Καταγράφοντας την ερημοποίηση στην Καλιφόρνια με την χρήση της τηλεπισκόπησης: Η περίπτωση των αμμοθινών.
Από RemoteSensing Wiki
Καταγράφοντας την ερημοποίηση στην Καλιφόρνια με την χρήση της τηλεπισκόπησης: Η περίπτωση των αμμοθινών.
Αντικείμενο Μελέτης: Τηλεπισκόπηση και απερήμωση
Πηγή Αναφοράς: Lam D.K., Remmel T.K., Drezner T.D. (2011) Tracking Desertification in California Using Remote Sensing: A Sand Dune Encroachment Approach. Remote Sensing. 3(1):1-13.
1. Εισαγωγή
Το φαινόμενο της απερήμωσης δημιουργεί φαινόμενα ελάττωσης του γλυκού νερού, εγκατάλειψης της γης, υποβάθμισης και σταδιακής μετατροπής της γης από παραγωγική σε αφιλόξενη για βλάστηση. Η επιρροή των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων και οι κλιματολογικές παραλλαγές είναι οι κύριες αιτίες της απερήμωσης αλλά εντούτοις είναι δύσκολο να καθοριστεί ποια από τις πηγές είναι η αρχική της έναρξης της υποβάθμισης.
Οι προσεγγίσεις εντοπισμού της απερήμωσηςμε με την μέθοδο της τηλεπισκόπησης είναι δύο και χωρίζονται: (1) στην εύρεση των φασματικών υπογραφών των φυτών στις ερήμους που μειώνονται με παράλληλη αύξηση του γυμνού εδάφους, και (2) στην καταγραφή της φασματικής υπογραφής των φυτών της ερήμου, που έχουν εξελιχθεί να προσαρμόζονται στις σκληρές αυτές συνθήκες, και διαφέρουν από αυτές των υδρόφιλων φυτών. Μια εναλλακτική λύση του εντοπισμού της απερήμωσης είναι η καταγραφή της δημιουργίας θινών σε περιοχές που δεν προϋφίστονταν. Τέτοιες προσεγγίσεις επιτρέπουν την απεικόνιση της κινητικότητας θινών άμμου και μπορούν να βοηθηθούν με την τεχνική της τηλεπισκόπησης. Η τηλεπισκόπηση είναι μια χρονικά και οικονομικά αποδοτική μέθοδος που αποτελεί πολύτιμο εργαλείο καταγραφής της περιβαλλοντικής αλλαγής και παρέχει μεγάλες δυνατότητες για την αξιολόγηση του φαινομένου της απερήμωσης.
Φυσικά η απώλεια βλάστησης δεν είναι η μόνη διαθέσιμη μέθοδος για να ποσολογήσει την ερήμωση. Η δυνατότητα να κάνει διακρίσεις μεταξύ χώματος και άμμου ώστε να αξιολογήσει τη μεταφορά της άμμου προσφέρει μια εναλλακτική μέθοδο για την έρευνα της απερήμωσης. Μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε από τους Valor και Caselles κατέδειξε ότι η θερμοκρασία διαδραματίζει ρόλο στην απερήμωση, και πρότεινε έναν προκαταρκτικό θερμικό δείκτη υποβάθμισης που χρησιμοποιεί τα στοιχεία από το θερμικό υπέρυθρο κανάλι. Εντούτοις, η προσέγγιση θερμοκρασίας από τους Valor και Caselles απαιτεί τη μέτρηση των κανονικών μεγίστων και ελάχιστων θερμοκρασίας επιφάνειας, κάτι που είναι δυστυχώς μη διαθέσιμο για την περίοδο της παρούσας μελέτης. Η παρούσα μελέτη αναπτύσσει μια εναλλακτική προσέγγιση για να αξιολογήσει την απερήμωση που δεν ενσωματώνει τα θερμικά στοιχεία, αλλά εστιάζει στην καταδίωξη των χαρακτηριστικών φωτεινότητας της άμμου και της επανενεργοποίησης των θινών. Οι ενεργοί αμμόλοφοι ορίζονται ως οι περιοχές με στοιχεία πρόσφατης ή τρέχουσας κινητικότητας άμμου και η καθιέρωση των κριτηρίων για τη χαρτογράφηση των ενεργών και ανενεργών περιοχών άμμου στις εικόνες τηλεπισκόπησης βελτιώνει την ανάλυση πρόβλεψης των περιοχών υψηλού κινδύνου. Όσον αφορά τη φασματική φωτεινότητα, οι αμμόλοφοι είναι χαρακτηριστικά μοναδικοί αφού οι ενεργοί αμμόλοφοι εκπέμπουν ένα εμφανώς μεγαλύτερο ποσό ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τους ανενεργούς, με τους ενεργούς αμμόλοφους να εμφανίζονται κατά συνέπεια φωτεινότεροι από τους ανενεργούς όπως φαίνεται στα στοιχεία του Landsat Thematic Μapper (TM).
