Χωροχρονική αξιολόγηση των δεικτών βλάστησης και κάλυψης γης για την πόλη Erbil και τα περίχωρά της με την χρήση ανιχνευτών MODIS

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση, δείκτες βλάστησης και αστικός χώρος

Πρωτότυπος Τίτλος: « Spatiotemporal assessment of vegetation indices and land cover for Erbil city and its surrounding using MODIS imageries »

Συγγραφείς: Shwan O. Hussein, Ferenc Kovács, Zalán Tobak

Δημοσιεύθηκε: Journal of Environmental Geography 10 (1–2), 31–39.

Πηγή: [16]

Λέξεις Κλειδιά: MODIS, τηλεπισκόπηση, δείκτης βλάστησης, NDVI, EVI, κάλυψη εδάφους, χρονολογικές σειρές.

Περίληψη

Στόχος της εργασίας αυτής είναι να εκτιμηθούν οι χωροχρονικές μεταβολές (2000-2015) του δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI) και του ενισχυμένου δείκτη βλάστησης (EVI), για τον προσδιορισμό του αντικτύπου της αστικοποίησης. Η δυναμική μείωσης ή αύξησης των δεικτών αυτών αξιολογήθηκε μέσω της αλλαγής κάλυψης γης, αλλά και των κλιματολογικών φαινομένων που συνέβησαν εντός και γύρω από την πόλη Erbil την δεκαπενταετία αυτή. Οι τεχνικές δορυφορικής απεικόνισης MODIS και GIS χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των επιπτώσεων της αστικοποίησης στη βλάστηση.

Εισαγωγή

Ο ρυθμός αστικοποίησης αυξάνεται σε όλο τον κόσμο, με τον αστικό πληθυσμό στο Ιράκ να βρίσκεται ήδη στο 69,5% (παγκόσμια 65%) το 2015 (Word Bank (2015)). Η αύξηση του δομημένου χώρου ως συνέπεια της αστικοποίησης, προκαλεί μεταβολές στη βλάστηση. Για το λόγο αυτό, χρειάζεται μια σωστή στρατηγική αειφόρου ανάπτυξης και κλιματικής αλλαγής (Imhoff κ.ά., 2010). Με τη βοήθεια της τηλεπισκόπησης (αισθητήρας MODIS) παρακολουθείται η δυναμική του οικοσυστήματος μέσω των δεικτών βλάστησης NDVI (ευαίσθητος σε χλωροφύλλη) και EVI (ευαίσθητος σε δομικές διακυμάνσεις). Ο MODIS NDVI είναι πιο αποτελεσματικός στον ποσοτικό προσδιορισμό της βλάστησης (Li κ.ά. (2010)), λόγω της ευαισθησίας του σε σχέση με τον EVI. Επίσης, παρέχει μεγαλύτερο εύρος τιμών στις ημίξηρές περιοχές, από ότι στις υγρές και δασωμένες περιοχές. Τέλος, κυριότερος παράγοντας ανάπτυξης της βλάστησης είναι το κλίμα (βροχοπτώσεις, θερμοκρασία) και η σχέση μεταξύ τους παρουσιάζεται μέσω της φαινολογίας της βλάστησης (δείκτης LSP), (Schwarts, 2013). Οι δείκτες βλάστησης κα κλίματος, θα συσχετιστούν για να προκύψουν τα συμπεράσματα για τη μεταβολή της βλάστησης.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης είναι η πόλη του Erbil (πρωτεύουσα της Ιρακινής Περιφέρειας Κουρδιστάν) και τα περίχωρά της (εικ. 1). Χαρακτηρίζεται από εύφορες πεδιάδες, ημιορεινά και ορεινά εδάφη (Πρόγραμμα Ανάπτυξης των Ηνωμένων Εθνών, 2016). Η περιοχή του Erbil καλύπτεται από αρόσιμες περιοχές (41%) και μη καλλιεργήσιμες εκτάσεις (59%) (SOITM, 2013), ενώ το υπόλοιπο ποσοστό είναι καλλιεργήσιμες εκτάσεις, από τις οποίες οι περισσότερες δεν αρδεύονται. Συναντάται μεσογειακό κλίμα, με υγρούς χειμώνες και ξερά καλοκαίρια, 35% ετήσια υγρασία και 300-400mm μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης (Hameed, 2013). Ο πληθυσμός το 2011 έφτανε τους 884.299 κατοίκους και αυξάνεται ταχέως.

