Χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων για τη χαρτογράφηση φυσικών οικοτόπων και της κατάστασης διατήρησής του – Νέες δυνατότητες και προκλήσεις
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς:
Corbane C., Pipkins K., Lang S., Alleaume S. (2015)
Εισαγωγή
Η βιολογική ποικιλότητα στηρίζει ποικιλία οικολογικών λειτουργιών και οικοσυστημικών υπηρεσιών. Σε αναγνώριση αυτής της σπουδαιότητας, η Ευρωπαϊκή Ένωση εισήγαγε την Οδηγία για τους Οικοτόπους (92/43/ΕΟΚ), προκειμένου να ανακόψει την απώλεια της βιοποικιλότητας και των χερσαίων και θαλάσσιων ενδιαιτημάτων. Από το 1992, μέσω της Οδηγίας για τους Οικοτόπους αναπτύχθηκε το δίκτυο προστατευόμενων περιοχών Natura 2000 (ΕΚ, 1992). Στόχος του δικτύου είναι να εξασφαλίσει τη μακροπρόθεσμη επιβίωση των πολυτιμότερων και απειλούμενων ειδών στην Ευρώπη καθώς και τους φυσικούς και ημι-φυσικούς τύπους οικοτόπων.
Προκειμένου να γίνει έλεγχος της εφαρμογής της Οδηγίας, το άρθρο 17 της Οδηγίας για τους Οικοτόπους υποχρεώνει στα κράτη μέλη της ΕΕ κάθε έξι χρόνια να υποβάλλουν αναφορές σχετικά με την κατάσταση διατήρησης των οικοτόπων κοινοτικού ενδιαφέροντος. Επιπλέον, η στρατηγική της ΕΕ για τη βιοποικιλότητα για το 2020 καλεί τα κράτη μέλη να χαρτογραφήσουν και να αξιολογήσουν ψηφιακά τη βιοποικιλότητα και τις οικοσυστημικές υπηρεσίες. Λόγω του πεδίου εφαρμογής τους, τα μέτρα αυτά θα επωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από την ανάπτυξη αποτελεσματικών από πλευράς κόστους και χρόνου στρατηγικών παρακολούθησης.
Η τηλεπισκόπηση έχει γίνει ένα βασικό εργαλείο για την αξιολόγηση της εφαρμογής περιβαλλοντικών πολιτικών. Σήμερα είναι διαθέσιμη μια ευρεία ποικιλία και ποσότητα δεδομένων από διαφορετικούς αισθητήρες, από πολλαπλής ανάλυσης οπτικές (πολύ-φασματικές και υπερφασματικές) απεικονίσεις, μέχρι ραντάρ και προϊόντα LiDAR, οι οποίες παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τη χαρτογράφηση των φυσικών οικοτόπων και της κατάστασή τους.
Δυνατότητες της τηλεπισκόπησης για χαρτογράφηση φυσικών οικοτόπων
Υπάρχουν δύο γενικές προσεγγίσεις για τη χρήση της τηλεπισκόπησης στην παρακολούθησης της βιοποικιλότητας: i) άμεση χαρτογράφηση μεμονωμένων οργανισμών, συναθροίσεων ειδών ή βιοκοινοτήτων από αερομεταφερόμενους ή δορυφορικούς αισθητήρες και ii) έμμεση ανίχνευση δεδομένων που σχετίζονται με τη βιοποικιλότητα χρησιμοποιώντας περιβαλλοντικές παραμέτρους. Πολλά είδη παρουσιάζουν περιορισμένο εύρος κατανομής σε συγκεκριμένους τύπους οικοτόπων, όπως οι δασικές εκτάσεις, οι χορτολιβαδικές εκτάσεις ή τα θαλάσσια λιβάδια, οι οποίοι μπορούν να ταυτοποιηθούν άμεσα με δεδομένα τηλεπισκόπησης.
Χαρτογράφηση οικοτόπων με χρήση της τηλεπισκόπησης
Τα τελευταία χρόνια, έχει παρατηρηθεί πρόοδος της τεχνολογίας της τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση και αξιολόγηση των οικοτόπων στην Ευρώπη. Δύο παράγοντες που παίζουν σημαντικό ρόλο στην επιλογή των εκάστοτε μεθόδων τηλεπισκόπησης και των δεδομένων που θα αναλυθούν είναι 1. η κλίμακα παρατήρησης, όπου π.χ. για την χαρτογράφηση την κάλυψης γης παγκοσμίως χρησιμοποιούνται συνήθως εικόνες MODIS με ανάλυση εικόνας 500m, ενώ σε εθνικού και τοπικού επιπέδου ταξινομήσεις χρησιμοποιούνται μεσαίας ανάλυσης αισθητήρες, όπως ο Landsat και ο SPOT και 2. η πολυπλοκότητα της δομής του τοπίου, η οποία εξαρτάται από το ποσοστό ετερογένειας που χαρακτηρίζει την εκάστοτε περιοχή.