2. Μέθοδος
2.1 Περιοχή μελέτης
Οι αμμοθίνες του «Κέλσου» χωροθετούνται στο Εθνικό πάρκο Mojave National Preserve (34°54.651′N, 115°43.856′W) στο Newberry-Baker τις Καλιφόρνιας. Οι καλοκαιρινές θερμοκρασίες τις περιοχής μπορεί να φτάσουν τις 40 βαθμούς Κελσίου ενώ το χειμώνα οι θερμοκρασίες πέφτουν κάτω του μηδενός με τις μέσες μέγιστες και ελάχιστες τιμές να κυμαίνονται από 22.4 έως 11.8 και την ετήσια κατακρήμνιση να είναι περίπου 349.6 χιλιοστά των οποίων το 31% πέφτει με τη μορφή χιονόπτωσης.
2.2 Δεδομένα και ανάλυση
Οι Landsat Thematic Μapper (TM) εικόνες και οι ράστερ τοπογραφικοί χάρτες προέρχονται από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ (USGS) και την Γεωγραφική Υπηρεσία της Καλιφόρνια (CGS). Κάθε εικόνα περικόπτεται για να συμπέσει με το αντίστοιχο μικροσκοπικό εικονοστοιχείο DEM (7,5) που λαμβάνεται από το NASA Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM). Οι εικόνες που έχουν συγκεντρωθεί αφορούν την περίοδο 24 ετών (22 Ιουλίου 1982, 13 Ιουλίου 1988, 18 Ιουλίου 1994, 10 Ιουλίου 2000, και στις 25 Ιουλίου 2006) εκ των οποίων τα δύο από αυτά αναφέρονται ως χρονιές El Niño (1983 και 1993). Ως El Niño-Southern Oscillation (ENSO) ορίζεται μια παρατεταμένη διαφορά στη θερμοκρασία της επιφάνειας του Ειρηνικού Ωκεανού, σε σύγκριση με τη μέση τιμή. Στη νότια Καλιφόρνια, κατά τη διάρκεια της χρονιάς El Niño ο χειμώνας είναι σημαντικά πιο βροχερός και τα καλοκαίρια είναι θερμότερα και ξηρότερα. Αεροφωτογραφίες (1:20,000) που παρέχονται από το Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ αύξησαν τα δεδομένα με σκοπό την απεικόνιση και την οπτική αξιολόγηση της ακρίβειας της ταξινόμησης. Οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις (ATCOR3) αναλύθηκαν με τις δορυφορικές εικόνες Landsat χρησιμοποιώντας περιβαλλοντικά στοιχεία από το σταθμό Mitchell Caverns. Γενικές αυξήσεις για τις ατμοσφαιρικές διορθώσεις ATCOR3 ελήφθησαν από τα δεδομένα DEM και χρησιμοποιήθηκαν για τη διόρθωση των περιφερειακών λαθών συνημιτόνου . Μετά την εκτέλεση των ατμοσφαιρικών διορθώσεων, μάσκες δημιουργήθηκαν για να περιορίσουν τους υπολογισμούς στην περιοχή Kelso Dunes. Τα αποτελέσματα από τους υπολογισμούς αυτούς θα χρησιμοποιηθούν για τη διάκριση μεταξύ ενεργών και ανενεργών αμμοθινών.
Χρησιμοποιώντας τις μεθόδους που περιγράφονται από τον Blount, βελτιώσεις στο κοντράστ εφαρμόσθηκαν για τα δεδομένα Landsat, συμπεριλαμβανομένων επιμηκύνσεις στην Gaussian στα κανάλια 5, 4, και 1. Οι ενεργοί και ανενεργοί αμμόλοφοι διακρίθηκαν από την φασματική τους φωτεινότητα, όπως ορίζεται από τον Blount. Οι τύποι των θινών έχουν ταξινομηθεί σύμφωνα με τα μορφολογικά κριτήρια που καθορίζονται από τον Breed and τον Grow ενώ αυτόνομες αμμοθίνες εντοπίστηκαν με τα κριτήρια του McKee. Ανεπίσημη αξιολόγηση της ακρίβειας έγινε με τη σύγκριση των ταξινομήσεων των αμμόλοφων στις αεροφωτογραφίες των αντίστοιχων περιόδων. Περαιτέρω, ανίχνευση των αλλαγών αξιολογήθηκε από ζεύγη συγκρίσεις των ταξινομημένων εικόνων. Για να καθοριστεί η έκταση της απερήμωσης, το περιβάλλον των αμμόλοφων απεικονίζεται πανοραμικά και σε 3D απεικόνιση μέσω του Terrain Analysis System (TAS) λογισμικού. Η μετακίνηση των αμμοθινών της περιοχής Κέλσο εκτιμήθηκε χρονικά με τη σύγκριση των πέντε εικόνων της περιοχής Kelso Dunes που αντιπροσωπεύουν το χρονικό διάστημα 24-ετών.
