMITRIS STAVRAKOUDIS , DIMITRIOS KATSANTONIS, KALLIOPI KADOGLIDOU, ARGYRIS KALAITZIDIS AND IOANNIS Z. GITAS
*'''Πηγή:''' [https://www.mdpi.com/2072-4292/11/5/545]
*'''Εισαγωγή'''
Το Ρύζι αποτελεί κύρια πηγή τροφής για πάνω από 3.000.000.000 ανθρώπους. Λόγω της αυξημένης αύξησης, στις αγροτικές καλλιέργειες παρατηρείται εκτεταμένη χρήση των αζωτούχων λιπασμάτων (N), η οποία προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως τον ευτροφισμό των επιφανειακών υδάτων και την εξάντληση των στρωμάτων του όζοντος.
Η εργασία αφορά την δημιουργία εμπειρικών μοντέλων για την πρόβλεψη των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού, που εξαρτώνται από την απόδοση και τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε άζωτο (Ν), με απώτερο στόχο την ορθολογική χρήση των λιπασμάτων αζώτου στις καλλιέργειες. Τα μοντέλα κατασκευάστηκαν με την χρήση δεδομένων πεδίου και εικόνων που λήφθηκαν με τη χρήση μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (drone), με πολυφασματικό αισθητήρα.
*'''Περιοχή μελέτης'''
Τα δεδομένα πεδίου και εικόνων, συλλέχθηκαν σε πειραματικές καλλιέργειες ρυζιού στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (πειραματικός σταθμός Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης) σε διάφορά στάδια των καλλιεργειών και σε περίοδο δύο συνεχόμενων ετών (2016-2017).
*'''Μεθοδολογία'''
*'''1. Πειράματα πεδίου'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_01.jpg | thumb | left | Εικόνα 1: Τοποθεσία του σταθμού πειραματισμού (κόκκινα ορθογώνια) στην Ελλάδα (πάνω αριστερά), επισκόπηση ολόκληρου του πειραματικού σταθμού στην Καλοχώρι (πάνω δεξιά) και τη διαμόρφωση των πειραματικών αγροτεμαχίων (κάτω). Στο τελευταίο, το χρώμα κάθε οικοπέδου υποδηλώνει την ποσότητα αζώτου (N) της κάθε μεθόδου λίπανσης (C0: 0 kg∙ha−1, C1: 80 kg∙ha−1, C2: 160 kg∙ha−1, and C3: 320 kg∙ha−1)]]
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_02.jpg | thumb | left | Εικόνα 3: Διασπορά προβλέψεων στα αγροτεμάχια έναντι παρατηρούμενων τιμών, για επιλεγμένα γεωπονικά χαρακτηριστικά. Ι) Μοντέλα κατασκευασμένα (λαμβάνοντας υπόψη όλες τις 39 πιθανές εισροές πριν από την επιλογή εισόδου) στο όργωμα για (a) BT25, (b) NU25, και (c) απόδοση ΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από δύο εικόνες μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) για τα στοιχεία (d) PH45, (e) BT45, (f) NU45, (g) NUG και (h) απόδοση ΙΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από τρεις εικόνες UAV για (i) NUG, (j) απόδοση, (k) NC45, και (l) NCG. Η γκρίζα διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την ιδανική τέλεια γραμμική σχέση, ενώ η συνεχής κόκκινη γραμμή είναι η απλή γραμμή γραμμικής παλινδρόμησης των προβλεπόμενων δεδομένων που έχουν παρατηρηθεί.]]

Οι πειραματικές καλλιέργειες αναπτύχτηκαν σε έκταση του πειραματικού σταθμού Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης. Για την εκτίμηση των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του ρυζιού και σε διαφορετικές θεραπείες λίπανσης του εδάφους, επιλέχθηκαν σπόροι ρυζιού Ιαπωνίας, τύπου Ελληνικής Εμπορικής ποικιλίας «ΔΙΩΝ», που ανήκουν στην Ευρωπαϊκή Κεντρική συλλογή (http://tropgenedb.CIRAD.FR). Επιλέχθηκε να γίνει εφαρμογή τεσσάρων διαφορετικών ποσοτήτων λίπανσης ανά τμήμα καλλιέργειας, με ένα νέο βιο-λίπασμα (RBBf), που αναπτύχθηκε στον Ελληνικό Γεωργικό Οργανισμό – ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ), στο πλαίσιο του προγράμματος Ορίζων 2020, με τις τέσσερις κατηγορίες (C0, C1, C2, C3) να διαφοροποιούνται ως προς την ποσότητα εμπλουτισμού με λίπασμα ως εξής: 1) 0 N kg ∙ ha − 1 — Έλεγχος χωρίς επεξεργασία (C0) 2) 80 N kg ∙ ha − 1 του RBBf (C1) •3) 160 N kg ∙ ha − 1 του RBBf — πρότυπη τοπική πρακτική για την καλλιέργεια ρυζιού (C2) • και 4) 320 N kg ∙ ha − 1 RBBf (C3). Σε κάθε διαφορετική κατηγορία λίπανσης επιλέχθηκαν πέντε περιοχές για την λήψη δεδομένων και το μέγεθος κάθε περιοχής πειραματικής σχεδίασης να έχει εμβαδό 11τ.μ. (5Χ2,5μ.).

Η φύτευση έγινε στα πλημμυρισμένα αγροτεμάχια στις 2 Ιουνίου 2016 και στις 9 Ιουνίου 2017, αντίστοιχα. Το σύστημα λίπανσης του εδάφους ακολούθησε τις τοπικές και διεθνείς τυποποιημένες πρακτικές για την καλλιέργεια ρυζιού, όπου η ποσότητα λίπανσης διαιρείται σε τρεις φάσεις: το 40% του N – P – K ενσωματώνονται ως βασικό λίπασμα πριν από τις πλημμύρες, το 40% εφαρμόζεται στο στάδιο της όργωσης, και ομοίως τα υπόλοιπα (20%) στο στάδιο της μύησης (πριν τη διόγκωση). Εκτός από τη λίπανση, εφαρμόστηκαν όλες οι υπόλοιπες κοινές πρακτικές. Το όλο πείραμα ολοκληρώθηκε όταν τα φυτά έφτασαν στο στάδιο φυσιολογικής ωριμότητας στις 6 Οκτωβρίου 2016 και στις 10 Οκτωβρίου 2017, αντίστοιχα.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου πειραματισμού, αξιολογήθηκαν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στα κατάλληλα στάδια της κλίμακας BBCH: (1) ύψος φυτού (PH, cm), μετρώντας το κύριο στέλεχος 30 τυχαίων φυτών ρυζιού ανά οικόπεδο • (2) ολική βιομάζα (BT, tn•ha−1), κόβοντας ολόκληρης της βιομάζας σε 0.25m2 από κάθε τμήμα των αγροτεμαχίων και ζυγίζοντας το μετά από 48 h στεγνώματος με αέρα στους 70 °C , • (3) η συγκέντρωση N (NC,%), που καθορίζεται από τη διαδικασία macro-Kjeldahl • (4) N πρόσληψη (NU; kg ∙ ha − 1 ), υπολογιζόμενη ως συνολική συγκέντρωση βιομάζας × N , • (5) απόδοση σιτηρών (απόδοση, tn•ha−1) • και (6) δείκτης συγκομιδής (HI), που εκτιμάται ως απόδοση κόκκων/(ολική ξηρά ύλη + απόδοση κόκκων).
*'''2. Λήψη εικόνων και προεπεξεργασία'''
Για τη λήψη των εικόνων χρησιμοποιήθηκε ο πολυφασματικός αισθητήρας Parrot® Sequoia™ multispectral imaging sensor (Parrot Drones S.A.S, Paris, France), ο οποίος συλλαμβάνει το αντανακλασόμενο φως, σε τέσσερις φασματικές ζώνες, με οπτικό πεδίο 70,6 °, green (G; 550 nm; 40 nm, εύρος ζώνης), red (R; 660 nm, 40 nm εύρος ζώνης), red-edge (RE; 735 nm • -10 nm εύρος ζώνης), και near-infrared (NIR, 790 nm, 40 nm εύρος ζώνης).
Ο αισθητήρας ήταν τοποθετημένος σε ένα ελικόπτερο (drone) DJI 4 (DJI, Shenzhen, Κίνα) το οποίο ήταν επίσης εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα ακτινοβολίας για τη μέτρηση του φωτός την ώρα των λήψεων, προκειμένου να διορθωθούν οι εικόνες, στις μεταβλητές συνθήκες φωτισμού κατά τη διάρκεια της πτήσης. Το σχέδιο πτήσης δημιουργήθηκε αυτόματα μέσω της εφαρμογής πτήσης Atlas (MicaSense, Inc., Σιάτλ, ΗΠΑ), επιλέγοντας το 80% να επικαλύπτονται και για τον μπροστινό και τον πλευρικό γύρο, προκειμένου να διασφαλιστεί η ακρίβεια των δεδομένων . Στη συνέχεια, οι εικόνες συνδυάστηκαν με την χρήση της εφαρμογής Pix4Dmapper Pro (Pix4D Α.Ε., Λωζάνη, Ελβετία).
Κατά τη διάρκεια κάθε καλλιεργητικής περιόδου, πάρθηκαν τρεις εικόνες πάνω από την περιοχή μελέτης. Το τηλεκατευθυνόμενο πετούσε σε ύψος 30 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους, με αποτέλεσμα έναν ορθοφωτοχάρτη με χωρική ανάλυση περίπου 2,5 cm. Από κάθε εικόνα υπολογίστηκαν 35 VIs, οι οποίες εξετάστηκαν σε σχέση με μελέτες που αφορούσαν την εκτίμηση των Γεωπονικών χαρακτηριστικών του ρυζιού. Στη συνέχεια σε κάθε πειραματικό οικόπεδο οριοθετήθηκε , η περιοχή έρευνας χειροκίνητα (περίπου 10 m2). Για κάθε οικόπεδο, η μέση τιμή όλων των εικονοστοιχείων εντός της οριοθετημένης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε μπάντα της κάμερας και VI, και το δεδομένα που παράχθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την ανάλυση. Το τελικό σύνολο δεδομένων περιελάμβανε 40 δείγματα, καθώς το πείραμα περιελάμβανε 20 αγροτεμάχια (πέντε αναπαραγωγές για καθεμία από τις τέσσερις μεθόδους λίπανσης με (N) και οι μετρήσεις έγιναν για τα δύο χρόνια πειραματισμού (2016 και 2017).
*'''3. Μοντέλα παλινδρόμησης'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_03.jpg | thumb | right | Εικόνα 4: Εικόνα 4. Σφάλματα πρόβλεψης απόδοσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο στο 2017, λαμβάνοντας υπόψη τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν στο (a) το στάδιο του οργώματος, (b) το στάδιο εκκίνησης με δύο εικόνες και (c) το στάδιο εκκίνησης με τρεις εικόνες. Οι τιμές σφάλματος εκφράζονται στο πεδίο tn∙ha−1 και έχουν υπολογιστεί ως προβλεπόμενες μείον την απόδοση της μετρούμενης αξίας. Το αναγνωριστικό της μεθόδου λίπανσης με N αναφέρεται επίσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο, σύμφωνα με την εικόνα 1. ]]
Η ένωση των τεσσάρων καναλιών της κάμερας και τα 35 VIs χρησιμοποιήθηκαν ως εισροές για την δημιουργία των εμπειρικών μοντέλων. Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση ήταν η μέση τιμή των VIs και των καναλιών της κάμερας, μαζί με τις αντίστοιχες τιμές δεδομένων πεδίου (ένα από τα χαρακτηριστικά για κάθε μοντέλο) για κάθε οικόπεδο και για τα δύο χρόνια πειραματισμού. Η ερμηνεία των μοντέλων, επιλέχθηκε να γίνει μέσω της απλής προσέγγισης με ελάχιστη κλίμακα πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Όλα τα VIs θεωρήθηκαν ως δυνητικές εισροές για τα μοντέλα, δεδομένου ότι οι λιπάνσεις με N επηρεάζουν, ταυτόχρονα, τη βιομάζα, τον δείκτη φύλλων και την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη όλων των φυτών και, ως εκ τούτου, κάθε VI θα μπορούσε ενδεχομένως να αυξήσει την ακρίβεια ενός μοντέλου που χτίστηκε για κάθε χαρακτηριστικό.
Για κάθε γεωπονική ιδιότητα, δημιουργήθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης, σε δύο στάδια καλλιέργειας, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα πεδίου και από τα δύο έτη.
Η πρώτη κατηγορία μοντέλων χτίστηκε για το στάδιο της συγκομιδής BBCH 25, η οποία αντιστοιχεί σε δύο έως τρεις ημέρες πριν από την πρώτη TdF (στο στάδιο της όργωσης).
Η δεύτερη κατηγορία κατασκευάστηκε για το στάδιο της καλλιέργειας BBCH 45, η οποία αντιστοιχεί σε περίπου πέντε ημέρες πριν από το δεύτερο TdF (στο στάδιο εκκίνησης). Για την πρώην κατηγορία μοντέλων, τα μοντέλα χτίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβλητές εισόδου από μόνο την πρώτη εικόνα, που καταγράφονται στο στάδιο BBCH 25.
Για την τελευταία κατηγορία μοντέλων εξετάστηκαν δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη χρησιμοποίησε την Ένωση μεταβλητών εισόδου από δύο εικόνες, εκείνες που πάρθηκαν στο στάδιο BBCH 25 και BBCH 45. Η ακρίβεια των μοντέλων αξιολογήθηκε με τη βοήθεια του προσαρμοσμένου συντελεστή προσδιορισμού της παλινδρόμησης (adj. R2), καθώς και το ριζικό μέσο λάθος της περιοχής (RMSE). Δεδομένου ότι το μέγεθος του RMSE εξαρτάται από το μέγεθος των δεδομένων, αναφέρουμε επίσης ένα σχετικό μέτρο της διασποράς των σφαλμάτων μοντελοποίησης, δηλαδή τον συντελεστή διακύμανσης του RMSE (CVRMSE).
*'''Άποτελέσματα'''
Σύμφωνα με τις μετρήσεις, αξιολογήθηκαν οι διαφορές των Γεωπονικών χαρακτηριστικών για κάθε διαφορετική μέθοδο λίπανσης. Η βιομάζα, η πρόσληψη N και η απόδοση παρουσιάζουν μια μάλλον αναμενόμενη τάση, δηλαδή υψηλότερες τιμές με αυξημένη ποσότητα λιπασμάτων N. Η απόδοση παρουσιάζει επίσης τον αναμενόμενο κορεσμό με λίπανση Ν, δηλαδή, οι μεγάλες διαφορές στο NU και BT μεταξύ C2 (τυπική τοπική πρακτική) και C3 (διπλή ποσότητα) στο BBCH 45 δεν αντανακλούσαν πλήρως στις διαφορές απόδοσης.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης χρησιμοποιώντας δύο εικόνες UAV (στο BBCH 25 και 45) παρουσίασαν υψηλές συσχετίσεις για τα περισσότερα από τα γεωπονικά γνωρίσματα. Τα μοντέλα για τη βιομάζα (BT99 και BSL99) και η συγκέντρωση N (NC99, NCSL99 και NUG) κατά τη διάρκεια της ωριμότητας πέτυχαν σχετικά χαμηλότερη ακρίβεια, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις οι προσαρμοσμένες τιμές R2 ήταν υψηλότερες από 0,7, με εξαίρεση το HI.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης, χρησιμοποιώντας τρεις εικόνες UAV (στο BBCH 25, 31 και 45), γενικά οδήγησαν σε αυξημένη ακρίβεια σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μοντέλα που κατασκευάστηκαν με μόνο δύο εικόνες. Τα μοντέλα που είχαν εμφανίσει μια αύξηση της ακρίβειας, αποτελούνταν από έναν μεγαλύτερο αριθμό προβολών από εκείνα με δύο εικόνες, πράγμα που σημαίνει ότι εκμεταλλεύονται τις πρόσθετες πληροφορίες που παρέχονται από την εικόνα στο BBCH 31, που είναι και αναμενόμενο.