Διάκριση δασικών οικοτόπων
Η ταξινόμηση των δασικών οικοτόπων είναι δυνατή με διάφορες αναλύσεις εικόνας και τύπους δεδομένων, ανάλογα με το επίπεδο λεπτομέρειας που απαιτείται. Με δεδομένα χαμηλής χωρικής ανάλυσης είναι δυνατή μόνο η αδρή ταξινόμηση των κυριότερων τύπων δασικής κάλυψης (φυλλοβόλων, κωνοφόρων, μικτών), ενώ η διαφοροποίηση μεταξύ των διαφορετικών δασικών τύπων, των οποίων η φασματική υπογραφή βρίσκεται σε στενά όρια και είναι δύσκολο να διαχωριστεί, είναι δυνατή μόνο μέσω της συμπερίληψης βοηθητικών δεδομένων όπως ο τύπος εδάφους ή τη χρήση διαδοχικών χρονικά εικόνων.
Περισσότερο λεπτομερείς αναλύσεις έχουν πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας αισθητήρες υψηλής χωρικής ανάλυσης, οπότε και εισάγεται και η έννοια της υφής εικόνας, η οποία έχει αποδειχθεί ότι ποικίλει σημαντικά μεταξύ των ειδών δένδρων και των ηλικιακών τάξεων.
Η χρήση της υπερφασματικής απεικόνισης επιτρέπει ακόμα μεγαλύτερη λεπτομέρεια, επιτρέποντας τη διάκριση των τύπων δέντρων με βάση την ανακλαστικότητα ως απάντηση στις διαφορές στη σύσταση χρωστικών, θρεπτικών στοιχείων και στις δομικές διαφορές μεταξύ των ειδών, ωστόσο, η μέθοδος αυτή παρουσιάζει ορισμένα προβλήματα, τα οποία μπορούν να ξεπεραστούν με τη χρήση αντικειμενοστραφούς ανάλυσης (OBIA). Αυτό γίνεται συνήθως μέσω του συνδυασμού φασματικής συμπεριφοράς και υφής, είτε από τις διαθέσιμες λεπτομέρειες μέσω εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης, είτε μέσω της συμπερίληψης δεδομένων από ενεργούς αισθητήρες όπως το LiDAR.
Ανεξάρτητα από την κατηγορία των αισθητήρων, η ανίχνευση δασικών οικοτόπων περιορίζεται συνήθως στο επίπεδο του είδους δένδρων και της σχετιζόμενης σύνθεσης του ενδιαιτήματος. Εντούτοις, αυτό μπορεί να είναι προβληματικό για τις κατηγορίες ενδιαιτημάτων που διαφέρουν από τη σύσταση του υποορόφου. Οι περιορισμοί αυτοί θα μπορούσαν να μειωθούν με τη χρήση πρόσθετων γεωγραφικών δεδομένων, όπως στοιχεία εδάφους.
Διάκριση λιβαδιών
Εν αντιθέσει προς τα δάση, τα λιβαδικά είδη ανιχνεύονται κυρίως ως σύνολα. Έτσι, οι προσεγγίσεις άμεσης τηλεπισκόπησης περιορίζονται γενικά στην ανίχνευση σχετικά ομογενών τύπων λιβαδιών. Αντίθετα, οι έμμεσες προσεγγίσεις είναι περισσότερο επιτυχείς, όπως εκείνες που χρησιμοποιούν περιβαλλοντικές διαβαθμίσεις.
Η υψηλής χωρικής ανάλυσης απεικόνιση, χρησιμοποιώντας την αντικειμενοστραφή προσέγγιση με δευτερεύοντα δεδομένα όπως η κλίση και ο τύπος εδάφους, έχει αποδειχθεί επιτυχής για τη διάκριση κυρίαρχων λιβαδικών ειδών. Για σχετικά ομοιογενή λιβάδια, η χρήση φασματικών βιβλιοθηκών (αντί των περιοχών εκπαίδευσης) με δεδομένα υψηλής ανάλυσης έχει αποδειχθεί ότι διαχωρίζει με ακρίβεια τους τύπους λιβαδιών.
