Εκτίμηση των αλλαγών κάλυψης βλάστησης στους υγροτόπους Έβεργκλεϊντς της Φλόριντα με τη χρήση δορυφορικών ψηφιακών απεικονίσεων
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος πρωτοτύπου: Applying time series Landsat data for vegetation change analysis in the Florida Everglades Water Conservation Area 2A during 1996–2016
Πηγή:ScienceDirect[1]
Συγγραφείς: Caiyun Zhanga, Molly Smitha, Jie Lvb, Chaoyang Fang
Λέξεις κλειδιά: αντικειμενοστραφή ανάλυση, Χαρτογράφηση βλάστησης και ανάλυση αλλαγών, υγρότοποι Έβεργκλεϊντς.
Περίληψη
Οι υγρότοποι Έβεργκλεϊντς είναι οι μεγαλύτεροι υποτροπικοί υγρότοποι στις ΗΠΑ, που φιλοξενούν πολλά απειλούμενα και υπό εξαφάνιση είδη. Τον περασμένο αιώνα, οι ανθρώπινες δραστηριότητες τροποποίησαν σημαντικά το οικοσύστημα, προκαλώντας αρκετά περιβαλλοντικά ζητήματα στη Νότια Φλόριντα. Το 2000, το Κονγκρέσο των ΗΠΑ ενέκρινε την εφαρμογή προγράμματος αποκατάστασης των υγροτόπων με κόστος μεγαλύτερο από 10,5 δισεκατομμύρια δολάρια και χρόνο ολοκλήρωσης τα 35 έτη. Το πρόγραμμα αποκατάστασης απαιτεί την χαρτογράφηση της βλάστησης ώστε να διαπιστωθούν οι μεταβολές που έχουν συμβεί και να αποφασιστούν οι ενέργειες αποκατάστασης.
Οι προσπάθειες για την διαπίστωση των αλλαγών βλάστησης με ψηφιακά δεδομένα από δορυφόρους, είχαν στηριχτεί μέχρι σήμερα σε αλγόριθμους ταξινόμησης που λειτουργούν µε στοιχειώδη μονάδα το εικονοστοιχείο (pixel.) Oι ταξινοµήσεις κατά εικονοστοιχείο δεν ευνοούν την δημιουργία οντοτήτων µε φυσικό νόηµα, που είναι απαιτούμενο κατά την ανάλυση τηλεπισκοπικών απεικονίσεων. Ένα άλλο σημαντικό τους μειονέκτημα είναι η έντονη ύπαρξη του φαινομένου θορύβου «αλατοπίπερου» (“salt- and-pepper” effect) στην χαρτογράφηση φυσικών τοπίων με ετερογένεια.
Στην παρούσα μελέτη γίνεται προσπάθεια να διαπιστωθούν οι μεταβολές στη βλάστηση των υγροτόπων με την αντικειμενοστραφή ανάλυση (object-based image analysis). Σε αυτή την προσέγγιση η στοιχειώδης μονάδα είναι ομαδοποιημένα εικονοστοιχεία που συνιστούν αντικείμενα, τα οποία έχουν προκύψει από µια διαδικασία τμηματοποίησης των στοιχείων των εικόνων. Οι πληροφορίες που είναι απαραίτητες για την φωτοερμηνεία της εικόνας δεν αναπαρίστανται από μεμονωμένα εικονοστοιχεία, αλλά από αντικείμενα και τις αλληλοσυσχετίσεις τους. Η αντικειμενοστραφής ανάλυση αποδείχθηκε αποτελεσματική για την χαρτογράφηση της βλάστησης των υγροτόπων Έβεργκλεϊντς.
Στόχος της παρούσας μελέτης είναι:
1) Να σχεδιαστεί ένα νέο πλαίσιο για τη χαρτογράφηση των φυτοκοινοτήτων και την διαπίστωση των μεταβολών κάλυψης με τη χρήση τεχνικών επεξεργασίας τηλεσκοπικών δεδομένων και εικόνων του δορυφόρου Landsat.