Εικόνα 1. Επισκόπηση της περιοχής μελέτης Erbil. Πηγή: [1]

Δεδομένα και μεθοδολογία

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την διεξαγωγή της παρούσας μελέτης είναι: 1)Δείκτες βλάστησης MODIS, παρέχουν συνεπείς χωρικές και χρονικές συγκρίσεις των συνθηκών βλάστησης και κάλυψης γης (Mertes κ.ά., 2015). Οι δείκτες υπολογίζονται ως εξής: NDVI = (NIR - Red)/(NIR + Red) και EVI = 2.5 (NIR - Red)/(NIR + (6 * RED) - (7.5 * BLUE) + 1). 2)Μοντέλο κάλυψης γης MODIS, χρησιμοποιείται για την εκτίμηση μεταβολής NDVI και EVI και χωρίζεται σε θαμνώδη γη, λιβάδια, καλλιέργειες, αστικός χώρος, αραιή βλάστηση. 3)Δεδομένα θερμοκρασίας, υγρασίας και βροχόπτωσης για Μάρτη και Δεκέμβρη την περίοδο 2000-2015 (Υπουργείο Γεωργίας και Υδατικών Πόρων (2016)). Το έτος 2005 χαρακτηρίζεται από μέτριες κλιματολογικές συνθήκες και οι δείκτες βλάστησης παρουσιάζονται παρακάτω (εικ. 2). Τέλος η μεθοδολογία παρουσιάζεται στην εικόνα 3 και τα εικονοστοιχεία της μελέτης στον πίνακα 1, από τα οποία το Δεκέμβριο τα περισσότερα είναι κακής ποιότητας.

Εικόνα 2. Μέσες NDVI, EVI χρονοσειρές των μηνών 2005, που δείχνουν τις ελάχιστες και μέγιστες τιμές στην περιοχή μελέτης. Πηγή: [2]

Εικόνα 3. Περίληψη μεθοδολογίας του έργου. Πηγή: [3]

Πίνακας 1. Περίληψη των επιπέδων καλής αντιπροσώπευσης εικονοστοιχείων για κάθε έτος. Πηγή: [4]

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα της έρευνας παρουσιάζονται στα διαγράμματα διασποράς χρονικών σειρών με μέσες τιμές NDVI και EVI και συνοπτικά στατιστικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένης της τυπικής απόκλισης, ελάχιστης και μέγιστης τιμής. Ειδικότερα για MODIS NDVI και EVI, το Μάρτη παρουσιάζονται υψηλές μέσες τιμές βλάστησης σε σχέση με το Δεκέμβρη (εικ. 4, 5) με αυξανόμενη τάση όλη την περίοδο των 15 ετών. Το 2010 λόγω πολλών βροχοπτώσεων οι μέσες τιμές των δεικτών και για τους δύο μήνες ήταν υψηλότερες. Επίσης, οι τιμές των παραπάνω δεικτών για το μήνα Μάρτιο χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό μεταβλητότητας της κάλυψης γης (εικ. 7, 8), λόγω της μεγαλύτερης μεταβλητότητας τους (μεγάλες τιμές στις καλλιέργειες και χαμηλές σε αστικό περιβάλλον). Οι μεταβολές καλύψεων γης φαίνονται με λεπτομέρεια στον πίνακα 2 και στην εικόνα 9, με σημαντικότερη τη μείωση του γυμνού εδάφους (90%) και αύξηση των λιβαδιών (67%). Οι μεταβολές θερμοκρασίας και υγρασίας ακολουθούν ίδια διαχρονική τάση (εικ. 10, 11). Τέλος, οι συγκρίσεις μεταξύ κλίματος και δεικτών βλάστησης δεν ήταν σημαντικές (εικ. 12, 13).