Τα κυρίαρχα είδη λιβαδιών έχουν επίσης διακριθεί με τη χρήση υπερφασματικών εικόνων. Εντούτοις, τέτοιες εικόνες δίνουν καλύτερα αποτελέσματα σε ότι αφορά στοιχεία βλάστησης και είναι αποδεδειγμένα πιο χρήσιμες στην ταυτοποίηση των οικοτόπων παρά στην ταξινόμηση ειδών.
Διάκριση χερσότοπων
Γενικά, οι χερσότοποι χαρακτηρίζονται από ένα μίγμα ειδών θάμνων, λιβαδικών ειδών και ανοιγμάτων. Δεδομένου ότι και τα τρία συστατικά μπορούν να διακριθούν φασματικά, η ανίχνευση και την παρακολούθηση των εν λόγω ενδιαιτημάτων μπορεί να γίνει άμεσα. Ωστόσο, εάν οι διαφοροποιήσεις παρατηρούνται μεταξύ των υποτύπων, όπως οι υγροί και οι ξηροί χερσότοποι, έχει δειχθεί ότι οι τάξεις αυτές έχουν κακή φασματική διακριτικότητα μεταξύ τους σε εικόνες μέτριας ανάλυσης. Καλύτερα αποτελέσματα έχουν ληφθεί με τη χρήση μοντέλων, όπου συμπεριλήφθηκαν δεδομένα όπως η αύξηση και η κατακρήμνιση, καθώς και η αντικειμενοστραφής ανάλυση με βάση δεδομένα κτηματολογίου, ενσωματώνοντας στην ταξινόμηση τα ανθρωπογενή όρια. Γενικά, η αντικειμενοστραφής ανάλυση έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης στη ταυτοποίηση των κυρίαρχων τύπων χερσότοπων. Σε συνδυασμό με άλλα είδη-δείκτες, η αντικειμενοστραφής ανάλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαφοροποίηση μεταξύ χερσότοπων.
Διάκριση υγροτόπων
Η χαρακτηριστική βλάστηση των υγροτόπων διακρίνεται από υψηλή χωρική και φασματική μεταβλητότητα και επηρεάζεται από την υγρασία του εδάφους, την ατμοσφαιρική υγρασία και τις αντίστοιχες υδρολογικές ιδιότητες του τύπου υγροτόπου. Αυτό καθιστά τις παραδοσιακές προσεγγίσεις χαρτογράφησης βλάστησης που βασίζονται στο μέσο και εγγύς υπέρυθρο φάσμα δύσκολες, λόγω της σχετικά υψηλότερης απορρόφησης του νερού σε αυτά τα μήκη κύματος. Παρ 'όλα αυτά, εικόνες μεσαίας ανάλυσης όπως οι Landsat έχουν χρησιμοποιηθεί για την ταξινόμηση υγροτόπων. Επιπρόσθετα, η χρήση βοηθητικών δεδομένων όπως ο τύπος εδάφους, σε συνδυασμό με πολυφασματικές εικόνες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαφοροποιήσει φασματικά παρόμοιες κατηγορίες. Όσον αφορά τη χαρτογράφηση των κυρίαρχων ειδών, η απεικόνιση υψηλής χωρικής ανάλυσης ήταν επιτυχής, συμπεριλαμβανομένων των βυθισμένων τύπων βλάστησης. Επομένως, θεωρείται ότι είναι πιο κατάλληλο από την υπερφασματική απεικόνιση. Παρόλα αυτά, για πιο λεπτομερή διαφοροποίηση μεταξύ τύπων οικοτόπων υγροτόπων, η υπερφασματική απεικόνιση έχει αποδειχθεί πιο χρήσιμη σε επαρκώς υψηλή χωρική ανάλυση. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι δύσκολο να γίνει διάκριση βυθισμένων τύπων βλάστησης, εξαιτίας παραγόντων όπως η θολερότητα του νερού, το βάθος και η ανακλαστικότητα του βυθού.