2) Να αναπτυχθεί μια νέα προσέγγιση επιλογής περιοχών εκπαίδευσης για την διαπίστωση – ανίχνευση αλλαγών.
Η περιοχή μελέτης είναι η περιοχή WCA-2A συνολικής έκτασης 173 τετραγωνικών μιλίων που βρίσκεται νότια της λίμνης Okeechobee εντός του υγροτόπου Έβεργκλεϊντς συνολικής έκτασης 210 τετραγωνικών μιλίων (Εικόνα 1).
Από αεροφωτογραφίες (1991 και 1995) αλλά και ψηφιακές τηλεπισκοπικές απεικονίσεις (1973 – 1991) διαπιστώθηκε ότι ένα χωροκατακτητικό είδος φυτού με την ονομασία Typha domingensis (cattail) (Εικόνα 2) έχει επικρατήσει και εξαπλωθεί και απειλεί την ισορροπία του οικοσυστήματος του υγροτόπου.
Μεθοδολογία
1) Αρχικά έγινε η συλλογή των ψηφιακών δεδομένων. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν εικόνες του δορυφόρου Landsat και συγκεκριμένα τριών δεκτών/αισθητήρων, του Θεματικού Χαρτογράφου Landsat 5 (TM), του Landsat 7 (ETM+) και του αισθητήρα Landsat 8 OLI. Χρησιμοποιήθηκαν έξι περιοχές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που περιλαμβάνουν το ορατό, το κοντινό υπέρυθρο και το μέσο υπέρυθρο με χωρική ανάλυση τα 30 μέτρα.
Παρήχθη χάρτης με βάση την ανάλυση αεροφωτογραφίας της περιοχής του έτους 2003 ώστε να διαπιστωθούν οι φυτοκοινότητες που επικρατούν. Διαπιστώθηκε ύστερα από στερεοσκοπική ανάλυση σε κλίμακα 1:24.000, ότι οι επικρατούσες φυτοκοινότητες είναι: 65% είδη υδρόβιας βλάστησης (Cladium mariscoides ή sawgrass), 14% cattail και 3% θάμνοι. Άλλες κοινότητες φυτών καθώς και γη χωρίς βλάστηση καλύπτουν συνολικά έκταση 1% ή και λιγότερο στην υπό μελέτη περιοχή (έλος). Ο χάρτης αυτός χρησιμοποιήθηκε για την επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης στην ταξινόμηση.
2) Έγινε ατμοσφαιρική και γεωμετρική διόρθωση των εικόνων που αποκτήθηκαν σε διαφορετική ημερομηνία/ έτος και από διαφορετικούς δέκτες / αισθητήρες ώστε να αποκτήσουν την ίδια ραδιομετρική κλίμακα με την βασική εικόνα που επιλέχθηκε (13 Φεβρουαρίου 2013 του Landsat 7 (ETM+)). Οι διαφορές μεταξύ των εικόνων οφείλονται στην γωνία του ήλιου, στην απόσταση γης – ήλιου, στις ατμοσφαιρικές συνθήκες και στα διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων. Έτσι, μετά τη διόρθωση όλα τα εικονοστοιχεία των εικόνων αναπαριστούν την περιοχή μελέτης σαν να λήφθηκαν κάτω από τις ίδιες συνθήκες.
3) Προκειμένου να γίνει ο προσδιορισμός των «αντικειμένων» έγινε κατάτμηση κάθε μιας εικόνας. Για την κατάτμηση σε πολλαπλά επίπεδα χωρικής ανάλυσης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα eCognition Developer 9.0. Η επιλογή των καταλληλότερων επιπέδων κατάτμησης έγινε εμπειρικά με επαναλαμβανόμενες δοκιμές. Ρυθμίστηκε το επιθυμητό μέγεθος (scale) των παραγόμενων αντικειμένων, τα φασματικά χαρακτηριστικά των εικονοστοιχείων που απαρτίζουν το αντικείμενο χρώμα (colour 0.9) και το τελικό σχήμα του αντικειμένου (shape 1.0). Ρυθμίστηκε η παράμετρος ομαλά όρια και κανονικό σχήμα αντικειμένων (smoothness 0.5) καθώς και η συμπαγότητα των σχημάτων (compatness 0.5).
4) Επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης. Οι περιοχές εκπαίδευσης για την εικόνα 2003 ήταν εύκολο να επιλεγούν μιας και υπάρχει διαθέσιμος χάρτης βλάστησης. Για την επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης στις υπόλοιπες εικόνες πραγματοποιήθηκε η ακόλουθη διαδικασία: Για την ψηφιακή εικόνα του έτους 2003 αλλά και του έτους 1996 υπολογίστηκε ο δείκτης βλάστησης NDVI καθώς και η διαφορά που παρουσιάζουν οι δείκτες μεταξύ των δύο εικόνων. Στη συνέχεια για κάθε αντικείμενο της εικόνας του 1996 υπολογίστηκε το ποσοστό διαφοροποίησης του δείκτη. Τα αντικείμενα μετατράπηκαν σε διανυσματικά πολύγωνα. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε ένας χάρτης «αλλαγών / μη αλλαγών» για το χρονικό διάστημα 1996 – 2003. Με συνδυασμό του επιπέδου του χάρτη αλλαγών βλάστησης 1996 - 2003 και της κατατμημένης εικόνας 1996 επιλέγονται οι περιοχές εκπαίδευσης στις οποίες δεν υπάρχει αλλαγή στην βλάστηση, που χρησιμεύουν ως σημεία αναφοράς. Εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία αυτή και στις κατατμημένες εικόνες 2007, 2011 και 2016, γίνεται η επιλογή περιοχών εκπαίδευσης για όλες τις ημερομηνίες.
5) Ταξινόμηση εικόνων και έλεγχος ακρίβειας. Η ταξινόμηση αποσκοπεί στην κατηγοριοποίηση των αντικειμένων στις προεπιλεγμένες κατηγορίες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Support Vector Machine (SVM). Για την αξιολόγηση της ακρίβειας της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε η μήτρα σφαλμάτων και ο συντελεστής Κ. Για τη διαπίστωση των αλλαγών βλάστησης έγινε ποσοτικοποίηση με την μετατροπή του χάρτη ταξινόμησης 1996 σε χάρτη raster ταξινομημένο με βάση αποκλειστικά στις φασματικές υπογραφές των εικονοστοιχείων των απεικονίσεων. Υπολογίστηκε πόσα εικονοστοιχεία cattail στην απεικόνιση 1996 αντιστοιχούν στο cattail αντικείμενο του 2016. Ο λόγος τους μας δίνει το ποσοστό εξάπλωσης της συγκεκριμένης φυτοκοινότητας. Αντίθετα, η μείωση της εξάπλωσης προκύπτει αν υπολογίσουμε το ποσοστό των cattail εικονοστοιχείων μέσα στο cattail αντικείμενο της απεικόνισης 1996.
Συμπεράσματα:
Οι ψηφιακές απεικονίσεις του δορυφόρου Landsat μπορούν να χρησιμοποιηθούν με την τεχνική της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης και να μας δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τις αλλαγές στην κάλυψη βλάστησης. Τέσσερις είναι οι κυρίαρχες φυτοκοινότητες στους υγροτόπους Έβεργκλεϊντς της Φλόριντας των ΗΠΑ: sawgrass, έλη, θάμνοι και cattail.
Οι κοινότητες cattail εξαπλώθηκαν ενώ το 2007, τα μέτρα περιορισμού τους φάνηκε ότι ήταν αποτελεσματικά.