*'''Συμπεράσματα'''
Τα εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού μέσω πολυφασματικών εικόνων που λαμβάνονται εξ αποστάσεως, με απλά και οικονομικά μέσα, όπως τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (Drone) με αισθητήρες τεσσάρων καναλιών, μπορεί να δώσουν αξιόπιστα αποτελέσματα για την αποδοτική και ορθολογική χρήση των λιπασμάτων στις αγροτικές καλλιέργειες, σε σχέση με άλλες εναλλακτικές προσεγγίσεις δειγματοληψίας για τις μετρήσεις συγκέντρωσης ή απορρόφηση N , καθώς και της απόδοσης στις καλλιέργειες ρυζιού.

Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery

2020-04-27T09:07:03Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Εκτίμηση παραγωγής/Απόδοση]]
*'''Τίτλος: Εκτίμηση γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού με χρήση πολυφασματικών εικόνων από Drone.'''
*'''Πρωτότυπος Τίτλος:Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery'''
*DIMITRIS STAVRAKOUDIS , DIMITRIOS KATSANTONIS, KALLIOPI KADOGLIDOU, ARGYRIS KALAITZIDIS AND IOANNIS Z. GITAS
*'''Πηγή:'''[https://doi.org/10.3390/rs11050545]
*'''Εισαγωγή'''
Το Ρύζι αποτελεί κύρια πηγή τροφής για πάνω από 3.000.000.000 ανθρώπους. Λόγω της αυξημένης αύξησης, στις αγροτικές καλλιέργειες παρατηρείται εκτεταμένη χρήση των αζωτούχων λιπασμάτων (N), η οποία προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως τον ευτροφισμό των επιφανειακών υδάτων και την εξάντληση των στρωμάτων του όζοντος.
Η εργασία αφορά την δημιουργία εμπειρικών μοντέλων για την πρόβλεψη των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού, που εξαρτώνται από την απόδοση και τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε άζωτο (Ν), με απώτερο στόχο την ορθολογική χρήση των λιπασμάτων αζώτου στις καλλιέργειες. Τα μοντέλα κατασκευάστηκαν με την χρήση δεδομένων πεδίου και εικόνων που λήφθηκαν με τη χρήση μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (drone), με πολυφασματικό αισθητήρα.
*'''Περιοχή μελέτης'''
Τα δεδομένα πεδίου και εικόνων, συλλέχθηκαν σε πειραματικές καλλιέργειες ρυζιού στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (πειραματικός σταθμός Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης) σε διάφορά στάδια των καλλιεργειών και σε περίοδο δύο συνεχόμενων ετών (2016-2017).
*'''Μεθοδολογία'''
*'''1. Πειράματα πεδίου'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_01.jpg | thumb | left | Εικόνα 1: Τοποθεσία του σταθμού πειραματισμού (κόκκινα ορθογώνια) στην Ελλάδα (πάνω αριστερά), επισκόπηση ολόκληρου του πειραματικού σταθμού στην Καλοχώρι (πάνω δεξιά) και τη διαμόρφωση των πειραματικών αγροτεμαχίων (κάτω). Στο τελευταίο, το χρώμα κάθε οικοπέδου υποδηλώνει την ποσότητα αζώτου (N) της κάθε μεθόδου λίπανσης (C0: 0 kg∙ha−1, C1: 80 kg∙ha−1, C2: 160 kg∙ha−1, and C3: 320 kg∙ha−1)]]
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_02.jpg | thumb | left | Εικόνα 3: Διασπορά προβλέψεων στα αγροτεμάχια έναντι παρατηρούμενων τιμών, για επιλεγμένα γεωπονικά χαρακτηριστικά. Ι) Μοντέλα κατασκευασμένα (λαμβάνοντας υπόψη όλες τις 39 πιθανές εισροές πριν από την επιλογή εισόδου) στο όργωμα για (a) BT25, (b) NU25, και (c) απόδοση ΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από δύο εικόνες μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) για τα στοιχεία (d) PH45, (e) BT45, (f) NU45, (g) NUG και (h) απόδοση ΙΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από τρεις εικόνες UAV για (i) NUG, (j) απόδοση, (k) NC45, και (l) NCG. Η γκρίζα διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την ιδανική τέλεια γραμμική σχέση, ενώ η συνεχής κόκκινη γραμμή είναι η απλή γραμμή γραμμικής παλινδρόμησης των προβλεπόμενων δεδομένων που έχουν παρατηρηθεί.]]

Οι πειραματικές καλλιέργειες αναπτύχτηκαν σε έκταση του πειραματικού σταθμού Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης. Για την εκτίμηση των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του ρυζιού και σε διαφορετικές θεραπείες λίπανσης του εδάφους, επιλέχθηκαν σπόροι ρυζιού Ιαπωνίας, τύπου Ελληνικής Εμπορικής ποικιλίας «ΔΙΩΝ», που ανήκουν στην Ευρωπαϊκή Κεντρική συλλογή (http://tropgenedb.CIRAD.FR). Επιλέχθηκε να γίνει εφαρμογή τεσσάρων διαφορετικών ποσοτήτων λίπανσης ανά τμήμα καλλιέργειας, με ένα νέο βιο-λίπασμα (RBBf), που αναπτύχθηκε στον Ελληνικό Γεωργικό Οργανισμό – ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ), στο πλαίσιο του προγράμματος Ορίζων 2020, με τις τέσσερις κατηγορίες (C0, C1, C2, C3) να διαφοροποιούνται ως προς την ποσότητα εμπλουτισμού με λίπασμα ως εξής: 1) 0 N kg ∙ ha − 1 — Έλεγχος χωρίς επεξεργασία (C0) 2) 80 N kg ∙ ha − 1 του RBBf (C1) •3) 160 N kg ∙ ha − 1 του RBBf — πρότυπη τοπική πρακτική για την καλλιέργεια ρυζιού (C2) • και 4) 320 N kg ∙ ha − 1 RBBf (C3). Σε κάθε διαφορετική κατηγορία λίπανσης επιλέχθηκαν πέντε περιοχές για την λήψη δεδομένων και το μέγεθος κάθε περιοχής πειραματικής σχεδίασης να έχει εμβαδό 11τ.μ. (5Χ2,5μ.).

Η φύτευση έγινε στα πλημμυρισμένα αγροτεμάχια στις 2 Ιουνίου 2016 και στις 9 Ιουνίου 2017, αντίστοιχα. Το σύστημα λίπανσης του εδάφους ακολούθησε τις τοπικές και διεθνείς τυποποιημένες πρακτικές για την καλλιέργεια ρυζιού, όπου η ποσότητα λίπανσης διαιρείται σε τρεις φάσεις: το 40% του N – P – K ενσωματώνονται ως βασικό λίπασμα πριν από τις πλημμύρες, το 40% εφαρμόζεται στο στάδιο της όργωσης, και ομοίως τα υπόλοιπα (20%) στο στάδιο της μύησης (πριν τη διόγκωση). Εκτός από τη λίπανση, εφαρμόστηκαν όλες οι υπόλοιπες κοινές πρακτικές. Το όλο πείραμα ολοκληρώθηκε όταν τα φυτά έφτασαν στο στάδιο φυσιολογικής ωριμότητας στις 6 Οκτωβρίου 2016 και στις 10 Οκτωβρίου 2017, αντίστοιχα.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου πειραματισμού, αξιολογήθηκαν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στα κατάλληλα στάδια της κλίμακας BBCH: (1) ύψος φυτού (PH, cm), μετρώντας το κύριο στέλεχος 30 τυχαίων φυτών ρυζιού ανά οικόπεδο • (2) ολική βιομάζα (BT, tn•ha−1), κόβοντας ολόκληρης της βιομάζας σε 0.25m2 από κάθε τμήμα των αγροτεμαχίων και ζυγίζοντας το μετά από 48 h στεγνώματος με αέρα στους 70 °C , • (3) η συγκέντρωση N (NC,%), που καθορίζεται από τη διαδικασία macro-Kjeldahl • (4) N πρόσληψη (NU; kg ∙ ha − 1 ), υπολογιζόμενη ως συνολική συγκέντρωση βιομάζας × N , • (5) απόδοση σιτηρών (απόδοση, tn•ha−1) • και (6) δείκτης συγκομιδής (HI), που εκτιμάται ως απόδοση κόκκων/(ολική ξηρά ύλη + απόδοση κόκκων).
*'''2. Λήψη εικόνων και προεπεξεργασία'''
Για τη λήψη των εικόνων χρησιμοποιήθηκε ο πολυφασματικός αισθητήρας Parrot® Sequoia™ multispectral imaging sensor (Parrot Drones S.A.S, Paris, France), ο οποίος συλλαμβάνει το αντανακλασόμενο φως, σε τέσσερις φασματικές ζώνες, με οπτικό πεδίο 70,6 °, green (G; 550 nm; 40 nm, εύρος ζώνης), red (R; 660 nm, 40 nm εύρος ζώνης), red-edge (RE; 735 nm • -10 nm εύρος ζώνης), και near-infrared (NIR, 790 nm, 40 nm εύρος ζώνης).
Ο αισθητήρας ήταν τοποθετημένος σε ένα ελικόπτερο (drone) DJI 4 (DJI, Shenzhen, Κίνα) το οποίο ήταν επίσης εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα ακτινοβολίας για τη μέτρηση του φωτός την ώρα των λήψεων, προκειμένου να διορθωθούν οι εικόνες, στις μεταβλητές συνθήκες φωτισμού κατά τη διάρκεια της πτήσης. Το σχέδιο πτήσης δημιουργήθηκε αυτόματα μέσω της εφαρμογής πτήσης Atlas (MicaSense, Inc., Σιάτλ, ΗΠΑ), επιλέγοντας το 80% να επικαλύπτονται και για τον μπροστινό και τον πλευρικό γύρο, προκειμένου να διασφαλιστεί η ακρίβεια των δεδομένων . Στη συνέχεια, οι εικόνες συνδυάστηκαν με την χρήση της εφαρμογής Pix4Dmapper Pro (Pix4D Α.Ε., Λωζάνη, Ελβετία).
Κατά τη διάρκεια κάθε καλλιεργητικής περιόδου, πάρθηκαν τρεις εικόνες πάνω από την περιοχή μελέτης. Το τηλεκατευθυνόμενο πετούσε σε ύψος 30 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους, με αποτέλεσμα έναν ορθοφωτοχάρτη με χωρική ανάλυση περίπου 2,5 cm. Από κάθε εικόνα υπολογίστηκαν 35 VIs, οι οποίες εξετάστηκαν σε σχέση με μελέτες που αφορούσαν την εκτίμηση των Γεωπονικών χαρακτηριστικών του ρυζιού. Στη συνέχεια σε κάθε πειραματικό οικόπεδο οριοθετήθηκε , η περιοχή έρευνας χειροκίνητα (περίπου 10 m2). Για κάθε οικόπεδο, η μέση τιμή όλων των εικονοστοιχείων εντός της οριοθετημένης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε μπάντα της κάμερας και VI, και το δεδομένα που παράχθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την ανάλυση. Το τελικό σύνολο δεδομένων περιελάμβανε 40 δείγματα, καθώς το πείραμα περιελάμβανε 20 αγροτεμάχια (πέντε αναπαραγωγές για καθεμία από τις τέσσερις μεθόδους λίπανσης με (N) και οι μετρήσεις έγιναν για τα δύο χρόνια πειραματισμού (2016 και 2017).
*'''3. Μοντέλα παλινδρόμησης'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_03.jpg | thumb | right | Εικόνα 4: Εικόνα 4. Σφάλματα πρόβλεψης απόδοσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο στο 2017, λαμβάνοντας υπόψη τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν στο (a) το στάδιο του οργώματος, (b) το στάδιο εκκίνησης με δύο εικόνες και (c) το στάδιο εκκίνησης με τρεις εικόνες. Οι τιμές σφάλματος εκφράζονται στο πεδίο tn∙ha−1 και έχουν υπολογιστεί ως προβλεπόμενες μείον την απόδοση της μετρούμενης αξίας. Το αναγνωριστικό της μεθόδου λίπανσης με N αναφέρεται επίσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο, σύμφωνα με την εικόνα 1. ]]
Η ένωση των τεσσάρων καναλιών της κάμερας και τα 35 VIs χρησιμοποιήθηκαν ως εισροές για την δημιουργία των εμπειρικών μοντέλων. Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση ήταν η μέση τιμή των VIs και των καναλιών της κάμερας, μαζί με τις αντίστοιχες τιμές δεδομένων πεδίου (ένα από τα χαρακτηριστικά για κάθε μοντέλο) για κάθε οικόπεδο και για τα δύο χρόνια πειραματισμού. Η ερμηνεία των μοντέλων, επιλέχθηκε να γίνει μέσω της απλής προσέγγισης με ελάχιστη κλίμακα πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Όλα τα VIs θεωρήθηκαν ως δυνητικές εισροές για τα μοντέλα, δεδομένου ότι οι λιπάνσεις με N επηρεάζουν, ταυτόχρονα, τη βιομάζα, τον δείκτη φύλλων και την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη όλων των φυτών και, ως εκ τούτου, κάθε VI θα μπορούσε ενδεχομένως να αυξήσει την ακρίβεια ενός μοντέλου που χτίστηκε για κάθε χαρακτηριστικό.
Για κάθε γεωπονική ιδιότητα, δημιουργήθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης, σε δύο στάδια καλλιέργειας, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα πεδίου και από τα δύο έτη.
Η πρώτη κατηγορία μοντέλων χτίστηκε για το στάδιο της συγκομιδής BBCH 25, η οποία αντιστοιχεί σε δύο έως τρεις ημέρες πριν από την πρώτη TdF (στο στάδιο της όργωσης).
Η δεύτερη κατηγορία κατασκευάστηκε για το στάδιο της καλλιέργειας BBCH 45, η οποία αντιστοιχεί σε περίπου πέντε ημέρες πριν από το δεύτερο TdF (στο στάδιο εκκίνησης). Για την πρώην κατηγορία μοντέλων, τα μοντέλα χτίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβλητές εισόδου από μόνο την πρώτη εικόνα, που καταγράφονται στο στάδιο BBCH 25.
Για την τελευταία κατηγορία μοντέλων εξετάστηκαν δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη χρησιμοποίησε την Ένωση μεταβλητών εισόδου από δύο εικόνες, εκείνες που πάρθηκαν στο στάδιο BBCH 25 και BBCH 45. Η ακρίβεια των μοντέλων αξιολογήθηκε με τη βοήθεια του προσαρμοσμένου συντελεστή προσδιορισμού της παλινδρόμησης (adj. R2), καθώς και το ριζικό μέσο λάθος της περιοχής (RMSE). Δεδομένου ότι το μέγεθος του RMSE εξαρτάται από το μέγεθος των δεδομένων, αναφέρουμε επίσης ένα σχετικό μέτρο της διασποράς των σφαλμάτων μοντελοποίησης, δηλαδή τον συντελεστή διακύμανσης του RMSE (CVRMSE).
*'''Άποτελέσματα'''
Σύμφωνα με τις μετρήσεις, αξιολογήθηκαν οι διαφορές των Γεωπονικών χαρακτηριστικών για κάθε διαφορετική μέθοδο λίπανσης. Η βιομάζα, η πρόσληψη N και η απόδοση παρουσιάζουν μια μάλλον αναμενόμενη τάση, δηλαδή υψηλότερες τιμές με αυξημένη ποσότητα λιπασμάτων N. Η απόδοση παρουσιάζει επίσης τον αναμενόμενο κορεσμό με λίπανση Ν, δηλαδή, οι μεγάλες διαφορές στο NU και BT μεταξύ C2 (τυπική τοπική πρακτική) και C3 (διπλή ποσότητα) στο BBCH 45 δεν αντανακλούσαν πλήρως στις διαφορές απόδοσης.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης χρησιμοποιώντας δύο εικόνες UAV (στο BBCH 25 και 45) παρουσίασαν υψηλές συσχετίσεις για τα περισσότερα από τα γεωπονικά γνωρίσματα. Τα μοντέλα για τη βιομάζα (BT99 και BSL99) και η συγκέντρωση N (NC99, NCSL99 και NUG) κατά τη διάρκεια της ωριμότητας πέτυχαν σχετικά χαμηλότερη ακρίβεια, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις οι προσαρμοσμένες τιμές R2 ήταν υψηλότερες από 0,7, με εξαίρεση το HI.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης, χρησιμοποιώντας τρεις εικόνες UAV (στο BBCH 25, 31 και 45), γενικά οδήγησαν σε αυξημένη ακρίβεια σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μοντέλα που κατασκευάστηκαν με μόνο δύο εικόνες. Τα μοντέλα που είχαν εμφανίσει μια αύξηση της ακρίβειας, αποτελούνταν από έναν μεγαλύτερο αριθμό προβολών από εκείνα με δύο εικόνες, πράγμα που σημαίνει ότι εκμεταλλεύονται τις πρόσθετες πληροφορίες που παρέχονται από την εικόνα στο BBCH 31, που είναι και αναμενόμενο.

