Ανίχνευση πρώιμων σταδίων αποδάσωσης στους Τροπικούς με L-band SAR
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Manabu Watanabe , Senior Member, IEEE, Christian N. Koyama , Member, IEEE, Masato Hayashi, Izumi Nagatani , and Masanobu Shimada, Fellow, IEEE
[Πηγή : https://ieeexplore.ieee.org/document/8327829
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8327829]
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Στην μελέτη αυτή εξετάστηκαν πολωσιμετρικά χαρακτηριστικά με L- band ραντάρ συνθετικής διάτρησης (SAR) σε περιοχές αποδάσωσης σε πρώιμο στάδιο, για την ανάπτυξη ενός συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης για τα δάση. Για να εξετασθούν οι διαφορές στο χρόνο ανίχνευσης της αποψίλωσης των δασών στις πιο ενεργά αποδασωμένες περιοχές, στο Περού και τη Βραζιλία, χρησιμοποιήθηκαν χρονολογικές σειρές και δεδομένα PALSAR-2 / ScanSAR και δεδομένα Landsat.Η παρακολούθηση που εκτελείται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο με δεδομένα Landsat που λαμβάνονται κάθε 7 ημέρες και η χωρική τους ανάλυση είναι 30 μέτρα, επιτυγχάνοντας έτσι την ανίχνευση των δασών από 0,09 εκτάρια. Ωστόσο, η κάλυψη σύννεφων συχνά διαταράσσει την ανίχνευση της πρόωρης αποδάσωσης, ειδικά κατά την περίοδο των βροχών. Οι παρατηρήσεις με το ραντάρ συνθετικής διάτρησης (SAR) είναι διαθέσιμες σε όλες τις καιρικές συνθήκες, ημέρα και νύχτα, και μπορεί να δημιουργήσει ένα αποτελεσματικό σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για την αποδάσωση. Ως αποτέλεσμα, η JICA και η JAXA ξεκίνησαν ένα νέο σύστημα, το σύστημα JICA-JAXΑ Έγκαιρης Δασικής Προειδοποίησης στους Τροπικούς τον Νοέμβριο του 2016.
ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ
A. Δεδομένα PALSAR-2 / ScanSAR και Πολύγωνο αποψίλωσης Από Δεδομένα Landsat
Ως στόχοι τέθηκαν δύο περιοχές γύρω από την Pucallpa στο Περού και το Rio Branco στη Βραζιλία, μερικά από τα πιο ενεργά σημεία αποδάσωσης σε κάθε χώρα. Μεταξύ Ιούνη και Οκτώβρη του 2016 λήφθηκαν τέσσερα σύνολα δεδομένων PALSAR-2 / ScanSAR (δορυφορικοί κύκλοι παρατήρησης 51, 53, 56 και 59) και χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση του Περού : και μεταξύ Μάιο και Οκτώβρη 2016 λήφθηκαν τέσσερα σύνολα δεδομένων PALSAR-2 / ScanSAR (κύκλοι 48, 51, 53 και 59) για την ανάλυση της Βραζιλίας. Τα δεδομένα SAR υποβλήθηκαν σε επεξεργασία από την SIGMA-SAR για την απόκτηση ορθοδιορθωμένων και με βάση την κλίση διορθωμένων εικόνων γ0. Το γ0 είναι ο συντελεστής οπισθοσκέδασης ανά περιοχή, κανονική σε γωνία πρόσπτωσης, και λαμβάνεται από την ακόλουθη φόρμουλα: γ0 = σ0 / cosθ , όπου σ0 είναι ο συντελεστής οπισθοσκέδασης ανά περιοχή γης και το θ είναι γωνία πρόσπτωσης. Oι εικόνες PALSAR-2 / ScanSAR που λαμβάνονται στο Περού και τη Βραζιλία που παρουσιάζονται στο Σχήμα 1. Τα πολύγωνα αποδάσωσης σχεδιάστηκαν στο χάρτη με μοβ χρώμα.
Β. Δεδομένα PALSAR-2 / πολωσιμετρίας
Σε αυτή την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν δύο σύνολα δεδομένων PALSAR-2 / πολωσιμετρίας από τον Περουβιανό Αμαζόνιο. Οι περιοχές περιλαμβάνονται στις παρατηρήσεις ScanSAR (βλέπε σχήμα 1). Το πρώτο σύνολο δεδομένων ελήφθη στην αρχή της ξηρής περιόδου (Μάιος 2016), ενώ το δεύτερο σύνολο δεδομένων λήφθηκε στο τέλος της ξηρής περιόδου (Νοέμβριος και Δεκέμβριος 2016). Κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου του 2016, σημειώθηκαν σημαντικές ενέργειες αποδάσωσης στην περιοχή. Αυτά τα σύνολα δεδομένων χρησιμοποιήθηκαν για τη σύγκριση των πολωσιμετρικών χαρακτηριστικών πριν και μετά την αποδάσωση.