Αξιολόγηση της κατάστασης διατήρησης των οικοτόπων
Ακόμα πιο δύσκολη από την ορθή ανίχνευση των ειδών, τύπων οικοτόπων και βιοκοινοτήτων, αλλά παράλληλα πολύ χρήσιμη για τους διατηρητές της φύσης, είναι η ανίχνευση πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση διατήρησης των οικοτόπων. Δεδομένου ότι οι πληροφορίες αυτές δεν συνδέονται πάντοτε άμεσα με μια συγκεκριμένη κατηγορία ενδιαιτημάτων, απαιτούνται αποτελεσματικοί και σημαντικοί δείκτες. Στις περισσότερες χώρες, η κατάσταση διατήρησης εκτιμάται από τη δομή των οικοτόπων (π.χ. οριζόντια και κατακόρυφη μεταβολή, ηλικιακή δομή), την παρουσία τυπικών ειδών (κυρίως χλωρίδας) στο φυσικό περιβάλλον, τους αβιοτικούς παράγοντες (π.χ. πλημμύρες) και τις πιέσεις ή διαταραχές της (δείκτες ευτροφισμού, εισβλητικά είδη). Στοιχεία όπως το ποσοστό χαρακτηριστικών ειδών δέντρων, μπορούν να παρατηρηθούν με εργαλεία τηλεπισκόπησης, όπως και άλλες παράμετροι που σχετίζονται με τους δασικούς οικοτόπους. Η εκτίμηση ορισμένων παραμέτρων της κατάστασης διατήρησης είναι πιθανή και για άλλους τύπους οικοτόπων (χερσότοποι, θαμνώδεις περιοχές, λιβάδια). Ωστόσο, η ανίχνευσης πολλών δεικτών ακόμη δεν είναι δυνατή, διότι οι περισσότεροι από αυτούς βασίζονται στην ανίχνευση ειδών ή ομάδων ειδών.
Προκλήσεις και ευκαιρίες στη χρήση της τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση και παρακολούθηση των οικοτόπων στην Ευρώπη
Η χρήση της τηλεπισκόπησης για την ακριβή, λεπτομερή και ολοκληρωμένη αξιολόγηση της κατάστασης διατήρησης και την παρακολούθηση των φυσικών οικοτόπων, όπως απαιτείται στο ευρωπαϊκό πλαίσιο Natura 2000, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σπάνια στην πράξη. Τα κυριότερα εμπόδια για την υιοθέτηση τυποποιημένων μεθοδολογιών επιστημονικής παρακολούθησης είναι: (i) η μεγάλη μεταβλητότητα στην ποιότητα των μεταβλητών εισόδου στο πλαίσιο της σημασιολογικής, θεματικής και γεωμετρικής ακρίβειάς τους, (ii) η πιθανή μεταβλητότητα των φασματικών, χωρικών και χρονικών αναλύσεων των δεδομένων εισόδου που χρησιμοποιούνται στις διάφορες μελέτες, (iii) η μη διαθεσιμότητα δεδομένων τηλεπισκόπησης και επικουρικών δεδομένων, με τυποποιημένες μορφές μεταδεδομένων και πρωτόκολλα προεπεξεργασίας, τα οποία αποτελούν προϋπόθεση για τη δυνατότητα μεταφοράς των μεθόδων μεταξύ των τόπων, (iv) η μη διαθεσιμότητα δεδομένων βάσης για εφαρμογές τηλεπισκόπησης, (v) η μη εξοικείωση και έλλειψη τεχνικής τεχνογνωσίας έως σήμερα των ειδικών στη διατήρηση στις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στην χαρτογράφηση των οικοτόπων (υπερφασματική απεικόνιση, LiDAR και Ραντάρ), (vi) το υψηλό κόστος των προϊόντων απεικόνισης και των γεωγραφικών δεδομένων, το οποίο όμως λόγω του ανταγωνισμού της αγοράς και της διαθεσιμότητας δωρεάν γεωχωρικών δεδομένων (Open Street Map, Quantum GIS, GRASS, R κ.λπ.) έχει αρχίσει να υποχωρεί, (vii) η έλλειψη άμεσης σχέσης ανάμεσα σε ενδιαιτήματα και καλύψεις γης, όπου η μετατροπή της κάλυψης γης σε οικοτόπους απαιτεί ειδικές γνώσεις και (viii) η απουσία μελετών όσον αφορά το τυπικό εύρος επιφάνειας που αντιστοιχεί στα διαφορετικά κομμάτια ενός οικοτόπου. Ο χαρακτηρισμός φυσικών οικοτόπων σε στοιχειώδη κλίμακα είναι απαραίτητος για την χωρική τους αναγνώριση με τεχνικές τηλεπισκόπησης (αλλά και στο πεδίο). Μερικά προβλήματα στην χαρτογράφηση οικοτόπων, τα οποία παρατίθενται στο Παράρτημα Ι της Οδηγίας για τους Οικοτόπους είναι: (i) τα μωσαϊκά ετερογενών ενδιαιτημάτων (ii) η κλίμακα απεικόνισης των οικοτόπων στο παράρτημα Ι, η οποία δυσκολεύει την οριοθέτησή τους και iii) οι ελλιπείς πολλές φορές πληροφορίες των καλύψεων γης κατά CORINE.