*'''Συμπεράσματα'''
Τα εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού μέσω πολυφασματικών εικόνων που λαμβάνονται εξ αποστάσεως, με απλά και οικονομικά μέσα, όπως τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (Drone) με αισθητήρες τεσσάρων καναλιών, μπορεί να δώσουν αξιόπιστα αποτελέσματα για την αποδοτική και ορθολογική χρήση των λιπασμάτων στις αγροτικές καλλιέργειες, σε σχέση με άλλες εναλλακτικές προσεγγίσεις δειγματοληψίας για τις μετρήσεις συγκέντρωσης ή απορρόφηση N , καθώς και της απόδοσης στις καλλιέργειες ρυζιού.

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-26T12:59:01Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Χαρτογράφηση καύσιμης ύλης]]
*'''Τίτλος: Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος'''
*'''Πρωτότυπος τίτλος: Evaluating Unmanned Aerial Vehicle Images for Estimating Forest Canopy Fuels in a Ponderosa Pine Stand.'''
*'''Συγγραφείς: Patrick Shin, Temuulen Sankey, Margaret M. Moore and Andrea E. Thode.'''
*'''Πηγή: https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1266'''

*'''1. Εισαγωγή:'''
[[Εικόνα:remotesensing-10-01266-g001-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 1. Χάρτης περιοχής μελέτης, των περιοχών πτήσης UAV και των τοποθεσιών δειγματοληψίας πεδίου: ( Α ) Τοποθεσία της περιοχή μελέτης στην πολιτεία της Αριζόνα, ( B ) τοποθεσίες πτήσης UAV και η εγγύτητά τους με το Flagstaff, Αριζόνα, Η.Π.Α. και ( C , D ) Και οι δύο περιοχές πτήσης UAV επικαλύπτονται σε ψευδείς έγχρωμες εικόνες UAV με σημεία που αντιπροσωπεύει κάθε δέντρο του πεδίου μετρήσεων.]]
Στις Νοτιοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες βρίσκεται το μεγαλύτερο πευκοδάσος (Pinus ponderosa) στον κόσμο, με παροχή πολλών οικοσυστημικών υπηρεσιών για τις κοντινές κοινότητες. . Ιστορικά, τα δάση αυτά παρουσίαζαν συχνές πυρκαγιές χαμηλής έντασης που κατανάλωναν τη δασική καύσιμη ύλη και αραιώνονταν, διατηρώντας χαμηλή πυκνότητα δέντρων. Οι αλλαγές στην διαχείριση των δασών, η καταστολή των πυρκαγιών η μείωση της βόσκησης και των υλοτομιών σε συνδιασμό με την κλιματική αλλαγή δημιούργησαν αυξημένη ευαισθησία σε πυρκαγιές υψηλής έντασης
Η αμερικανική δασική υπηρεσία εφαρμόζει μεθόδους μείωσης των δασικών καυσίμων με συνδυασμό μηχανικής αραίωσης που ακολουθείται από περιοδικές πυρκαγιές χαμηλής έντασης. Οι διαχειριστές χρησιμοποιούν λεπτομερείς πληροφορίες για τη χωρική δομή των δασών κατά τον προγραμματισμό, εφαρμογή και παρακολούθηση επεξεργασίας των δασικών καυσίμων από την βάση δεδομένων (LANDFIRE) η οποία ενημερώνεται σε περιόδους δύο έως πέντε ετών και διατίθεται δωρεάν (www.landfire.gov). Τα χωρικά δεδομένα της βάσης περιλαμβάνουν κάλυμμα θόλου, ύψος θόλου, ύψος βάσης στεφάνης, πυκνότητα όγκου στεφάνης, και μοντέλα καυσίμων συμπεριφοράς πυρκαγιάς. αλλά, η χωρική ανάλυση των 30 μέτρων δεν αντιπροσωπεύει το διακυμάνσεις στα δασικά καύσιμα σε τοπική κλίμακα και οι εφαρμογές δεδομένων περιορίζονται σε κλίμακες (> 405 εκτάρια).
Τα επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) αποτελούν μια εναλλακτική λύση για την απόκτηση δεδομένων υψηλής ανάλυσης σε τοπικές κλίμακες, σε σύγκριση με την ανάλυση των εναέριων εικόνων (ανάλυση ενός μέτρου) ή των δορυφορικών δεδομένων (ανάλυση 2-30 m), αφού οι εικόνες που λαμβάνονται από UAV έχουν χωρικές αναλύσεις 5-15cm. Επιπλέον, έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν τη διαδικασία λήψης εικόνων και το χρονοδιάγραμμα, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ταξινόμηση των τύπων βλάστησης και την εκτίμηση της δασικής βλάστησης. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή τρισδιάστατων (3D) σημειακών δεδομένων, με στοιχεία της επιφάνειας του εδάφους και της βλάστησης.
*'''2. Υλικά και μέθοδοι'''
*'''Περιοχή μελέτης'''
Η μελέτη επικεντρώθηκε στην περιοχή του -αστικού περιβάλλοντος του Flagstaff, της Αριζόνα, των ΗΠΑ και γύρω από το Εθνικό Δάσος Coconino, το οποίο διαχειρίζεται η Υπηρεσία Δασών των ΗΠΑ (Σχήμα 1), σε μια έκταση 12,14ha που έχει χαρακτηριστεί από την πόλη του Flagstaff ως υψηλή προτεραιότητα για την επεξεργασία της δασικής καύσιμης ύλης και την μηχανική αραίωση των δασών, λόγω της εγγύτητάς του με οικιστικές περιοχές.
*'''Εικόνες UAV και προεπεξεργασία'''
Χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα UAV σταθερής πτέρυγας SenseFly eBee που ζυγίζει περίπου 537 g με άνοιγμα φτερών 96 cm. Το eBee λειτουργεί με το λογισμικό eMotion 2 και τον σταθμό εδάφους, ο οποίος στέλνει δεδομένα πλοήγησης σημείου στο αεροσκάφος για να εκτελεί προγραμματισμένες, αυτόνομες πτήσεις. Ολοκληρώθηκαν δύο έρευνες πεδίου με το UAV στις 21 Αυγούστου 2016 και στις 22 Νοεμβρίου 2016 κοντά στο ηλιακό μεσημέρι για να ελαχιστοποιηθεί η σκίαση (Σχήμα 1). Και οι δύο έρευνες πραγματοποιήθηκαν με 85-90% αλληλοεπικάλυψη, σε μέγιστο ύψος πτήσης 120 m, με αποτέλεσμα ανάλυση pixel εικόνας 15 cm.
Οι μετρήσεις πεδίου χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση των εικόνων που λήφθηκαν από το UAV με το ArcMap 10.4 για την εκτίμηση του συνολικού καλύμματος του θόλου σε κάθε οικόπεδο 10 × 10 m (N = 57 οικόπεδα) και σε σύγκριση με τις εκτιμήσεις που προέρχονται από την εικόνα UAV μέσω μιας απλής γραμμικής παλινδρόμησης.
*'''Διαχωρισμός - μετρήσεις μεμονωμένων δέντρων με βάση τις εικόνες UAV.'''
[[Εικόνα:remotesensing-10-01266-g002-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 2. Προεπεξεργασία σημείου νέφους πριν από την τμηματοποίηση δέντρων: (Α) Σημείο νέφους με αρχική ταξινόμηση εδάφους εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα, (Β) Σημείο σύννεφο που έχει κανονικοποιηθεί και φιλτραριστεί για να αφαιρεθούν σημεία του εδάφους, τα οποία δεν περιλαμβάνουν δέντρα, και (C) Το τελικό νέφος σημείου μετά το δεύτερο φιλτράρισμα εδάφους και το όριο NDVI περιλαμβάνει μόνο σημεία με δέντρα]]
Τα σημεία εδάφους που προέρχονται από το UAV ταξινομήθηκαν αρχικά ένα προοδευτικό μορφολογικό φίλτρο στο λογισμικό ENVI 5.3 και ενοποιήθηκαν σε ψηφικαό αρχείο σε R (https://CRAN.R-project.org/package=lidR) (R Development Core Team 2008, Vienna, Austria).Το σημεία του εδάφους που δεν αντιπροσώπεθαν ούτε έδαφος ούτε βλάστηση. Αφαιρέθηκαν με την εφαρμογή ενός δεύτερου μορφολογικού φίλτρου και στη συνέχεια επικαλύφθηκαν με την εικόνα ράστερ NDVI και εξαιρέθηκαν όλα τα σημεία με τιμή NDVI <0. Η εφαρμογή αυτών των δύο βημάτων δημιούργησε ένα σύνολο σημείων που αντιπροσωπεύει καλύτερα μόνο τα δένδρα, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν στον αλγόριθμο τμηματοποίησης δέντρων (Σχέδιο 2).
Η μέθοδος τμηματοποίησης βασίζεται σε τέσσερις παραμέτρους που καθορίζονται από το χρήστη: ελάχιστο ύψος ενός δέντρου, μέγιστη ακτίνα στεφάνης και δύο αριθμητικές αποστάσεις, που ορίζουν την οριζόντια όρια απόστασης (σε μέτρα) μεταξύ όλων των σημείων ύψους άνω των 15 μέτρων και ύψους κάτω των 15 μέτρων.
Τα δένδρα που εντοπίστηκαν με τις εικόνες από το UAV τοποθετήθηκαν σε πλέγμα 10 × 10 m για να μετρηθούν και στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τα δέντρα που χαρτογραφήθηκαν για να εκτιμηθεί η ακρίβεια της τμηματοποίησης και ο ποσοτικός προσδιορισμός της ακρίβειας ανίχνευσης.
Οι μετρήσεις των δέντρων που προήλθαν από τα δεδομένα των εικόνων: οι συντεταγμένες Χ και Υ κάθε κορυφής δέντρου, διάμετρος θόλου, συνολικό ύψος δέντρου, βάση θόλου ύψος, χύδην πυκνότητα θόλου και ύψους , συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα χαρτογραφημένα πεδία για επικύρωση των δεδομένων: συνολικό ύψος δέντρου, ύψος βάσης θόλου και πυκνότητα όγκου.
Τα δεδομένα που προέκυψαν στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του όγκου του θόλου, της μάζα του θόλου και την εκτίμηση της πυκνότητάς του. Με τη διαδικασία αυτή η πυκνότητα του όγκου αντικατοπτρίζει άμεσα τα βήματα που χρησιμοποιήθηκαν με τις μετρήσεις πεδίου για την εκτίμηση της πυκνότητας όγκου. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα γραμμικής παλινδρόμησης για να εξεταστούν οι σχέσεις μεταξύ της εικόνας που προέρχεται από το UAV και μεταβλητές που μετρούνται στο πεδίο.
*'''Επικύρωση πεδίου'''
Οι μετρήσεις πεδίου σχεδιάστηκαν για να παρέχουν ένα σύνολο δεδομένων επικύρωσης για τη δασική βάση με τα χαρακτηριστικά και τις ατομικές μετρήσεις δέντρων που προέρχονται από τα δεδομένα UAV. Οι μεταβλητές επιπέδου που απαιτούσαν δεδομένα επικύρωσης ήταν: κάλυψη θόλου δέντρου και εκτιμήσεις πυκνότητας δένδρου σε περιοχές εμβαδού 100μ2. Χρησιμοποιώντας πλέγματα 10 μ στο ArcMap, μαζί με πολύγωνα των περιοχών μελέτης που απεικονίζονται με το UAV, επιλέχθηκαν τυχαία 100 θέσεις πεδίου με ελάχιστη απόσταση 10 m (Σχέδιο 1).
Για την επικύρωση των μεμονωμένων μετρικών δέντρων που προέρχονται από UAV, πραγματοποιήθηκαν οι ακόλουθες μετρήσεις για κάθε δέντρο σε κάθε οικόπεδο: αναγνώριση ειδών, διάμετρος στο ύψος του στήθους (DBH), θόλος διάμετρος στους άξονες βορρά-νότου και ανατολής-δύσης, συνολικό ύψος δέντρου, ύψος βάσης θόλου και όγκο θόλων πυκνότητα. Το DBH μετρήθηκε με τη χρήση ταινίας διαμέτρου σε ύψος 1,37 m στην ανατολική πλευρά του δέντρο. Η θέση του συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS) κάθε δέντρου μέσα στο οικόπεδο ψηφιοποιήθηκε στον χάρτη και βεβαιωθείτε ότι η περιοχή και τα μεμονωμένα δέντρα που εξετάστηκαν αντιστοιχούν στο πεδίο των εικόνων UAV
*'''Μοντελοποίηση συμπεριφοράς πυρκαγιάς'''
Για την διαμόρφωση των μοντέλων συμπεριφοράς της πυρκαγιά σε μια περιοχή χρησιμοποιούνται τα δεδομένα χωρικών καυσίμων από το LANDFIRE με το FlamMap 5. Έγινε σύγκριση των δεδομένων εισόδου που χρησιμοποιούνται από τις μεταβλητές εισόδου στο λογισμικό FlamMap 5 από το LANDFIRE και τις εικόνες που προέρχονται από UAV, για τη μοντελοποίηση ώστε να διαπιστωθεί αν η συμπεριφοράς στεφάνης πυρκαγιάς είναι διαφορετική με βάση την πηγή εικόνας και αν παράγουν ουσιαστικά διαφορετικά μοντέλα συμπεριφοράς πυρκαγιάς.
Το FlamMap χρησιμοποιείται για το συνδυασμό χαρακτηριστικών δασικών καυσίμων, τοπογραφίας, υγρασίας καυσίμου και παραγόντων καιρού. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν μήκος φλόγας σε μέτρα, ρυθμό εξάπλωσης σε μέτρα ανά λεπτό, και πιθανή δραστηριότητα πυρκαγιάς.
*'''3. Αποτελέσματα'''
[[Εικόνα:Table5.png | thumb | left | Πίνακας 5.]]
Η σύγκριση ίσων αριθμών δειγμάτων εικόνων από το UAV- και ΝΑΙΡ για την εκτίμηση της δασική κάλυψης συγκρίθηκαν και οι συντελεστές παλινδρόμησης έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις κάλυψης από τα στοιχεία ΝΑΙΡ ήταν υψηλότερες από τις εκτιμήσεις που προέρχονται από το UAV, ειδικά σε περιοχές με υψηλό κάλυμμα θόλων.
Οι εκτιμήσεις πυκνότητας των δέντρων που ανιχνεύθηκαν από εικόνες UAV συγκρίθηκαν για πρώτη φορά με βάση τις μετρήσεις πεδίου για κάθε κατηγορία πυκνότητας. Ο μέσος αριθμός δέντρων σε τμήματα με ένα, δύο, και τρία δέντρα ταιριάζουν απόλυτα με τον αριθμό των δέντρων που έχουν χαρτογραφηθεί στο έδαφος. Ωστόσο, σε τμήματα με πολλά δέντρα οι εικόνες από UAV είχαν μεγαλύτερη διακύμανση γύρω από τις μέσες εκτιμήσεις.
Τα δεδομένα του LANDFIRE για την περιοχή μελέτης, οδήγησαν σε εκτιμήσεις συμπεριφοράς κορώνας 0% επιφανειακή πυρκαγιά, 14% παθητική πυρκαγιά στεφάνης και 86% ενεργή φωτιά στεφάνης (Πίνακας 5)
Από τις εικόνες του UAV με τους σχετικά χαμηλούς συντελεστές συσχέτισης δεν ήταν δυνατή η παραγωγή αξιόπιστης εκτίμησης της πυκνότητας του όγκου θόλων, ωστόσο στις κρίσιμες μεταβλητές οι εκτιμήσεις που προέρχονται από UAV είχαν παρόμοιες ακρίβειες με τις μεταβλητές του LANDFIRE.
Τα δεδομένα τοπογραφίας, ύψος θόλων και ύψος βάσης από το UAV είχαν σημαντικές επιπτώσεις στο μοντέλο συμπεριφοράς πυρκαγιάς κορώνας μειώνοντας το ποσοστό ενεργού πυρκαγιάς και αυξάνοντας την επιφανειακή πυρκαγιά. Όταν χρησιμοποιήθηκαν όλες οι μεταβλητές που προέκυψαν από το UAV, η έναρξη της πυρκαγιάς του στέμματος μειώθηκε σε 0%, η ενεργή πυρκαγιά στεφάνης και 0% παθητική πυρκαγιά στεφάνης με το 100% της περιοχής μελέτης να εκτιμάται ως επιφανειακή πυρκαγιά.
*'''4. Συμπεράσματα'''
Τα αποτελέσματα υπέδειξε ότι οι έρευνες UAV μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ακριβών εκτιμήσεων της δασικής κάλυψης και του ύψους του θόλου. Η πυκνότητα των δέντρων μπορεί επίσης να εκτιμηθεί με ακρίβεια σε περιοχές με χαμηλό κάλυμμα θόλων. Η τμηματοποίηση δέντρων μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας προσαρμοστικές παραμέτρους αλγορίθμου που μπορούν να προσαρμοστούν σύμφωνα με το κάλυμμα του θόλου. Η ακρίβεια των εκτιμήσεων ύψους βάσης θόλων ήταν χαμηλή, αλλά ήταν συγκρίσιμο με τις εκτιμήσεις LANDFIRE. Η πυκνότητα όγκου αποδείχθηκε η πιο δύσκολη μέτρηση εκτίμηση χρησιμοποιώντας τις μεθόδους UAV.
Τα αποτελέσματα με χρήση δεδομένων UAV έδειξαν δραστική μείωση στο σύνολο των εκτιμήσεων για εκδήλωση πυρκαγιάς. Αποδεικνύεται ότι τα δεδομένα εισαγωγής στο μοντέλο συμπεριφοράς πυρκαγιάς FlamMap έχουν δραστική επίδραση στο δυναμικό της πυρκαγιάς που διαμορφώνεται σε μια περιοχή. Οι διαχειριστές του συστήματος πρέπει λαμβάνουν υπόψη την πηγή και την ακρίβεια των δεδομένων εισαγωγής κατά τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς και τη λήψη αποφάσεων για την διαχείριση του οικοσυστήματος. Τα δεδομένα και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν τη μελέτη με χρήση UAV παρέχουν μια άλλη πηγή δεδομένων για τη συμπλήρωση, ή και την υποκατάσταση, παραδοσιακών μορφών εκτίμησης των δασικών καυσίμων, όπως έρευνες πεδίου. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό αυτών των πηγών δεδομένων, οι επιστήμονες και οι διαχειριστές γης μπορούν εκτιμήσουν με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα την καύσιμη ύλη των δασών για να κατανοήσουν καλύτερα τις οικολογικές διαδικασίες για την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων.