Εικόνα 4. Χρονοσειρές NDVI από το 2000 έως το 2015 σε ολόκληρη την περιοχή, συγκρίνοντας τις μέσες, ελάχιστες, μέγιστες και τυπικές τιμές απόκλισης για τον Μάρτιο και τον Δεκέμβριο στην περιοχή μελέτης. Πηγή: [5]

Εικόνα 5. Χρονοσειρές EVI από το 2000 έως το 2015 σε ολόκληρη την περιοχή, συγκρίνοντας τις μέσες, ελάχιστες, μέγιστες και τυπικές τιμές απόκλισης για τον Μάρτιο και τον Δεκέμβριο στην περιοχή μελέτης. Πηγή: [6]

Εικόνα 7. Μέσες τιμές NDVI από τον Μάρτιο 2000-2015, συγκρίνοντας 5 τύπους κάλυψης γης. Πηγή: [7]

Εικόνα 8. Μέσες τιμές EVI από τον Μάρτιο 2000-2015, συγκρίνοντας 5 τύπους κάλυψης γης. Πηγή: [8]

Πίνακας 2. Έκταση γης και ποσοστιαίες διαφορές 2000-2015. Πηγή: [9]

Εικόνα 9. Σύγκριση της κάλυψης γης MODIS μεταξύ 2000 και 2015. Πηγή: [10]

Εικόνα 10. Σύνολο ετήσιων βροχοπτώσεων και μέσων θερμοκρασιακών σειρών από το 2000 έως το 2015. Πηγή: [11]

Εικόνα 11. Χρονολογικές σειρές μέσης υγρασίας από το 2000 έως το 2015. Πηγή: [12]

Εικόνα 12. Ανάλυση συσχέτισης χρονοσειρών (2000 - 2015) μεταξύ των δεικτών βροχόπτωσης, υγρασίας, θερμοκρασίας και βλάστησης (NDVI και EVI) λιβαδιών για τον Μάρτιο. Πηγή: [13]

Εικόνα 13. Ανάλυση συσχέτισης χρονοσειρών (2000 - 2015) μεταξύ δεικτών βροχόπτωσης, υγρασίας, θερμοκρασίας και βλάστησης (NDVI και EVI) εντός των καλλιεργειών για τον Μάρτιο. Πηγή: [14]

Συζήτηση

Με βάση τα δεδομένα NDVI και EVI MODIS (εικ. 6) η απεικόνιση της χωρικής κατανομής αστικών περιοχών και γυμνού εδάφους, αλλά και οι καλλιέργειες στο Erbil έχουν επεκταθεί τα τελευταία 15 χρόνια. Η αστικοποίηση μπορεί να μεταβάλει σημαντικά την αφθονία και την κατανομή της βλάστησης (Gregg κ.ά., 2003), ωστόσο η χαρτογράφηση σε ένα αστικό τοπίο δεν είναι εύκολη υπόθεση, καθώς είναι κατά κανόνα ετερογενές (Mertes κ.ά., 2015). Στο αστικό τοπίο, τα παρατηρούμενα μοτίβα βλάστησης ή οι αστικές περιοχές πρασίνου (ΑΠΠ) αποτελούν άμεση συνέπεια των δραστηριοτήτων ανασυγκρότησης, συμπεριλαμβανομένης της μεταβολής του αστικού τοπίου, ωστόσο αυτό δεν συμβαίνει.

Εικόνα 6. Χάρτες NDVI και EVI για τους μήνες Μάρτιο 2002 και 2015. Πηγή: [15]

Συμπέρασμα

Είναι προφανές ότι η χωρική κατανομή των γυμνών περιοχών γύρω από το Erbil έχει επεκταθεί και η βλάστηση έχει αντικατασταθεί από αστική ανάπτυξη, υπάρχει βέβαια και ένα τμήμα γυμνού εδάφους που έχει αντικατασταθεί από λιβάδια. Οι γενικοί δείκτες βλάστησης παρουσίασαν σταδιακά αυξανόμενη τάση από το 2000 έως το 2015, αλλά η έκταση της βλάστησης μειώθηκε με βάση τις πληροφορίες σχετικά με την κάλυψη της γης.