Στα δεδομένα PALSAR-2 περιλαμβάνονται οι παράμετροι όχι μόνο σ0, αλλά και δύο αντιπροσωπευτικές πολωσιμετρικές παράμετροι, η αποσύνθεση ιδιοτιμών και η αποσύνθεση των τεσσάρων συστατικών. Και οι δύο παράμετροι λήφθηκαν χρησιμοποιώντας PolSARPro. Οι παράμετροι αποσύνθεσης ιδιοτιμής αποτελούνται από την εντροπία, την α, και την ανισοτροπία. Η εντροπία αντιπροσωπεύει την τυχαιότητα ενός διασκορπιστή, το α αντιπροσωπεύει το μηχανισμό σκέδασης (0 ° για την επιφάνεια διάσπασης, 45 ° για διασπορά διπόλου ή απλή σκέδαση από a σύννεφο ανισότροπων σωματιδίων και 90 ° για διπλής αναπήδηση σκέδαση) και η ανισοτροπία αντιπροσωπεύει τη σχετική σημασία της δεύτερης και τρίτης ιδιοτιμής. Η αποσύνθεση τεσσάρων συστατικών αποτελείται από την επιφάνεια, τον όγκο, την διπλή αναπήδηση και τα συστατικά της έλικας σκέδασης στην επιφάνεια της Γης.
ΕΠΙ ΤΟΠΟΥ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ
Τα πειράματα πεδίου έγιναν από τις 30 Νοεμβρίου έως τις 3 Δεκεμβρίου 2016 στο Περού. Αυτό είναι το τέλος της ξηρής εποχής που είναι παρόμοια με την δεύτερη περίοδο των πολωσιμετρικών παρατηρήσεων. Από τις 30 Νοεμβρίου έως τις 2 Δεκεμβρίου 2016 διεξήχθησαν πειράματα εδάφους στο νότιο τμήμα της πειραματικής περιοχής. Δεδομένου ότι η πρόσβαση ήταν περιορισμένη στο βόρειο τμήμα της περιοχής, ένα αεροπλάνο ναυλώθηκε στις 3 Δεκεμβρίου 2016 για τον εντοπισμό περιοχών πρώιμης αποψίλωσης δάσους. Αναγνωρίστηκαν δύο περιοχές αποδάσωσης, όπου τα κομμένα δένδρα απομακρύνθηκαν και οι επιφάνειες ήταν πεπλατυσμένες, [βλ. Σχήμα 3]. Αυτές οι τοποθεσίες ήταν δάσος τον Μάιο του 2016, όταν ολοκληρώθηκαν οι πρώτες πλήρως πολωσιμετρικές παρατηρήσεις.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ
A. Χρόνος ανίχνευσης
Χρονικές σειρές Sentinel-2 [ανάλυση 10 m, ψευδές χρώμα (urban)] και τα δεδομένα PALSAR-2 για μια τοποθεσία αποδάσωσης παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Η εικόνα του Sentinel-2 δείχνει πως οι αλλαγές χρώματος της περιοχής από πυκνό πράσινο (15 Ιουλίου) σε ανοιχτό πράσινο (4 Αυγούστου), υποδεικνύουν ότι τα δέντρα είχαν κοπεί κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.
Η εικόνα PALSAR-2 / HH γίνεται φωτεινή σε αυτό το χρονικό πλαίσιο, υποδεικνύοντας μία αύξηση της γ0HH . Η εικόνα HV ,ωστόσο δεν παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές. Η εικόνα HV γίνεται σκοτεινή, υποδεικνύοντας μία μείωση της τάξης του γ0HV στις 10 Σεπτεμβρίου. Η εναέρια φωτογραφία στις 3 Δεκεμβρίου επιβεβαιώνει πως πολλά κατακείμενα δένδρα έχουν απομακρυνθεί. Η χρονική μεταβολή των μέσων όρων γ0 για τις περιοχές αποψίλωσης στο Περού και τη Βραζιλία παρουσιάζεται στο Σχήμα 5. Η αποδάσωση εντοπίστηκε από τον Landsat μεταξύ των κύκλων 51-53 για το Περού και των 48-51 για τη Βραζιλία. Πολλοί κομμένοι κορμοί δέντρων αναμενόταν να παραμείνουν στο έδαφος εκείνη την εποχή. Οι τιμές του γ0ΗΗ αυξήθηκαν έως 0,8 dB κατά μέσο όρο, τόσο στις περιπτώσεις του Περού όσο και της Βραζιλίας.