Αρχείο:Table5.png

2020-04-26T12:57:59Z

Dkloumpas: ανέβασμα νέας έκδοσης του "Αρχείο:Table5.png"

Αρχείο:Table5.png

2020-04-26T12:56:47Z

Dkloumpas: ανέβασμα νέας έκδοσης του "Αρχείο:Table5.png"

Αρχείο:Table5.png

2020-04-26T12:56:25Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-26T12:56:05Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Χαρτογράφηση καύσιμης ύλης]]
*'''Τίτλος: Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος'''
*'''Πρωτότυπος τίτλος: Evaluating Unmanned Aerial Vehicle Images for Estimating Forest Canopy Fuels in a Ponderosa Pine Stand.'''
*'''Συγγραφείς: Patrick Shin, Temuulen Sankey, Margaret M. Moore and Andrea E. Thode.'''
*'''Πηγή: https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1266'''

*'''1. Εισαγωγή:'''
[[Εικόνα:remotesensing-10-01266-g001-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 1. Χάρτης περιοχής μελέτης, των περιοχών πτήσης UAV και των τοποθεσιών δειγματοληψίας πεδίου: ( Α ) Τοποθεσία της περιοχή μελέτης στην πολιτεία της Αριζόνα, ( B ) τοποθεσίες πτήσης UAV και η εγγύτητά τους με το Flagstaff, Αριζόνα, Η.Π.Α. και ( C , D ) Και οι δύο περιοχές πτήσης UAV επικαλύπτονται σε ψευδείς έγχρωμες εικόνες UAV με σημεία που αντιπροσωπεύει κάθε δέντρο του πεδίου μετρήσεων.]]
Στις Νοτιοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες βρίσκεται το μεγαλύτερο πευκοδάσος (Pinus ponderosa) στον κόσμο, με παροχή πολλών οικοσυστημικών υπηρεσιών για τις κοντινές κοινότητες. . Ιστορικά, τα δάση αυτά παρουσίαζαν συχνές πυρκαγιές χαμηλής έντασης που κατανάλωναν τη δασική καύσιμη ύλη και αραιώνονταν, διατηρώντας χαμηλή πυκνότητα δέντρων. Οι αλλαγές στην διαχείριση των δασών, η καταστολή των πυρκαγιών η μείωση της βόσκησης και των υλοτομιών σε συνδιασμό με την κλιματική αλλαγή δημιούργησαν αυξημένη ευαισθησία σε πυρκαγιές υψηλής έντασης
Η αμερικανική δασική υπηρεσία εφαρμόζει μεθόδους μείωσης των δασικών καυσίμων με συνδυασμό μηχανικής αραίωσης που ακολουθείται από περιοδικές πυρκαγιές χαμηλής έντασης. Οι διαχειριστές χρησιμοποιούν λεπτομερείς πληροφορίες για τη χωρική δομή των δασών κατά τον προγραμματισμό, εφαρμογή και παρακολούθηση επεξεργασίας των δασικών καυσίμων από την βάση δεδομένων (LANDFIRE) η οποία ενημερώνεται σε περιόδους δύο έως πέντε ετών και διατίθεται δωρεάν (www.landfire.gov). Τα χωρικά δεδομένα της βάσης περιλαμβάνουν κάλυμμα θόλου, ύψος θόλου, ύψος βάσης στεφάνης, πυκνότητα όγκου στεφάνης, και μοντέλα καυσίμων συμπεριφοράς πυρκαγιάς. αλλά, η χωρική ανάλυση των 30 μέτρων δεν αντιπροσωπεύει το διακυμάνσεις στα δασικά καύσιμα σε τοπική κλίμακα και οι εφαρμογές δεδομένων περιορίζονται σε κλίμακες (> 405 εκτάρια).
Τα επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) αποτελούν μια εναλλακτική λύση για την απόκτηση δεδομένων υψηλής ανάλυσης σε τοπικές κλίμακες, σε σύγκριση με την ανάλυση των εναέριων εικόνων (ανάλυση ενός μέτρου) ή των δορυφορικών δεδομένων (ανάλυση 2-30 m), αφού οι εικόνες που λαμβάνονται από UAV έχουν χωρικές αναλύσεις 5-15cm. Επιπλέον, έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν τη διαδικασία λήψης εικόνων και το χρονοδιάγραμμα, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ταξινόμηση των τύπων βλάστησης και την εκτίμηση της δασικής βλάστησης. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή τρισδιάστατων (3D) σημειακών δεδομένων, με στοιχεία της επιφάνειας του εδάφους και της βλάστησης.
*'''Υλικά και μέθοδοι'''
*'''2. Περιοχή μελέτης'''
Η μελέτη επικεντρώθηκε στην περιοχή του -αστικού περιβάλλοντος του Flagstaff, της Αριζόνα, των ΗΠΑ και γύρω από το Εθνικό Δάσος Coconino, το οποίο διαχειρίζεται η Υπηρεσία Δασών των ΗΠΑ (Σχήμα 1), σε μια έκταση 12,14ha που έχει χαρακτηριστεί από την πόλη του Flagstaff ως υψηλή προτεραιότητα για την επεξεργασία της δασικής καύσιμης ύλης και την μηχανική αραίωση των δασών, λόγω της εγγύτητάς του με οικιστικές περιοχές.
*'''Εικόνες UAV και προεπεξεργασία'''
Χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα UAV σταθερής πτέρυγας SenseFly eBee που ζυγίζει περίπου 537 g με άνοιγμα φτερών 96 cm. Το eBee λειτουργεί με το λογισμικό eMotion 2 και τον σταθμό εδάφους, ο οποίος στέλνει δεδομένα πλοήγησης σημείου στο αεροσκάφος για να εκτελεί προγραμματισμένες, αυτόνομες πτήσεις. Ολοκληρώθηκαν δύο έρευνες πεδίου με το UAV στις 21 Αυγούστου 2016 και στις 22 Νοεμβρίου 2016 κοντά στο ηλιακό μεσημέρι για να ελαχιστοποιηθεί η σκίαση (Σχήμα 1). Και οι δύο έρευνες πραγματοποιήθηκαν με 85-90% αλληλοεπικάλυψη, σε μέγιστο ύψος πτήσης 120 m, με αποτέλεσμα ανάλυση pixel εικόνας 15 cm.
Οι μετρήσεις πεδίου χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση των εικόνων που λήφθηκαν από το UAV με το ArcMap 10.4 για την εκτίμηση του συνολικού καλύμματος του θόλου σε κάθε οικόπεδο 10 × 10 m (N = 57 οικόπεδα) και σε σύγκριση με τις εκτιμήσεις που προέρχονται από την εικόνα UAV μέσω μιας απλής γραμμικής παλινδρόμησης.
*'''Διαχωρισμός - μετρήσεις μεμονωμένων δέντρων με βάση τις εικόνες UAV.'''
[[Εικόνα:remotesensing-10-01266-g002-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 2. Προεπεξεργασία σημείου νέφους πριν από την τμηματοποίηση δέντρων: (Α) Σημείο νέφους με αρχική ταξινόμηση εδάφους εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα, (Β) Σημείο σύννεφο που έχει κανονικοποιηθεί και φιλτραριστεί για να αφαιρεθούν σημεία του εδάφους, τα οποία δεν περιλαμβάνουν δέντρα, και (C) Το τελικό νέφος σημείου μετά το δεύτερο φιλτράρισμα εδάφους και το όριο NDVI περιλαμβάνει μόνο σημεία με δέντρα]]
Τα σημεία εδάφους που προέρχονται από το UAV ταξινομήθηκαν αρχικά ένα προοδευτικό μορφολογικό φίλτρο στο λογισμικό ENVI 5.3 και ενοποιήθηκαν σε ψηφικαό αρχείο σε R (https://CRAN.R-project.org/package=lidR) (R Development Core Team 2008, Vienna, Austria).Το σημεία του εδάφους που δεν αντιπροσώπεθαν ούτε έδαφος ούτε βλάστηση. Αφαιρέθηκαν με την εφαρμογή ενός δεύτερου μορφολογικού φίλτρου και στη συνέχεια επικαλύφθηκαν με την εικόνα ράστερ NDVI και εξαιρέθηκαν όλα τα σημεία με τιμή NDVI <0. Η εφαρμογή αυτών των δύο βημάτων δημιούργησε ένα σύνολο σημείων που αντιπροσωπεύει καλύτερα μόνο τα δένδρα, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν στον αλγόριθμο τμηματοποίησης δέντρων (Σχέδιο 2).
Η μέθοδος τμηματοποίησης βασίζεται σε τέσσερις παραμέτρους που καθορίζονται από το χρήστη: ελάχιστο ύψος ενός δέντρου, μέγιστη ακτίνα στεφάνης και δύο αριθμητικές αποστάσεις, που ορίζουν την οριζόντια όρια απόστασης (σε μέτρα) μεταξύ όλων των σημείων ύψους άνω των 15 μέτρων και ύψους κάτω των 15 μέτρων.
Τα δένδρα που εντοπίστηκαν με τις εικόνες από το UAV τοποθετήθηκαν σε πλέγμα 10 × 10 m για να μετρηθούν και στη συνέχεια συγκρίθηκαν με τα δέντρα που χαρτογραφήθηκαν για να εκτιμηθεί η ακρίβεια της τμηματοποίησης και ο ποσοτικός προσδιορισμός της ακρίβειας ανίχνευσης.
Οι μετρήσεις των δέντρων που προήλθαν από τα δεδομένα των εικόνων: οι συντεταγμένες Χ και Υ κάθε κορυφής δέντρου, διάμετρος θόλου, συνολικό ύψος δέντρου, βάση θόλου ύψος, χύδην πυκνότητα θόλου και ύψους , συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα χαρτογραφημένα πεδία για επικύρωση των δεδομένων: συνολικό ύψος δέντρου, ύψος βάσης θόλου και πυκνότητα όγκου.
Τα δεδομένα που προέκυψαν στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό του όγκου του θόλου, της μάζα του θόλου και την εκτίμηση της πυκνότητάς του. Με τη διαδικασία αυτή η πυκνότητα του όγκου αντικατοπτρίζει άμεσα τα βήματα που χρησιμοποιήθηκαν με τις μετρήσεις πεδίου για την εκτίμηση της πυκνότητας όγκου. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα γραμμικής παλινδρόμησης για να εξεταστούν οι σχέσεις μεταξύ της εικόνας που προέρχεται από το UAV και μεταβλητές που μετρούνται στο πεδίο.
*'''Επικύρωση πεδίου'''
Οι μετρήσεις πεδίου σχεδιάστηκαν για να παρέχουν ένα σύνολο δεδομένων επικύρωσης για τη δασική βάση με τα χαρακτηριστικά και τις ατομικές μετρήσεις δέντρων που προέρχονται από τα δεδομένα UAV. Οι μεταβλητές επιπέδου που απαιτούσαν δεδομένα επικύρωσης ήταν: κάλυψη θόλου δέντρου και εκτιμήσεις πυκνότητας δένδρου σε περιοχές εμβαδού 100μ2. Χρησιμοποιώντας πλέγματα 10 μ στο ArcMap, μαζί με πολύγωνα των περιοχών μελέτης που απεικονίζονται με το UAV, επιλέχθηκαν τυχαία 100 θέσεις πεδίου με ελάχιστη απόσταση 10 m (Σχέδιο 1).
Για την επικύρωση των μεμονωμένων μετρικών δέντρων που προέρχονται από UAV, πραγματοποιήθηκαν οι ακόλουθες μετρήσεις για κάθε δέντρο σε κάθε οικόπεδο: αναγνώριση ειδών, διάμετρος στο ύψος του στήθους (DBH), θόλος διάμετρος στους άξονες βορρά-νότου και ανατολής-δύσης, συνολικό ύψος δέντρου, ύψος βάσης θόλου και όγκο θόλων πυκνότητα. Το DBH μετρήθηκε με τη χρήση ταινίας διαμέτρου σε ύψος 1,37 m στην ανατολική πλευρά του δέντρο. Η θέση του συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS) κάθε δέντρου μέσα στο οικόπεδο ψηφιοποιήθηκε στον χάρτη και βεβαιωθείτε ότι η περιοχή και τα μεμονωμένα δέντρα που εξετάστηκαν αντιστοιχούν στο πεδίο των εικόνων UAV
*'''Μοντελοποίηση συμπεριφοράς πυρκαγιάς'''
Για την διαμόρφωση των μοντέλων συμπεριφοράς της πυρκαγιά σε μια περιοχή χρησιμοποιούνται τα δεδομένα χωρικών καυσίμων από το LANDFIRE με το FlamMap 5. Έγινε σύγκριση των δεδομένων εισόδου που χρησιμοποιούνται από τις μεταβλητές εισόδου στο λογισμικό FlamMap 5 από το LANDFIRE και τις εικόνες που προέρχονται από UAV, για τη μοντελοποίηση ώστε να διαπιστωθεί αν η συμπεριφοράς στεφάνης πυρκαγιάς είναι διαφορετική με βάση την πηγή εικόνας και αν παράγουν ουσιαστικά διαφορετικά μοντέλα συμπεριφοράς πυρκαγιάς.
Το FlamMap χρησιμοποιείται για το συνδυασμό χαρακτηριστικών δασικών καυσίμων, τοπογραφίας, υγρασίας καυσίμου και παραγόντων καιρού. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν μήκος φλόγας σε μέτρα, ρυθμό εξάπλωσης σε μέτρα ανά λεπτό, και πιθανή δραστηριότητα πυρκαγιάς.
*'''3. Αποτελέσματα'''
[[Εικόνα:Table5.png | thumb | left | Πίνακας 5.]]
Η σύγκριση ίσων αριθμών δειγμάτων εικόνων από το UAV- και ΝΑΙΡ για την εκτίμηση της δασική κάλυψης συγκρίθηκαν και οι συντελεστές παλινδρόμησης έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις κάλυψης από τα στοιχεία ΝΑΙΡ ήταν υψηλότερες από τις εκτιμήσεις που προέρχονται από το UAV, ειδικά σε περιοχές με υψηλό κάλυμμα θόλων.
Οι εκτιμήσεις πυκνότητας των δέντρων που ανιχνεύθηκαν από εικόνες UAV συγκρίθηκαν για πρώτη φορά με βάση τις μετρήσεις πεδίου για κάθε κατηγορία πυκνότητας. Ο μέσος αριθμός δέντρων σε τμήματα με ένα, δύο, και τρία δέντρα ταιριάζουν απόλυτα με τον αριθμό των δέντρων που έχουν χαρτογραφηθεί στο έδαφος. Ωστόσο, σε τμήματα με πολλά δέντρα οι εικόνες από UAV είχαν μεγαλύτερη διακύμανση γύρω από τις μέσες εκτιμήσεις.
Τα δεδομένα του LANDFIRE για την περιοχή μελέτης, οδήγησαν σε εκτιμήσεις συμπεριφοράς κορώνας 0% επιφανειακή πυρκαγιά, 14% παθητική πυρκαγιά στεφάνης και 86% ενεργή φωτιά στεφάνης (Πίνακας 5)
Από τις εικόνες του UAV με τους σχετικά χαμηλούς συντελεστές συσχέτισης δεν ήταν δυνατή η παραγωγή αξιόπιστης εκτίμησης της πυκνότητας του όγκου θόλων, ωστόσο στις κρίσιμες μεταβλητές οι εκτιμήσεις που προέρχονται από UAV είχαν παρόμοιες ακρίβειες με τις μεταβλητές του LANDFIRE.
Τα δεδομένα τοπογραφίας, ύψος θόλων και ύψος βάσης από το UAV είχαν σημαντικές επιπτώσεις στο μοντέλο συμπεριφοράς πυρκαγιάς κορώνας μειώνοντας το ποσοστό ενεργού πυρκαγιάς και αυξάνοντας την επιφανειακή πυρκαγιά. Όταν χρησιμοποιήθηκαν όλες οι μεταβλητές που προέκυψαν από το UAV, η έναρξη της πυρκαγιάς του στέμματος μειώθηκε σε 0%, η ενεργή πυρκαγιά στεφάνης και 0% παθητική πυρκαγιά στεφάνης με το 100% της περιοχής μελέτης να εκτιμάται ως επιφανειακή πυρκαγιά.
*'''4. Συμπεράσματα'''
Τα αποτελέσματα υπέδειξε ότι οι έρευνες UAV μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ακριβών εκτιμήσεων της δασικής κάλυψης και του ύψους του θόλου. Η πυκνότητα των δέντρων μπορεί επίσης να εκτιμηθεί με ακρίβεια σε περιοχές με χαμηλό κάλυμμα θόλων. Η τμηματοποίηση δέντρων μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας προσαρμοστικές παραμέτρους αλγορίθμου που μπορούν να προσαρμοστούν σύμφωνα με το κάλυμμα του θόλου. Η ακρίβεια των εκτιμήσεων ύψους βάσης θόλων ήταν χαμηλή, αλλά ήταν συγκρίσιμο με τις εκτιμήσεις LANDFIRE. Η πυκνότητα όγκου αποδείχθηκε η πιο δύσκολη μέτρηση εκτίμηση χρησιμοποιώντας τις μεθόδους UAV.
Τα αποτελέσματα με χρήση δεδομένων UAV έδειξαν δραστική μείωση στο σύνολο των εκτιμήσεων για εκδήλωση πυρκαγιάς. Αποδεικνύεται ότι τα δεδομένα εισαγωγής στο μοντέλο συμπεριφοράς πυρκαγιάς FlamMap έχουν δραστική επίδραση στο δυναμικό της πυρκαγιάς που διαμορφώνεται σε μια περιοχή. Οι διαχειριστές του συστήματος πρέπει λαμβάνουν υπόψη την πηγή και την ακρίβεια των δεδομένων εισαγωγής κατά τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς και τη λήψη αποφάσεων για την διαχείριση του οικοσυστήματος. Τα δεδομένα και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν τη μελέτη με χρήση UAV παρέχουν μια άλλη πηγή δεδομένων για τη συμπλήρωση, ή και την υποκατάσταση, παραδοσιακών μορφών εκτίμησης των δασικών καυσίμων, όπως έρευνες πεδίου. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό αυτών των πηγών δεδομένων, οι επιστήμονες και οι διαχειριστές γης μπορούν εκτιμήσουν με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα την καύσιμη ύλη των δασών για να κατανοήσουν καλύτερα τις οικολογικές διαδικασίες για την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων.