3. Αποτελέσματα
Υπάρχει μια σαφής διάκριση μεταξύ των φασματικών υπογραφών των ενεργών και ανενεργών αμμοθινών. Η Μονόδρομη Ανάλυση των δοκιμών διακύμανσης (ANOVA), εκτελέστηκε με στατιστικές μεθόδους για κάθε μπάντα (TM-band). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι μέσες τιμές φωτεινότητας διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των ενεργών και ανενεργών περιοχών αμμοθινών για κάθε ζώνη φάσματος (P <0,05). Το σχήμα 3 περιέχει μια σύνοψη του μέσου όρου της φωτεινότητας των ενεργών και ανενεργών pixels των θινών, κατά μέσο όρο σε διάρκεια 5 μεμονωμένων χρόνων, με δεδομένα που καλύπτουν 24-ετη της μελέτης. Οι ενεργές και ανενεργές θίνες είναι εύκολο να διαχωριστούν επειδή οι ανενεργοί αμμόλοφοι είναι φασματικός πιο σκούροι από τους ενεργούς αμμόλοφους, με τις μεγαλύτερες διαφορές να είναι στο κανάλι TM-3 (Σχήμα 2). Η νοτιοανατολική περιοχή του Κέλσο Dunes είναι αδρανής. Η περιοχή αυτή φαίνεται ότι αποτελεί την πιο σκοτεινή σε τόνο περιοχή στις Landsat TM εικόνες. Επιπλέον, οι ενεργές θίνες είναι πιο εύκολο να εντοπιστούν από τις ανενεργές αμμοθίνες, σε Landsat εικόνες, κυρίως στο κανάλι TM-4. Έτσι, η διαφορά στην φασματική ανάκλαση μπορεί να εξηγηθεί από την παρουσία της βλάστησης, όπως φαίνεται στα κανάλια του Landsat TM. Οπτικά, οι ενεργοί αμμόλοφοι έχουν μια καλά ταξινομημένη μορφολογία και καλύπτονται από αραιή βλάστηση. Ωστόσο στις ανενεργές θίνες είναι πιο δύσκολο να γίνει διάκριση, δεδομένου ότι παρουσιάζουν ένα ευρύτερο φάσμα χαρακτηριστικών που δεν είναι τόσο εύκολο να προσδιοριστεί και περισσότεροι παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπόψη. Γενικά, οι ανενεργές θίνες τείνουν να έχουν περισσότερη βλάστηση, και έχουν μέτρια προς χαμηλή ταξινομημένη άμμο. Οι μεταβάσεις μεταξύ των ενεργών και ανενεργών θινών είναι ιδιαίτερα περίπλοκο και δύσκολο να εντοπιστούν, αλλά μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά την περιφερειακή ταξινόμηση της εικόνας. Τα όρια είναι επίσης δύσκολο να διακριθούν λόγω της πιθανότητας για σημαντική φασματική ανάμιξη. Ζεύγη συγκρίσεων των εικόνων στην διάρκεια 24-ετών δείχνουν ότι ο ρυθμός προόδου της άμμου στο Kelso Dunes σημείωσε ποσοστό διείσδυσης περίπου 5,9 m3/m/yr, με την πρόοδο προς την επιτάχυνση το δεύτερο ήμισυ.
4. Συμπεράσματα
Οι Landsat TM φασματικές DN τιμές για τις ενεργές θίνες είναι υψηλότερες (φωτεινότερη περιοχή) από τις TM φασματικές τιμές DN για ανενεργές αμμοθίνες. Με τη σύγκριση των τιμών DN των ζωνών TM, οι φασματικές διαφορές είναι εμφανείς. Οι DN τιμές που χρησιμοποιούνται για τη διαφοροποίηση μεταξύ ενεργών και ανενεργών θινών, υποδηλώνουν το βαθμό της δραστηριότητας άμμου στο Kelso Dunes. Η ικανότητα να εντοπιστούν οι ενεργές και ανενεργές αμμόλοφοι στην περιοχή Kelso έχει επιπτώσεις και σε άλλες ερήμους ενώ η ανάλυση σε μεγαλύτερη χρονική κλίμακα δίνει τη δυνατότητα για τον εντοπισμό της μετακίνησης της άμμου. Η μελέτη αυτή εμπεριέχει ποσοτική αντίληψη για την δυναμική των αμμολόφων και για την αξιολόγηση της απερήμωσης. Επίσης, εφαρμόζει την προσέγγιση του ποσοστού διείσδυσης και προσφέρει μια εναλλακτική λύση για την παρακολούθηση της βλάστησης που είναι ευαίσθητη στην άμμο. Η ικανότητά να αξιολογείται μέσω της τηλεπισκόπησης η κυκλοφορία των θινών χρησιμοποιώντας εικόνες που συλλέγονται σε διαδοχικά έτη μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία χαρτών αλλαγής υψομέτρου θινών, χαρακτηριστικών της άμμου, και χαρτών αλλαγής της κάλυψης γης, υπό την προϋπόθεση ότι η ανάλυση της εικόνας είναι επαρκής. Τέλος, σε ξηρές περιοχές, όπου η απερήμωση είναι το πιο κρίσιμο φαινόμενο, η παρακολούθηση της ενεργοποίησης και της μετακίνησης της άμμου αποκτά μεγάλη σημασία.