Αυτά τα δεδομένα υποστηρίζουν τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από τους Almeida-Filho et αϊ. χρησιμοποιώντας JERS-1 HH δεδομένα πόλωσης από τον Αμαζόνιο της Βραζιλίας. Κατά μέσο όρο, οι τιμές των γ0HV δεν αλλάζουν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Στο επόμενο παράθυρο παρατήρησης, η Δγ0HH μειώθηκε κατά 0,4 και 0,5 dB, και η Δγ0HV μειώθηκε κατά 1,1 και 0,5 dB για το Περού και τη Βραζιλία, αντίστοιχα. Στο επόμενο παράθυρο παρατήρησης, Δγ0HH αυξήθηκε πάλι κατά 0,5 και 0,8 dB, ενώ η Δγ0HV συνέχισε να πέφτει, μειώνοντας κατά 0,5 και 1,0 dB για το Περού και τη Βραζιλία, αντίστοιχα. Η γ0HV μειώθηκε κατά 1,6 και 1,5 dB συνολικά 4-5 μήνες μετά την αποδάσωση. Είναι πιθανό ότι τα κλαδιά που είχαν παραμείνει το έδαφος, καθώς και η τραχιά επιφάνεια, μπορεί να έχουν σχέση με την αύξηση της γ0ΗΗ , παρά οποιαδήποτε απομάκρυνση των κατακείμενων δέντρων για το επόμενο στάδιο της αποψίλωσης. Η συνεχής μείωση της γ0HV μπορεί να εξηγηθεί από τη χαμηλότερη ευαισθησία της πολικότητας-HV στα υπόλοιπα κλαδιά και την τραχιά επιφάνεια, και στην υψηλότερή της ευαισθησία στη δασική βιομάζα. Σε περίπτωση που μόνο τα διπλά πολωσιμετρικά τα δεδομένα (πόλωση HH και HV) είναι διαθέσιμα , η γ0ΗΗ είναι μία καλή παράμετρος για την ανίχνευση σημείων αποψίλωσης σε πρώιμο στάδιο, αλλά δεν είναι κατάλληλη παράμετρος για την ανίχνευση της αποψίλωσης σε μεταγενέστερο στάδιο. Αντιστρόφως, η παράμετρος γ0HV είναι μια χρήσιμη παράμετρος για την ανίχνευση μεταγενέστερων τοποθεσιών αποψίλωσης, αλλά όχι για την ανίχνευση της πρώιμης φάσης αποψίλωση των δασών.
Β. Πολωσιμετρικά χαρακτηριστικά των περιοχών αποδάσωσης
Η σ0HH αυξήθηκε κατά 1,1-2,5 dB για περιοχές πρώιμης αποψίλωσης, η οποία είναι συνεπής με τα δεδομένα ScanSAR. Από την άλλη πλευρά, η σ0HV μειώθηκε κατά 0,7-1,0 dB για το πρώιμο στάδιο αποψίλωσης και 5.2-5.3 dB για την επίπεδη επιφάνεια αποδάσωσης. Αυτό το εύρημα υποστηρίζει επίσης τα αποτελέσματα του ScanSAR, τα οποία δείχνουν συνεχή μείωση της γ0HV μετά την αποδάσωση. Οι χώροι αποψίλωσης σε πρώιμο στάδιο παρουσιάζουν μεγαλύτερη αύξηση του σ0επιφάνεια , από 2,9-4,0 dB. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την αύξηση της άμεσης (απλή αναπήδηση) σκέδασης από τα πεσμένα δέντρα. Η 5.2-5.3 dB και 5.3- 5,5 dB μείωση της σ0HV και σ0όγκου για τις περιοχές της αποψίλωσης των δασών με επίπεδες επιφάνειες μπορεί να εξηγηθεί με μικρότερο όγκο και λιγότερο άμεση σκέδαση από την επιφάνεια.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Οι χρονοσειρές των δεδομένων PALSAR-2 / ScanSAR που ελήφθησαν περίπου κάθε 1,5 μήνες και τα δεδομένα Landsat περίπου κάθε 16 ημέρες, χρησιμοποιήθηκαν για να εξετάσουν τις διαφορές στο χρονοδιάγραμμα ανίχνευσης της αποψίλωσης με διαφορετικές παραμέτρους. Για τη χρονική περίοδο κατά την οποία εντοπίστηκε η αποδάσωση από την Landsat (αποψίλωση πρώιμων σταδίων, όπου πολλά δένδρα έχουν κοπεί και έμειναν στο έδαφος), η τιμή του γ0HH αυξήθηκε, ενώ η τιμή του γ0HV δεν άλλαξε. Τα πολωσιμετρικά δεδομένα δείχνουν ότι αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ισχυρή άμεση σκέδαση(μονή αναπήδηση) από τα κομμένα δέντρα που έμειναν στο έδαφος, και από την ασθενέστερη σκέδαση του όγκου από την κόμη του δάσους. Η γ0HV αρχίζει να μειώνεται 1 - 1,5 μήνες μετά την αποδάσωση όπως φαίνεται από την εικόνα του Landsat. Τα πλήρως πολωσιμετρικά δεδομένα δείχνουν πως αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τη χαμηλότερη ευαισθησία της πόλωσης-HV σε κλαδιά που απομένουν στο έδαφος και στην τραχύτητα της επιφάνειας και από την μεγαλύτερη ευαισθησία της στη δασική βιομάζα. Η εντροπία και οι παράμετροι α υποστηρίζουν επίσης αυτό το σενάριο. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η τιμή γ0ΗΗ μπορεί να είναι μια καλή παράμετρος για ανίχνευση περιοχών πρώιμης φάσης αποδάσωσης. Αντιστρόφως, η παράμετρος γ0HV μπορεί να είναι χρήσιμη για την ανίχνευση τοποθεσιών αποψίλωσης σε μεταγενέστερα στάδια.