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:46:54Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:46:19Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:34:28Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:17:51Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:08:09Z

Dkloumpas:

Αρχείο:Remotesensing-10-01266-g002-550.jpg

2020-04-25T22:04:20Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T22:04:00Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T21:04:06Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T17:53:26Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T17:46:15Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T11:27:11Z

Dkloumpas:

Αρχείο:Remotesensing-10-01266-g001-550.jpg

2020-04-25T11:20:06Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T11:19:51Z

Dkloumpas:

Κλούμπας Δημήτρης

2020-04-25T11:10:03Z

Dkloumpas:

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Μέτσοβο) ]]
*[[Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery]]
*[[Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ]]
*[[Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος]]

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T11:09:09Z

Dkloumpas:

Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων για εκτίμηση των δασικών καυσίμων σε πευκοδάσος

2020-04-25T11:08:42Z

Dkloumpas: Νέα σελίδα με 'Add Your Content Here category:Χαρτογράφηση καύσιμης ύλης *'''Τίτλος: Αξιολόγηση εικόνων μη επανδρωμένω...'

Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery

2020-04-24T12:01:20Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Εκτίμηση παραγωγής/Απόδοση]]
*'''Τίτλος: Εκτίμηση γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού με χρήση πολυφασματικών εικόνων από Drone.'''
*'''Πρωτότυπος Τίτλος:Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery'''
*DIMITRIS STAVRAKOUDIS , DIMITRIOS KATSANTONIS, KALLIOPI KADOGLIDOU, ARGYRIS KALAITZIDIS AND IOANNIS Z. GITAS
[https://doi.org/10.3390/rs11050545]
*'''Εισαγωγή'''
Το Ρύζι αποτελεί κύρια πηγή τροφής για πάνω από 3.000.000.000 ανθρώπους. Λόγω της αυξημένης αύξησης, στις αγροτικές καλλιέργειες παρατηρείται εκτεταμένη χρήση των αζωτούχων λιπασμάτων (N), η οποία προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως τον ευτροφισμό των επιφανειακών υδάτων και την εξάντληση των στρωμάτων του όζοντος.
Η εργασία αφορά την δημιουργία εμπειρικών μοντέλων για την πρόβλεψη των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού, που εξαρτώνται από την απόδοση και τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε άζωτο (Ν), με απώτερο στόχο την ορθολογική χρήση των λιπασμάτων αζώτου στις καλλιέργειες. Τα μοντέλα κατασκευάστηκαν με την χρήση δεδομένων πεδίου και εικόνων που λήφθηκαν με τη χρήση μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (drone), με πολυφασματικό αισθητήρα.
*'''Περιοχή μελέτης'''
Τα δεδομένα πεδίου και εικόνων, συλλέχθηκαν σε πειραματικές καλλιέργειες ρυζιού στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (πειραματικός σταθμός Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης) σε διάφορά στάδια των καλλιεργειών και σε περίοδο δύο συνεχόμενων ετών (2016-2017).
*'''Μεθοδολογία'''
*'''1. Πειράματα πεδίου'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_01.jpg | thumb | left | Εικόνα 1: Τοποθεσία του σταθμού πειραματισμού (κόκκινα ορθογώνια) στην Ελλάδα (πάνω αριστερά), επισκόπηση ολόκληρου του πειραματικού σταθμού στην Καλοχώρι (πάνω δεξιά) και τη διαμόρφωση των πειραματικών αγροτεμαχίων (κάτω). Στο τελευταίο, το χρώμα κάθε οικοπέδου υποδηλώνει την ποσότητα αζώτου (N) της κάθε μεθόδου λίπανσης (C0: 0 kg∙ha−1, C1: 80 kg∙ha−1, C2: 160 kg∙ha−1, and C3: 320 kg∙ha−1)]]
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_02.jpg | thumb | left | Εικόνα 3: Διασπορά προβλέψεων στα αγροτεμάχια έναντι παρατηρούμενων τιμών, για επιλεγμένα γεωπονικά χαρακτηριστικά. Ι) Μοντέλα κατασκευασμένα (λαμβάνοντας υπόψη όλες τις 39 πιθανές εισροές πριν από την επιλογή εισόδου) στο όργωμα για (a) BT25, (b) NU25, και (c) απόδοση ΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από δύο εικόνες μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) για τα στοιχεία (d) PH45, (e) BT45, (f) NU45, (g) NUG και (h) απόδοση ΙΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από τρεις εικόνες UAV για (i) NUG, (j) απόδοση, (k) NC45, και (l) NCG. Η γκρίζα διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την ιδανική τέλεια γραμμική σχέση, ενώ η συνεχής κόκκινη γραμμή είναι η απλή γραμμή γραμμικής παλινδρόμησης των προβλεπόμενων δεδομένων που έχουν παρατηρηθεί.]]

Οι πειραματικές καλλιέργειες αναπτύχτηκαν σε έκταση του πειραματικού σταθμού Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης. Για την εκτίμηση των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του ρυζιού και σε διαφορετικές θεραπείες λίπανσης του εδάφους, επιλέχθηκαν σπόροι ρυζιού Ιαπωνίας, τύπου Ελληνικής Εμπορικής ποικιλίας «ΔΙΩΝ», που ανήκουν στην Ευρωπαϊκή Κεντρική συλλογή (http://tropgenedb.CIRAD.FR). Επιλέχθηκε να γίνει εφαρμογή τεσσάρων διαφορετικών ποσοτήτων λίπανσης ανά τμήμα καλλιέργειας, με ένα νέο βιο-λίπασμα (RBBf), που αναπτύχθηκε στον Ελληνικό Γεωργικό Οργανισμό – ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ), στο πλαίσιο του προγράμματος Ορίζων 2020, με τις τέσσερις κατηγορίες (C0, C1, C2, C3) να διαφοροποιούνται ως προς την ποσότητα εμπλουτισμού με λίπασμα ως εξής: 1) 0 N kg ∙ ha − 1 — Έλεγχος χωρίς επεξεργασία (C0) 2) 80 N kg ∙ ha − 1 του RBBf (C1) •3) 160 N kg ∙ ha − 1 του RBBf — πρότυπη τοπική πρακτική για την καλλιέργεια ρυζιού (C2) • και 4) 320 N kg ∙ ha − 1 RBBf (C3). Σε κάθε διαφορετική κατηγορία λίπανσης επιλέχθηκαν πέντε περιοχές για την λήψη δεδομένων και το μέγεθος κάθε περιοχής πειραματικής σχεδίασης να έχει εμβαδό 11τ.μ. (5Χ2,5μ.).

Η φύτευση έγινε στα πλημμυρισμένα αγροτεμάχια στις 2 Ιουνίου 2016 και στις 9 Ιουνίου 2017, αντίστοιχα. Το σύστημα λίπανσης του εδάφους ακολούθησε τις τοπικές και διεθνείς τυποποιημένες πρακτικές για την καλλιέργεια ρυζιού, όπου η ποσότητα λίπανσης διαιρείται σε τρεις φάσεις: το 40% του N – P – K ενσωματώνονται ως βασικό λίπασμα πριν από τις πλημμύρες, το 40% εφαρμόζεται στο στάδιο της όργωσης, και ομοίως τα υπόλοιπα (20%) στο στάδιο της μύησης (πριν τη διόγκωση). Εκτός από τη λίπανση, εφαρμόστηκαν όλες οι υπόλοιπες κοινές πρακτικές. Το όλο πείραμα ολοκληρώθηκε όταν τα φυτά έφτασαν στο στάδιο φυσιολογικής ωριμότητας στις 6 Οκτωβρίου 2016 και στις 10 Οκτωβρίου 2017, αντίστοιχα.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου πειραματισμού, αξιολογήθηκαν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στα κατάλληλα στάδια της κλίμακας BBCH: (1) ύψος φυτού (PH, cm), μετρώντας το κύριο στέλεχος 30 τυχαίων φυτών ρυζιού ανά οικόπεδο • (2) ολική βιομάζα (BT, tn•ha−1), κόβοντας ολόκληρης της βιομάζας σε 0.25m2 από κάθε τμήμα των αγροτεμαχίων και ζυγίζοντας το μετά από 48 h στεγνώματος με αέρα στους 70 °C , • (3) η συγκέντρωση N (NC,%), που καθορίζεται από τη διαδικασία macro-Kjeldahl • (4) N πρόσληψη (NU; kg ∙ ha − 1 ), υπολογιζόμενη ως συνολική συγκέντρωση βιομάζας × N , • (5) απόδοση σιτηρών (απόδοση, tn•ha−1) • και (6) δείκτης συγκομιδής (HI), που εκτιμάται ως απόδοση κόκκων/(ολική ξηρά ύλη + απόδοση κόκκων).
*'''2. Λήψη εικόνων και προεπεξεργασία'''
Για τη λήψη των εικόνων χρησιμοποιήθηκε ο πολυφασματικός αισθητήρας Parrot® Sequoia™ multispectral imaging sensor (Parrot Drones S.A.S, Paris, France), ο οποίος συλλαμβάνει το αντανακλασόμενο φως, σε τέσσερις φασματικές ζώνες, με οπτικό πεδίο 70,6 °, green (G; 550 nm; 40 nm, εύρος ζώνης), red (R; 660 nm, 40 nm εύρος ζώνης), red-edge (RE; 735 nm • -10 nm εύρος ζώνης), και near-infrared (NIR, 790 nm, 40 nm εύρος ζώνης).
Ο αισθητήρας ήταν τοποθετημένος σε ένα ελικόπτερο (drone) DJI 4 (DJI, Shenzhen, Κίνα) το οποίο ήταν επίσης εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα ακτινοβολίας για τη μέτρηση του φωτός την ώρα των λήψεων, προκειμένου να διορθωθούν οι εικόνες, στις μεταβλητές συνθήκες φωτισμού κατά τη διάρκεια της πτήσης. Το σχέδιο πτήσης δημιουργήθηκε αυτόματα μέσω της εφαρμογής πτήσης Atlas (MicaSense, Inc., Σιάτλ, ΗΠΑ), επιλέγοντας το 80% να επικαλύπτονται και για τον μπροστινό και τον πλευρικό γύρο, προκειμένου να διασφαλιστεί η ακρίβεια των δεδομένων . Στη συνέχεια, οι εικόνες συνδυάστηκαν με την χρήση της εφαρμογής Pix4Dmapper Pro (Pix4D Α.Ε., Λωζάνη, Ελβετία).
Κατά τη διάρκεια κάθε καλλιεργητικής περιόδου, πάρθηκαν τρεις εικόνες πάνω από την περιοχή μελέτης. Το τηλεκατευθυνόμενο πετούσε σε ύψος 30 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους, με αποτέλεσμα έναν ορθοφωτοχάρτη με χωρική ανάλυση περίπου 2,5 cm. Από κάθε εικόνα υπολογίστηκαν 35 VIs, οι οποίες εξετάστηκαν σε σχέση με μελέτες που αφορούσαν την εκτίμηση των Γεωπονικών χαρακτηριστικών του ρυζιού. Στη συνέχεια σε κάθε πειραματικό οικόπεδο οριοθετήθηκε , η περιοχή έρευνας χειροκίνητα (περίπου 10 m2). Για κάθε οικόπεδο, η μέση τιμή όλων των εικονοστοιχείων εντός της οριοθετημένης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε μπάντα της κάμερας και VI, και το δεδομένα που παράχθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την ανάλυση. Το τελικό σύνολο δεδομένων περιελάμβανε 40 δείγματα, καθώς το πείραμα περιελάμβανε 20 αγροτεμάχια (πέντε αναπαραγωγές για καθεμία από τις τέσσερις μεθόδους λίπανσης με (N) και οι μετρήσεις έγιναν για τα δύο χρόνια πειραματισμού (2016 και 2017).
*'''3. Μοντέλα παλινδρόμησης'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_03.jpg | thumb | right | Εικόνα 4: Εικόνα 4. Σφάλματα πρόβλεψης απόδοσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο στο 2017, λαμβάνοντας υπόψη τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν στο (a) το στάδιο του οργώματος, (b) το στάδιο εκκίνησης με δύο εικόνες και (c) το στάδιο εκκίνησης με τρεις εικόνες. Οι τιμές σφάλματος εκφράζονται στο πεδίο tn∙ha−1 και έχουν υπολογιστεί ως προβλεπόμενες μείον την απόδοση της μετρούμενης αξίας. Το αναγνωριστικό της μεθόδου λίπανσης με N αναφέρεται επίσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο, σύμφωνα με την εικόνα 1. ]]
Η ένωση των τεσσάρων καναλιών της κάμερας και τα 35 VIs χρησιμοποιήθηκαν ως εισροές για την δημιουργία των εμπειρικών μοντέλων. Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση ήταν η μέση τιμή των VIs και των καναλιών της κάμερας, μαζί με τις αντίστοιχες τιμές δεδομένων πεδίου (ένα από τα χαρακτηριστικά για κάθε μοντέλο) για κάθε οικόπεδο και για τα δύο χρόνια πειραματισμού. Η ερμηνεία των μοντέλων, επιλέχθηκε να γίνει μέσω της απλής προσέγγισης με ελάχιστη κλίμακα πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Όλα τα VIs θεωρήθηκαν ως δυνητικές εισροές για τα μοντέλα, δεδομένου ότι οι λιπάνσεις με N επηρεάζουν, ταυτόχρονα, τη βιομάζα, τον δείκτη φύλλων και την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη όλων των φυτών και, ως εκ τούτου, κάθε VI θα μπορούσε ενδεχομένως να αυξήσει την ακρίβεια ενός μοντέλου που χτίστηκε για κάθε χαρακτηριστικό.
Για κάθε γεωπονική ιδιότητα, δημιουργήθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης, σε δύο στάδια καλλιέργειας, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα πεδίου και από τα δύο έτη.
Η πρώτη κατηγορία μοντέλων χτίστηκε για το στάδιο της συγκομιδής BBCH 25, η οποία αντιστοιχεί σε δύο έως τρεις ημέρες πριν από την πρώτη TdF (στο στάδιο της όργωσης).
Η δεύτερη κατηγορία κατασκευάστηκε για το στάδιο της καλλιέργειας BBCH 45, η οποία αντιστοιχεί σε περίπου πέντε ημέρες πριν από το δεύτερο TdF (στο στάδιο εκκίνησης). Για την πρώην κατηγορία μοντέλων, τα μοντέλα χτίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβλητές εισόδου από μόνο την πρώτη εικόνα, που καταγράφονται στο στάδιο BBCH 25.
Για την τελευταία κατηγορία μοντέλων εξετάστηκαν δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη χρησιμοποίησε την Ένωση μεταβλητών εισόδου από δύο εικόνες, εκείνες που πάρθηκαν στο στάδιο BBCH 25 και BBCH 45. Η ακρίβεια των μοντέλων αξιολογήθηκε με τη βοήθεια του προσαρμοσμένου συντελεστή προσδιορισμού της παλινδρόμησης (adj. R2), καθώς και το ριζικό μέσο λάθος της περιοχής (RMSE). Δεδομένου ότι το μέγεθος του RMSE εξαρτάται από το μέγεθος των δεδομένων, αναφέρουμε επίσης ένα σχετικό μέτρο της διασποράς των σφαλμάτων μοντελοποίησης, δηλαδή τον συντελεστή διακύμανσης του RMSE (CVRMSE).
*'''Άποτελέσματα'''
Σύμφωνα με τις μετρήσεις, αξιολογήθηκαν οι διαφορές των Γεωπονικών χαρακτηριστικών για κάθε διαφορετική μέθοδο λίπανσης. Η βιομάζα, η πρόσληψη N και η απόδοση παρουσιάζουν μια μάλλον αναμενόμενη τάση, δηλαδή υψηλότερες τιμές με αυξημένη ποσότητα λιπασμάτων N. Η απόδοση παρουσιάζει επίσης τον αναμενόμενο κορεσμό με λίπανση Ν, δηλαδή, οι μεγάλες διαφορές στο NU και BT μεταξύ C2 (τυπική τοπική πρακτική) και C3 (διπλή ποσότητα) στο BBCH 45 δεν αντανακλούσαν πλήρως στις διαφορές απόδοσης.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης χρησιμοποιώντας δύο εικόνες UAV (στο BBCH 25 και 45) παρουσίασαν υψηλές συσχετίσεις για τα περισσότερα από τα γεωπονικά γνωρίσματα. Τα μοντέλα για τη βιομάζα (BT99 και BSL99) και η συγκέντρωση N (NC99, NCSL99 και NUG) κατά τη διάρκεια της ωριμότητας πέτυχαν σχετικά χαμηλότερη ακρίβεια, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις οι προσαρμοσμένες τιμές R2 ήταν υψηλότερες από 0,7, με εξαίρεση το HI.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης, χρησιμοποιώντας τρεις εικόνες UAV (στο BBCH 25, 31 και 45), γενικά οδήγησαν σε αυξημένη ακρίβεια σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μοντέλα που κατασκευάστηκαν με μόνο δύο εικόνες. Τα μοντέλα που είχαν εμφανίσει μια αύξηση της ακρίβειας, αποτελούνταν από έναν μεγαλύτερο αριθμό προβολών από εκείνα με δύο εικόνες, πράγμα που σημαίνει ότι εκμεταλλεύονται τις πρόσθετες πληροφορίες που παρέχονται από την εικόνα στο BBCH 31, που είναι και αναμενόμενο.

*'''Συμπεράσματα'''
Τα εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού μέσω πολυφασματικών εικόνων που λαμβάνονται εξ αποστάσεως, με απλά και οικονομικά μέσα, όπως τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (Drone) με αισθητήρες τεσσάρων καναλιών, μπορεί να δώσουν αξιόπιστα αποτελέσματα για την αποδοτική και ορθολογική χρήση των λιπασμάτων στις αγροτικές καλλιέργειες, σε σχέση με άλλες εναλλακτικές προσεγγίσεις δειγματοληψίας για τις μετρήσεις συγκέντρωσης ή απορρόφηση N , καθώς και της απόδοσης στις καλλιέργειες ρυζιού.

Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery

2020-04-24T11:48:13Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Εκτίμηση παραγωγής/Απόδοση]]
*'''Τίτλος:Estimating Rice Agronomic Traits Using Drone-Collected Multispectral Imagery'''
*DIMITRIS STAVRAKOUDIS , DIMITRIOS KATSANTONIS, KALLIOPI KADOGLIDOU, ARGYRIS KALAITZIDIS AND IOANNIS Z. GITAS
[https://doi.org/10.3390/rs11050545]
*'''Εισαγωγή'''
Το Ρύζι αποτελεί κύρια πηγή τροφής για πάνω από 3.000.000.000 ανθρώπους. Λόγω της αυξημένης αύξησης, στις αγροτικές καλλιέργειες παρατηρείται εκτεταμένη χρήση των αζωτούχων λιπασμάτων (N), η οποία προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως τον ευτροφισμό των επιφανειακών υδάτων και την εξάντληση των στρωμάτων του όζοντος.
Η εργασία αφορά την δημιουργία εμπειρικών μοντέλων για την πρόβλεψη των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού, που εξαρτώνται από την απόδοση και τις απαιτήσεις των καλλιεργειών σε άζωτο (Ν), με απώτερο στόχο την ορθολογική χρήση των λιπασμάτων αζώτου στις καλλιέργειες. Τα μοντέλα κατασκευάστηκαν με την χρήση δεδομένων πεδίου και εικόνων που λήφθηκαν με τη χρήση μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος (drone), με πολυφασματικό αισθητήρα.
*'''Περιοχή μελέτης'''
Τα δεδομένα πεδίου και εικόνων, συλλέχθηκαν σε πειραματικές καλλιέργειες ρυζιού στην περιοχή της Θεσσαλονίκης (πειραματικός σταθμός Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης) σε διάφορά στάδια των καλλιεργειών και σε περίοδο δύο συνεχόμενων ετών (2016-2017).
*'''Μεθοδολογία'''
*'''1. Πειράματα πεδίου'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_01.jpg | thumb | left | Εικόνα 1: Τοποθεσία του σταθμού πειραματισμού (κόκκινα ορθογώνια) στην Ελλάδα (πάνω αριστερά), επισκόπηση ολόκληρου του πειραματικού σταθμού στην Καλοχώρι (πάνω δεξιά) και τη διαμόρφωση των πειραματικών αγροτεμαχίων (κάτω). Στο τελευταίο, το χρώμα κάθε οικοπέδου υποδηλώνει την ποσότητα αζώτου (N) της κάθε μεθόδου λίπανσης (C0: 0 kg∙ha−1, C1: 80 kg∙ha−1, C2: 160 kg∙ha−1, and C3: 320 kg∙ha−1)]]
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_02.jpg | thumb | left | Εικόνα 3: Διασπορά προβλέψεων στα αγροτεμάχια έναντι παρατηρούμενων τιμών, για επιλεγμένα γεωπονικά χαρακτηριστικά. Ι) Μοντέλα κατασκευασμένα (λαμβάνοντας υπόψη όλες τις 39 πιθανές εισροές πριν από την επιλογή εισόδου) στο όργωμα για (a) BT25, (b) NU25, και (c) απόδοση ΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από δύο εικόνες μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) για τα στοιχεία (d) PH45, (e) BT45, (f) NU45, (g) NUG και (h) απόδοση ΙΙΙ) μοντέλα που κατασκευάζονται κατά την εκκίνηση με χρήση χαρακτηριστικών που εξάγονται από τρεις εικόνες UAV για (i) NUG, (j) απόδοση, (k) NC45, και (l) NCG. Η γκρίζα διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την ιδανική τέλεια γραμμική σχέση, ενώ η συνεχής κόκκινη γραμμή είναι η απλή γραμμή γραμμικής παλινδρόμησης των προβλεπόμενων δεδομένων που έχουν παρατηρηθεί.]]

Οι πειραματικές καλλιέργειες αναπτύχτηκαν σε έκταση του πειραματικού σταθμού Καλοχωρίου Θεσσαλονίκης. Για την εκτίμηση των γεωπονικών χαρακτηριστικών σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του ρυζιού και σε διαφορετικές θεραπείες λίπανσης του εδάφους, επιλέχθηκαν σπόροι ρυζιού Ιαπωνίας, τύπου Ελληνικής Εμπορικής ποικιλίας «ΔΙΩΝ», που ανήκουν στην Ευρωπαϊκή Κεντρική συλλογή (http://tropgenedb.CIRAD.FR). Επιλέχθηκε να γίνει εφαρμογή τεσσάρων διαφορετικών ποσοτήτων λίπανσης ανά τμήμα καλλιέργειας, με ένα νέο βιο-λίπασμα (RBBf), που αναπτύχθηκε στον Ελληνικό Γεωργικό Οργανισμό – ΔΗΜΗΤΡΑ (ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ), στο πλαίσιο του προγράμματος Ορίζων 2020, με τις τέσσερις κατηγορίες (C0, C1, C2, C3) να διαφοροποιούνται ως προς την ποσότητα εμπλουτισμού με λίπασμα ως εξής: 1) 0 N kg ∙ ha − 1 — Έλεγχος χωρίς επεξεργασία (C0) 2) 80 N kg ∙ ha − 1 του RBBf (C1) •3) 160 N kg ∙ ha − 1 του RBBf — πρότυπη τοπική πρακτική για την καλλιέργεια ρυζιού (C2) • και 4) 320 N kg ∙ ha − 1 RBBf (C3). Σε κάθε διαφορετική κατηγορία λίπανσης επιλέχθηκαν πέντε περιοχές για την λήψη δεδομένων και το μέγεθος κάθε περιοχής πειραματικής σχεδίασης να έχει εμβαδό 11τ.μ. (5Χ2,5μ.).

Η φύτευση έγινε στα πλημμυρισμένα αγροτεμάχια στις 2 Ιουνίου 2016 και στις 9 Ιουνίου 2017, αντίστοιχα. Το σύστημα λίπανσης του εδάφους ακολούθησε τις τοπικές και διεθνείς τυποποιημένες πρακτικές για την καλλιέργεια ρυζιού, όπου η ποσότητα λίπανσης διαιρείται σε τρεις φάσεις: το 40% του N – P – K ενσωματώνονται ως βασικό λίπασμα πριν από τις πλημμύρες, το 40% εφαρμόζεται στο στάδιο της όργωσης, και ομοίως τα υπόλοιπα (20%) στο στάδιο της μύησης (πριν τη διόγκωση). Εκτός από τη λίπανση, εφαρμόστηκαν όλες οι υπόλοιπες κοινές πρακτικές. Το όλο πείραμα ολοκληρώθηκε όταν τα φυτά έφτασαν στο στάδιο φυσιολογικής ωριμότητας στις 6 Οκτωβρίου 2016 και στις 10 Οκτωβρίου 2017, αντίστοιχα.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου πειραματισμού, αξιολογήθηκαν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά στα κατάλληλα στάδια της κλίμακας BBCH: (1) ύψος φυτού (PH, cm), μετρώντας το κύριο στέλεχος 30 τυχαίων φυτών ρυζιού ανά οικόπεδο • (2) ολική βιομάζα (BT, tn•ha−1), κόβοντας ολόκληρης της βιομάζας σε 0.25m2 από κάθε τμήμα των αγροτεμαχίων και ζυγίζοντας το μετά από 48 h στεγνώματος με αέρα στους 70 °C , • (3) η συγκέντρωση N (NC,%), που καθορίζεται από τη διαδικασία macro-Kjeldahl • (4) N πρόσληψη (NU; kg ∙ ha − 1 ), υπολογιζόμενη ως συνολική συγκέντρωση βιομάζας × N , • (5) απόδοση σιτηρών (απόδοση, tn•ha−1) • και (6) δείκτης συγκομιδής (HI), που εκτιμάται ως απόδοση κόκκων/(ολική ξηρά ύλη + απόδοση κόκκων).
*'''2. Λήψη εικόνων και προεπεξεργασία'''
Για τη λήψη των εικόνων χρησιμοποιήθηκε ο πολυφασματικός αισθητήρας Parrot® Sequoia™ multispectral imaging sensor (Parrot Drones S.A.S, Paris, France), ο οποίος συλλαμβάνει το αντανακλασόμενο φως, σε τέσσερις φασματικές ζώνες, με οπτικό πεδίο 70,6 °, green (G; 550 nm; 40 nm, εύρος ζώνης), red (R; 660 nm, 40 nm εύρος ζώνης), red-edge (RE; 735 nm • -10 nm εύρος ζώνης), και near-infrared (NIR, 790 nm, 40 nm εύρος ζώνης).
Ο αισθητήρας ήταν τοποθετημένος σε ένα ελικόπτερο (drone) DJI 4 (DJI, Shenzhen, Κίνα) το οποίο ήταν επίσης εξοπλισμένο με έναν αισθητήρα ακτινοβολίας για τη μέτρηση του φωτός την ώρα των λήψεων, προκειμένου να διορθωθούν οι εικόνες, στις μεταβλητές συνθήκες φωτισμού κατά τη διάρκεια της πτήσης. Το σχέδιο πτήσης δημιουργήθηκε αυτόματα μέσω της εφαρμογής πτήσης Atlas (MicaSense, Inc., Σιάτλ, ΗΠΑ), επιλέγοντας το 80% να επικαλύπτονται και για τον μπροστινό και τον πλευρικό γύρο, προκειμένου να διασφαλιστεί η ακρίβεια των δεδομένων . Στη συνέχεια, οι εικόνες συνδυάστηκαν με την χρήση της εφαρμογής Pix4Dmapper Pro (Pix4D Α.Ε., Λωζάνη, Ελβετία).
Κατά τη διάρκεια κάθε καλλιεργητικής περιόδου, πάρθηκαν τρεις εικόνες πάνω από την περιοχή μελέτης. Το τηλεκατευθυνόμενο πετούσε σε ύψος 30 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους, με αποτέλεσμα έναν ορθοφωτοχάρτη με χωρική ανάλυση περίπου 2,5 cm. Από κάθε εικόνα υπολογίστηκαν 35 VIs, οι οποίες εξετάστηκαν σε σχέση με μελέτες που αφορούσαν την εκτίμηση των Γεωπονικών χαρακτηριστικών του ρυζιού. Στη συνέχεια σε κάθε πειραματικό οικόπεδο οριοθετήθηκε , η περιοχή έρευνας χειροκίνητα (περίπου 10 m2). Για κάθε οικόπεδο, η μέση τιμή όλων των εικονοστοιχείων εντός της οριοθετημένης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε μπάντα της κάμερας και VI, και το δεδομένα που παράχθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την ανάλυση. Το τελικό σύνολο δεδομένων περιελάμβανε 40 δείγματα, καθώς το πείραμα περιελάμβανε 20 αγροτεμάχια (πέντε αναπαραγωγές για καθεμία από τις τέσσερις μεθόδους λίπανσης με (N) και οι μετρήσεις έγιναν για τα δύο χρόνια πειραματισμού (2016 και 2017).
*'''3. Μοντέλα παλινδρόμησης'''
[[ Εικόνα:remotesensing_11_00545_03.jpg | thumb | right | Εικόνα 4: Εικόνα 4. Σφάλματα πρόβλεψης απόδοσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο στο 2017, λαμβάνοντας υπόψη τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν στο (a) το στάδιο του οργώματος, (b) το στάδιο εκκίνησης με δύο εικόνες και (c) το στάδιο εκκίνησης με τρεις εικόνες. Οι τιμές σφάλματος εκφράζονται στο πεδίο tn∙ha−1 και έχουν υπολογιστεί ως προβλεπόμενες μείον την απόδοση της μετρούμενης αξίας. Το αναγνωριστικό της μεθόδου λίπανσης με N αναφέρεται επίσης για κάθε πειραματικό οικόπεδο, σύμφωνα με την εικόνα 1. ]]
Η ένωση των τεσσάρων καναλιών της κάμερας και τα 35 VIs χρησιμοποιήθηκαν ως εισροές για την δημιουργία των εμπειρικών μοντέλων. Τα δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση ήταν η μέση τιμή των VIs και των καναλιών της κάμερας, μαζί με τις αντίστοιχες τιμές δεδομένων πεδίου (ένα από τα χαρακτηριστικά για κάθε μοντέλο) για κάθε οικόπεδο και για τα δύο χρόνια πειραματισμού. Η ερμηνεία των μοντέλων, επιλέχθηκε να γίνει μέσω της απλής προσέγγισης με ελάχιστη κλίμακα πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Όλα τα VIs θεωρήθηκαν ως δυνητικές εισροές για τα μοντέλα, δεδομένου ότι οι λιπάνσεις με N επηρεάζουν, ταυτόχρονα, τη βιομάζα, τον δείκτη φύλλων και την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη όλων των φυτών και, ως εκ τούτου, κάθε VI θα μπορούσε ενδεχομένως να αυξήσει την ακρίβεια ενός μοντέλου που χτίστηκε για κάθε χαρακτηριστικό.
Για κάθε γεωπονική ιδιότητα, δημιουργήθηκαν μοντέλα παλινδρόμησης, σε δύο στάδια καλλιέργειας, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα πεδίου και από τα δύο έτη.
Η πρώτη κατηγορία μοντέλων χτίστηκε για το στάδιο της συγκομιδής BBCH 25, η οποία αντιστοιχεί σε δύο έως τρεις ημέρες πριν από την πρώτη TdF (στο στάδιο της όργωσης).
Η δεύτερη κατηγορία κατασκευάστηκε για το στάδιο της καλλιέργειας BBCH 45, η οποία αντιστοιχεί σε περίπου πέντε ημέρες πριν από το δεύτερο TdF (στο στάδιο εκκίνησης). Για την πρώην κατηγορία μοντέλων, τα μοντέλα χτίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη τις μεταβλητές εισόδου από μόνο την πρώτη εικόνα, που καταγράφονται στο στάδιο BBCH 25.
Για την τελευταία κατηγορία μοντέλων εξετάστηκαν δύο προσεγγίσεις. Η πρώτη χρησιμοποίησε την Ένωση μεταβλητών εισόδου από δύο εικόνες, εκείνες που πάρθηκαν στο στάδιο BBCH 25 και BBCH 45. Η ακρίβεια των μοντέλων αξιολογήθηκε με τη βοήθεια του προσαρμοσμένου συντελεστή προσδιορισμού της παλινδρόμησης (adj. R2), καθώς και το ριζικό μέσο λάθος της περιοχής (RMSE). Δεδομένου ότι το μέγεθος του RMSE εξαρτάται από το μέγεθος των δεδομένων, αναφέρουμε επίσης ένα σχετικό μέτρο της διασποράς των σφαλμάτων μοντελοποίησης, δηλαδή τον συντελεστή διακύμανσης του RMSE (CVRMSE).
*'''Άποτελέσματα'''
Σύμφωνα με τις μετρήσεις, αξιολογήθηκαν οι διαφορές των Γεωπονικών χαρακτηριστικών για κάθε διαφορετική μέθοδο λίπανσης. Η βιομάζα, η πρόσληψη N και η απόδοση παρουσιάζουν μια μάλλον αναμενόμενη τάση, δηλαδή υψηλότερες τιμές με αυξημένη ποσότητα λιπασμάτων N. Η απόδοση παρουσιάζει επίσης τον αναμενόμενο κορεσμό με λίπανση Ν, δηλαδή, οι μεγάλες διαφορές στο NU και BT μεταξύ C2 (τυπική τοπική πρακτική) και C3 (διπλή ποσότητα) στο BBCH 45 δεν αντανακλούσαν πλήρως στις διαφορές απόδοσης.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης χρησιμοποιώντας δύο εικόνες UAV (στο BBCH 25 και 45) παρουσίασαν υψηλές συσχετίσεις για τα περισσότερα από τα γεωπονικά γνωρίσματα. Τα μοντέλα για τη βιομάζα (BT99 και BSL99) και η συγκέντρωση N (NC99, NCSL99 και NUG) κατά τη διάρκεια της ωριμότητας πέτυχαν σχετικά χαμηλότερη ακρίβεια, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις οι προσαρμοσμένες τιμές R2 ήταν υψηλότερες από 0,7, με εξαίρεση το HI.
Τα γραμμικά μοντέλα που κατασκευάστηκαν για το στάδιο εκκίνησης, χρησιμοποιώντας τρεις εικόνες UAV (στο BBCH 25, 31 και 45), γενικά οδήγησαν σε αυξημένη ακρίβεια σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μοντέλα που κατασκευάστηκαν με μόνο δύο εικόνες. Τα μοντέλα που είχαν εμφανίσει μια αύξηση της ακρίβειας, αποτελούνταν από έναν μεγαλύτερο αριθμό προβολών από εκείνα με δύο εικόνες, πράγμα που σημαίνει ότι εκμεταλλεύονται τις πρόσθετες πληροφορίες που παρέχονται από την εικόνα στο BBCH 31, που είναι και αναμενόμενο.

*'''Συμπεράσματα'''
Τα εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης γεωπονικών χαρακτηριστικών σε καλλιέργειες ρυζιού μέσω πολυφασματικών εικόνων που λαμβάνονται εξ αποστάσεως, με απλά και οικονομικά μέσα, όπως τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (Drone) με αισθητήρες τεσσάρων καναλιών, μπορεί να δώσουν αξιόπιστα αποτελέσματα για την αποδοτική και ορθολογική χρήση των λιπασμάτων στις αγροτικές καλλιέργειες, σε σχέση με άλλες εναλλακτικές προσεγγίσεις δειγματοληψίας για τις μετρήσεις συγκέντρωσης ή απορρόφηση N , καθώς και της απόδοσης στις καλλιέργειες ρυζιού.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:46:05Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

*'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
*'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Σχέδιο 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | left | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:45:21Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Σχέδιο 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | left | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:43:43Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:41:23Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]

Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | left | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]

Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).

Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.

*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:39:37Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | left | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]

Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]

Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:37:33Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | left | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Figure10.png

2020-04-24T11:36:03Z

Dkloumpas:

Αρχείο:Figure9.png

2020-04-24T11:33:49Z

Dkloumpas:

Αρχείο:Figure6.png

2020-04-24T11:32:42Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:29:49Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]
[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:28:41Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:27:38Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''
[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.
*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.
Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:26:40Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχέδιο 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχέδιο 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | center |]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | center |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Equations5.png

2020-04-24T11:24:10Z

Dkloumpas: ανέβασμα νέας έκδοσης του "Αρχείο:Equations5.png"

Αρχείο:Equations5.png

2020-04-24T11:23:01Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:22:50Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχήμα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | right |]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations5.png| thumb | right |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Equations4.png

2020-04-24T11:19:42Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:16:00Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχέδιο 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχέδιο 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (Σχήμα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Σχέδιο 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχέδιο 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Σχέδιο 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχέδιο 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:Equations4.png| thumb | right |]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχέδιο 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:Equations4.png| thumb | right |]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:Figure6.png| thumb | right | Σχέδιο 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:Figure9.png| thumb | right | Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.]]
Σχέδιο 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:Figure10.png| thumb | right | Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.]]
Σχέδιο 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Figure5.png

2020-04-24T11:05:20Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T11:04:55Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | left | Σχήμα 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4). [[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]

[[Εικόνα:Figure5.png| thumb |left | Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (a) 1990; (β) 1995; (b) 2000; (d) 2005; και (e) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.]]

Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Figure4.png

2020-04-24T11:00:19Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T10:59:59Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:Figure4.png| thumb | right | Σχήμα 4. Εικόνα (a) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (b) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.]]

Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]

[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (α) 1990; (β) 1995; (γ) 2000; (δ) 2005; και (ε) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T09:55:55Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | right | Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 4. Εικόνα (α) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (β) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]

[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (α) 1990; (β) 1995; (γ) 2000; (δ) 2005; και (ε) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T09:55:06Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | right |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | center | Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 4. Εικόνα (α) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (β) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]

[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (α) 1990; (β) 1995; (γ) 2000; (δ) 2005; και (ε) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.

Αρχείο:Remotesensing-10-01240-g003-550.jpg

2020-04-24T09:48:41Z

Dkloumpas:

Προσδιορισμός έτους εγκτάστασης φυτειών καουτσούκ

2020-04-24T09:48:10Z

Dkloumpas:

Add Your Content Here

[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

'''Τίτλος:'''Προσδιορισμός του έτους εγκατάστασης και του εδάφους πριν από τη εγκατάσταση φυτειών καουτσούκ, στο νησί Hainan της Κίνας, χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat κατά την περίοδο 1987-2015.
'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Identifying Establishment Year and Pre-Conversion Land Cover of Rubber Plantations on Hainan Island, China Using Landsat Data during 1987–2015.
*Bangqian Chen, Xiangming Xiao, Zhixiang Wu, TinYun, Weili Kou, Huichun Ye, Qinghuo Lin, Russell Doughty, Jinwei Dong, Jun Ma, Wei Luo, Guishui Xie and Jianhua Cao.
Πηγή: [https://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1240]
*'''Εισαγωγή'''
Λόγω της αυξημένης ζήτησης φυσικού καουτσούκ, τον 20ο αιώνα παρατηρείται μεγάλη επέκταση των καλλιεργειών δένδρων για την παραγωγή καουτσούκ, η οποία σε όλη την Νοτιοανατολική Ασία και την Κίνα, δημιούργησε προβλήματα στην διατήρησης των φυσικών δασών, αφού οι φυτείες αυτές αυξήθηκαν κατά 25%. Τα στοιχεία που αφορούν το χρόνο εγκατάστασης και παραμονής των φυτειών, καθώς και η κάλυψη των εδαφών πριν από την εγκατάσταση των φυτειών από καουτσούκ είναι απαραίτητα για την ορθή εκτίμηση των επιπτώσεων της μετατροπής της γης στη βιοποικιλότητα, την απομόνωση του άνθρακα, την διαχείριση του νερού και γενικότερα την αναπτυξιακή πολιτικής των περιοχών.
Η συνήθης πρακτική για την συλλογή των δεδομένων που αφορούν τις φυτείες δένδρων καουτσούκ, (χρόνος εγκατάστασης, έκταση κλπ.) ήταν η συλλογή τους με επιτόπιες έρευνες και συνεντεύξεις από ιδιοκτήτες φυτειών. Παρότι τα δεδομένα που συλλέγονται με αυτό τον τρόπο είναι ακριβή, δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα. Προηγούμενες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει εικόνες ραντάρ αλλά έδειξαν ότι οι εν λόγω πηγές υποτιμούν τη συχνότητα εμφάνισης των κενών στις φυτείες και η κατάταξη των φυτειών ως προς το έτος εγκατάστασης στη διάρκεια των 25 ετών του κύκλου ζωής του φωτειών γινόταν σε δύο ή τρεις ηλικιακές ομάδες.
Στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος για να χαρτογραφηθεί το έτος εγκατάστασης των φυτειών καουτσούκ με την ενσωμάτωση φυσικών μετρήσεων με και χρονολογικών δεδομένων από εικόνες Landsat, ώστε να δημιουργήσει ένα χρονολογικό χάρτη εγκατάστασης φυτειών στο νησί Hainan της Κίνας και να ερευνήσει το πρότυπο της επέκτασης της καλλιέργειας από το 1987 έως το 2015, να διερευνήσει τις πηγές, το χρόνο, την έκταση και τη χωρική έκταση της μετατροπής της γης τα τελευταία 30 χρόνια.
*'''Μεθοδολογία'''

[[ Εικόνα:remotesensing-10-01240-g001-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 1. Τοποθεσία και τοπογραφία του νησιού Hainan επικαλυμμένα με δεδομένα αναφοράς εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία χαρτών και αξιολογήσεων ακρίβειας για χάρτες (a) ελαστικών φυτειών το 2015 ·(b) έτος εγκατάστασης · και (c) κάλυψη εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g002-550.jpg | thumb | left | Σχήμα 2. Στατιστικές πληροφορίες των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI στο νησί Hainan κατά τη διάρκεια του 1987 και 2015. Τα στατιστικά δεδομένα διεξήχθησαν από (a) διαδρομή / σειρά. (b) μήνα · και (c) αισθητήρες.]]
*'''Περιοχή μελέτης'''
Το νησί Hainan ( Σχήμα 1α) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νησί της Κίνας και έχει έκταση περίπου 3,4 εκατομμυρίων εκταρίων. Η τοπογραφία του νησιού είναι ορεινή στο εσωτερικό με πεδινές εκτάσεις κατά μήκος της ακτής. Από τη δεκαετία του 1950, στο νησί άρχισαν να αναπτύσσονται οι φυτείες μεγάλων εκτάσεις ελαστικών δέντρων για να καλύψουν τις εθνικές και οικονομικές ανάγκες της Κίνας. Είναι η δεύτερη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στην Κίνα, με έκταση 5.4 × 105 Ha το 2015. Κάλυψη του νησιού είναι: τα δάση (συμπεριλαμβανομένων των ελαστικών φυτειών) 63,4%, οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις 25,7%, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις 3,3%, το νερό , 3,8% και οι κατοικημένες περιοχές το 3,6% της συνολική έκταση.

*'''Εικόνες Landsat και επεξεργασία'''
Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat του θεματικού χαρτογράφου (TM), του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου (ETM +) και των λειτουργικών εικόνων Land Imager (OLI) από το έτος 1987 έως το 2015. Οι στατιστικές πληροφορίες της απεικόνισης Landsat στο νησί Hainan παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.

Για την βελτίωση της ποιότητας των εικόνων Landsat TM / ETM + / OLI, υπολογίσθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI), ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) και το LSWI χρησιμοποιώντας εξισώσεις (1) - ( 3):
[[Εικόνα:Equations1-3..png| thumb | center |]]
Δεδομένα αναφοράς εδάφους.
Από προηγούμενες μελέτες στην περιοχή το 2010 χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία χαρτογράφησης των δασών και φυτειών καουτσούκ. Αυτά τα δεδομένα αυτά ενημερώθηκαν με γεωγραφικές φωτογραφίες τοπίου που τραβήχτηκαν τον Φεβρουάριο του 2015 και τον Οκτώβριο του 2016 για να καθορίσουν τα όρια των φυτειών καουτσούκ. Τα στοιχεία που αφορούν, δάση, ύδατα, καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οικιστικές περιοχές προέρχονταν από την μελέτη των χωροχρονικών μεταβολών στο ίδιο νησί μεταξύ 2007 και 2015. Τα δεδομένα αυτά (εικόνα 1a) χωρίστηκαν τυχαία σε σύνολα δεδομένων εκπαιδευσης (30%) και επικύρωσης (70%) χρησιμοποιώντας το εργαλείο σχεδιασμού NOAA / NOS / NCCOS / CCMA για το ArcGIS.
Στοιχεία για το έτος εγκατάστασης.
Τα στοιχεία για την ταυτοποίηση του έτους εγκατάστασης των φυτειών ελήφθησαν με τρεις τρόπους. Α) από χάρτες φυτειών του κρατικού αγροκτήματος Hainan, οι οποίες παρήχθησαν χρησιμοποιώντας εικόνες HR (SPOT-5 που αποκτήθηκαν γύρω στο 2005), τηλεοπτικές συνεντεύξεις και ερωτήματα για ιστορικά αρχεία χρήσης της γης από το Farm HainanState Farm. Β) δεδομένα δειγματοληψίας εδάφους από το Τμήμα Εφαρμογής Λιπασμάτων του Ινστιτούτου Ερευνών Ελαστικής, της Κινέζικης Γεωργίας της Επιστήμης της Τροπικής Ακαδημίας (RRI, CATAS). Γ) ερμηνεία για το έτος ίδρυσης εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ με τις εικόνες VHR του Google Earth και τις χρονολογικές σειρές Landsat. Από το στοιχεία αυτά επιλέχθηκαν τυχαία πολυετείς φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν το 1990, το 1995, το 2000, το 2005 και το 2010, δείγματα για εκπαίδευση αλγορίθμου και τα υπόλοιπα χρησιμοποιήθηκαν για επικύρωση.
Δεδομένα για τον χάρτη κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.
Έγινε δειγματοληψία για τη δημιουργία τυχαίων δειγμάτων ROI βασισμένων σε στρώματα μάσκας που δημιουργήθηκαν από τους χάρτες της κάλυψης γης πριν την μετατροπή τους σε φυτείες και του έτους εγκατάστασης για την εκτίμηση της ακρίβειας. Προσδιορίσθηκε η κάλυψη του εδάφους πριν από τη μετατροπή για αυτά τα δείγματα ROIs αντίστοιχα παρατηρώντας ετήσια ελάχιστη / μέση τιμή NDVI / EVI / LSWI από εικόνες Landsat και ελέγχθηκαν με μια εφαρμογή web (http://timesync.forestry.oregonstate.edu/). Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν σχετικά καθαρά περιοχές που είχαν μετατραπεί από αειθαλές δάσος, σε φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις, για την εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών (Εικόνα 1c).
*'''Ροή εργασίας και Αλγόριθμοι'''
Οι χάρτες από το 2015 και οι χρονολογικές σειρές δεδομένων Landsat έδειξαν στη συνέχεια το έτος εγκατάστασης ελαστικών φυτειών χρησιμοποιώντας τον LULCC- and biophysical-based algorithm. Τέλος, εντοπίσθηκαν οι τύποι κάλυψης εδάφους που προηγήθηκαν της μετατροπής, οι οποίοι χωρίστηκαν σε παλιές ελαστικές φυτείες, αειθαλή δάση, καλλιεργήσιμες εκτάσεις ή άγνωστες. Η ροή των εργασιών που παρουσιάζεται στο Σχήμα3.
[[Εικόνα:remotesensing-10-01240-g003-550.jpg | thumb | center | Σχήμα 3. Ροή εργασιών χαρτογράφησης του έτους εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ και τύπων κάλυψης εδάφους πριν από τη μετατροπή.]]

Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την χαρτογράφηση των φυτειών το έτος 2015 αφού προσδιορίσθηκαν τα δάση από την προηγούμενη μελέτη στο νησί Hainan κατά την περίοδο 2007-2015 χρησιμοποιώντας εικόνες PALSAR / PALSAR-2 και χρονοσειρές Landsat TM / ETM + / OLI. με συνολική ακρίβεια (ΟΑ) ~ 96%. Στη συνέχεια, οι φυτείες καουτσούκ εντοπίστηκαν από αυτόν τον χάρτη δασικής βάσης χρησιμοποιώντας τα κριτήρια πυκνού θόλου στην καλλιεργητική περίοδο (NDVImax> 0,85) και τα κριτήρια της ταχείας αποψίλωσης και φυλλώματος (LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_Std.Dev>0,08. Τα LSWIRDF_min και LSWIRDF_Std.Dev συνδέθηκαν με εικόνες Landsat ETM + / OLI που αποκτήθηκαν κατά την περίοδο 2014 και 2015.
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την αναγνώριση του έτους εγκατάστασης με χρήση α) των γυμνών εδαφών κατά την αρχική εγκατάσταση φυτών, τα οποία έχουν χαμηλά δείκτες βλάστησης (NDVI, EVI και LSWI) και (β) την αύξηση του κλεισίματος με θόλο σε με παραγωγική περίοδο (από φυτώρια δενδρυλλίων καουτσούκ μέχρι ωριμότητα), η οποία έχει μια γραμμική αύξηση των δεικτών βλάστησης. Το LSWI βρέθηκε ότι ήταν πιο ευαίσθητο στο γυμνό έδαφος και έτσι επιλέχθηκε για να προσδιορίσει το έτος εγκατάστασης των ελαστικών φυτειών (Εικόνα 4). Ειδικά, επιλέξαμε το LSWI Leafon_min για να παρακολουθήσουμε το γυμνό έδαφος και την κλίση του LSWI Leafon_avg κατά το έτος κατά τη διάρκεια της περιόδου μη παραγωγής
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 4. Εικόνα (α) φυτείας από καουτσούκ στις εικόνες του Google Earth VHR και (β) είναι το χρονικό προφίλ των μέσων και ελάχιστων NDVI, EVI και LSWI από ετήσιες συνθετικές εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν σε περίοδο ανάπτυξης φύλλων.
Οι οριακές τιμές για το Το και το TSlope καθορίστηκαν ως η απόλυτα αξιόπιστη τιμή των εκπαιδευτικών δειγμάτων. Το LSWILeafon_min ήταν πάντοτε μικρότερο από το μηδέν κατά το έτος κατά το οποίο καθιερώθηκε η φύτευση καουτσούκ και παρέμεινε σχετικά μικρό στα πρώτα χρόνια (Εικόνα 5). Μετά την εκτέλεση του αλγορίθμου δύο φορές, είχαμε ακόμα πολλές φυτείες καουτσούκ με ένα μη αναγνωρισμένο έτος εγκατάστασης επειδή δημιουργήθηκαν νωρίτερα από το 1987, όταν δεν υπήρχαν εικόνες Landsat TM. Ορίζουμε το έτος ίδρυσης αυτών των ελαστικών φυτειών ως το 1986 εάν είχαν υψηλή συχνότητα πρασίνου σε φύλλα σε εποχή για όλα τα έτη μεταξύ 1987 και 2015. Διαφορετικά, το έτος ίδρυσης χαρακτηρίστηκε ως άγνωστο. Αρχικά υπολογίσαμε την πράσινη κατάσταση σε ένα έτος χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]

[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 5. Ανάλυση χρονικού προφίλ των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min για πέντε φυτείες από καουτσούκ που ιδρύθηκαν το (α) 1990; (β) 1995; (γ) 2000; (δ) 2005; και (ε) 2010, αντίστοιχα. Η γραμμική τοποθέτηση του LSWILeafon_avg έναντι του έτους σε περίοδο μη παραγωγής σε κάθε φυτεία από καουτσούκ είναι με κόκκινο χρώμα. Οι γραμμές σφάλματος υποδεικνύουν την τυπική απόκλιση των LSWILeafon_avg και LSWILeafon_min. Οι φυτείες καουτσούκ του (d, e) μετατράπηκαν από καλλιεργήσιμες εκτάσεις, ενώ (a-c) μετατράπηκαν από αειθαλή δάση ή παλιές φυτείες από καουτσούκ.
Στη συνέχεια υπολογίσθηκε τη συχνότητα πρασίνου χρησιμοποιώντας την εξίσωση (5):
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
όπου FGreenness είναι η συχνότητα πρασίνου κλιμακούμενη μεταξύ 0 και 100, NGreenness είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων με LSWI> 0 και EVI> 0,2, NTotal είναι ο συνολικός αριθμός παρατηρήσεων και NBad είναι ο αριθμός των κακών παρατηρήσεων (π.χ. σύννεφα, σκιές).
Δημιουργήθηκε αλγόριθμος για την παρακολούθηση της κάλυψης των εδαφών πριν την εγκατάσταση των φυτειών καουτσούκ, αναλύοντας τους δείκτες βλάστησης στις χρονοσειρές των εικόνων. Έτσι εντοπίστηκαν οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις και οι δασικές εκτάσεις πριν την εγκατάσταση των φυτειών, παρατηρώντας το LSWIleafon_min των Nx χρόνων πριν από τη δημιουργία της φυτείας. Χρησιμοποιήθηκαν τα ετήσια NDVImax, LSWIRDF_min και LSWIRDF_std.dev από τα πέντε έτη πριν από την εγκατάσταση φυτεύσεων και ταξινόμησαν την δασική κάλυψη προ μετατροπής ως παλαιά φυτεία με καουτσούκ αν πληρούσε NDVImax> 0,85, LSWIRDF_min<0,1 και LSWIRDF_std.dev> 0,08. Όσες περιοχές δεν πληρούσα αυτή την προϋπόθεση, ταξινομήθηκαν ως αειθαλή δάση. Οι εικόνες Landsat TM για το νησί Hainan δεν είναι διαθέσιμες πριν από το 1987, επομένως οι τύποι κάλυψης πριν από τη μετατροπή χαρακτηρίστηκαν ως άγνωστοι για τις ελαστικές φυτείες που δημιουργήθηκαν πριν από το 1988.
Για την χωρική και τοπική ανάλυση του έτους εγκατάστασης της φυτείας δημιουργήθηκαν ετήσιοι χάρτες του έτους εγκατάστασης των φυτειών. Αναλύθηκε η ηλικιακή δομή των φυτειών από καουτσούκ σε ομάδες των πέντε (5) ετών. Επίσης. Κατανεμήθηκαν υψομετρικά σε ομάδες των 50 μέτρων και σχεδιάσαμε ένα ιστόγραμμα για να της κατανομής των φυτειών στο διαστήματα των πέντε ετών.
*'''Αποτελέσματα'''
Η χωρική κατανομή των φυτειών καουτσούκ το 2015 στο νησί Hainan παρουσιάζεται στο σχήμα 6a. Οι φυτείες καουτσούκ βρίσκονται κυρίως στις δυτικές, βόρειες και ανατολικο-κεντρικές περιοχές. Οι πυκνότερες φυτείες από καουτσούκ βρίσκονται στην πόλη Danzhou και στις γύρω περιοχές, η οποία αποτελεί τη μεγαλύτερη βάση παραγωγής φυσικού καουτσούκ στο νησί Hainan.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 6. Χωρική κατανομή (a) ελαστικών φυτειών το 2015 και (b) του έτους εγκατάστασής τους στο νησί Hainan.
Στο τέλος του 2015, οι φυτείες από καουτσούκ στο νησί Hainan με ηλικίες 4–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–25 και > 25 ετών αντιστοιχούσαν στο 9,83% (55.867ha), 17,29% (98.301 ha), 14,82% (84.261 ha), 5,61% (31.909 ha), 4,99% (28.389 ha) και 47,36% (269.174 ha) της συνολικής έκτασης, αντίστοιχα. Για το 0,09% (497 ha) των φυτειών από καουτσούκ δεν δεν εκτιμήθηκε το έτος εγκατάστασης. Οι φυτείες από καουτσούκ κατανεμήθηκαν κυρίως σε υψόμετρα μικρότερα των 400 m και οι περισσότερες ιδρύθηκαν πριν από το 1990 ή μετά το 2000 (Σχήμα 9α) και η τυπική απόκλιση της ανύψωσης ήταν περίπου 100 m (Σχήμα 9β). Η μέση κλίση των φυτειών από καουτσούκ ήταν περίπου 7° και η τυπική απόκλιση της κλίσης ήταν περίπου 5°. Τα τελευταία 30 χρόνια, δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές στην ανύψωση και την κλίση κατά τη διάρκεια της επέκτασης της φυτείας καουτσούκ (Σχήμα 9β).
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 9. Η ανύψωση, η κατανομή των πλαγιών και η κάλυψη γης πριν από τη μετατροπή των φυτειών από καουτσούκ στο νησί Hainan: β) την ανύψωση και την αλλαγή κλίσης του έτους εγκατάστασης της φυτείας καουτσούκ από το 1986 γ) καλύψεις γης πριν από τη μετατροπή ανά έτος από το 1988 και (δ) έκταση διαφορετικής κάλυψης γης πριν από τη μετατροπή για όλες τις φυτείες καουτσούκ το 2015.
Η περιοχή των φυτειών που μετατράπηκαν από παλιές ς φυτείες αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του '90 (> 2000 εκτάρια), ακολουθούμενη από αειθαλή δάση και καλλιεργήσιμη γη. Από το 2001, η έκταση των νεοσύστατων ελαστικών φυτειών αυξήθηκε σημαντικά. Κατά την περίοδο αυτή, η καλλιεργήσιμη γη ήταν ο δεύτερος μεγαλύτερος τύπος γης που εγκαταστάθηκαν φυτείες (περίπου 8000 ha). Μεγάλες εκτάσεις αειθαλών δασών μετατράπηκαν σε ελαστικές φυτείες μεταξύ 2002 και 2007, με ετήσια έκταση μετατροπής 6000 εκτάρια, η οποία μειώθηκε ραγδαία μετά το 2007 (Σχήμα 9γ). Οι πιο πυκνές φυτείες από καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε καλλιεργήσιμες εκτάσεις βρίσκονται στις βορειοδυτικές και βόρειες περιοχές, και πολλές διασκορπισμένες στο δυτικό τμήμα (Εικόνα 10). Οι νέες φυτείες καουτσούκ που δημιουργήθηκαν σε παλαιές φυτείες εντοπίστηκαν κυρίως στα βορειοδυτικά και τις βόρειες κεντρικές περιοχές. Οι φυτείες που δημιουργήθηκαν σε εκτάσεις που καλύπτονταν από αειθαλή δάση βρέθηκαν κυρίως στην κομητεία Chengmai, και στην εσωτερική ορεινή περιοχή. Ωστόσο, αυτά τα αειθαλή δάση ήταν σχετικά αραιά και δεν παρατηρήθηκε μεγάλη αλλαγή χρήσης εκτάσεων από αειθαλή δάση σε φυτείες.
[[Εικόνα:......………………….. | thumb | right | Περιγραφή της εικόνας, πηγή:την πηγή της εικόνας ]]
Σχήμα 10. Χωρική κατανομή εκτάσεων εγκατάστασης φυτειών καουτσούκ στο νησί Hainan.
*'''Συμπεράσματα'''
Σε αντίθεση με τα στατιστικά μοντέλα και την επιτόπια συλλογή στοιχείων που που είναι δύσκολο να εφαρμοστούν σε ευρεία κλίμακα η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι μια κατάλληλη τεχνική για ευρεία εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα, παρέχοντας αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την εκτίμηση του έτους εγκατάστασης ελαστικών φυτειών και τον εντοπισμό των τύπων κάλυψης πριν από τη μετατροπή με δεδομένα Landsat υψηλής συχνότητας. Έδωσαν αξιόπιστα αποτελέσματα για το έτος εγκατάστασης των φυτειών (OA> 97%) (R2 = 0,85 / 0,99 και RMSE = 2,34 / 0,54 έτη σε κλίμακα εικονοστοιχείων / φυτείας) (αειθαλή δάση, παλαιές ελαστικές φυτείες και καλλιεργήσιμες εκτάσεις) από το 1987 σε ετήσια χρονική ανάλυση (ΟΑ> 88%). Οι χάρτες των φυτειών από καουτσούκ, που δημιουργήθηκαν παρέχουν σημαντικά στοιχεία για την αειφόρο διαχείριση των εγκαταστάσεων και της οικολογικής αξιολόγησης. Επίσης η μεθοδολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί πολύ εύκολα και σε άλλες περιοχές σε μεγάλη κλίμακα.