Από τοπικά φασματικά είδη σε παγκόσμιες φασματικές κοινότητες. Μία εκτίμηση της βιοποικιλότητας με τη χρήση τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1.Διαγραμματική απεικόνιση των βημάτων του αλγόριθμου.Πηγή:[1]

Εικόνα 2. Ομάδα 12 εικόνων από τον αισθητήρα MODIS, η οποία επεξεργάστηκε με βάση τον αλγόριθμο φασματικών ειδών ώστε να παραχθούν οι χάρτες α και β ποικιλότητας. Πηγή:[2]

Πρωτότυπος τίτλος: From local spectral species to global spectral communities: A benchmark for ecosystem diversity estimate by remote sensing Συγγραφείς: Duccio Rocchini , Nicole Salvatori, Carl Beierkuhnlein, Alessandro Chiarucci, Florian de Boissieu f, Michael Forster, Carol X. Garzon-Lopez, Thomas W. Gillespie, Heidi C. Hauffe, Kate S, Birgit Kleinschmit, Jonathan Lenoir, Marco Malavasi b, Vítĕzslav Moudrý , Harini Nagendra, Davnah Payne, Petra ˇSímov, Michele Torresani, Martin Wegmann , Jean-Baptiste Feret

Πηγή: [3]

Λέξεις Κλειδιά: φασματικά είδη, spectral species,βιοποικιλότητα, ομαδοποίηση δεδομένων

Περίληψη

Οι ραγδαίες αλλαγές στην παγκόσμια βιοποικιλότητα έχουν καταστήσει την παρακολούθηση αλλά και συνεχή εκτίμηση της εξαιρετικά αναγκαία. Η ανάπτυξη τεχνολογιών πέρα από τις παραδοσιακές έρευνες πεδίου, έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο. Η προσέγγιση της παρούσας έρευνας επικεντρώνεται στην υπόθεση της φασματικής ποικιλότητας και συγκεκριμένα στην έννοια των φασματικών ειδών την οποία επιχειρεί να διευρύνει. Η χρήση υψηλής ανάλυσης τηλεπισκοπικών δεδομένων σε τοπική κλίμακα έχει τη δυνατότητα να γίνει αρωγός στην αναγνώριση ξεχωριστών φασματικών οντοτήτων, τα φασματικά είδη. Στο παρόν επιχειρείται να προεκταθεί αυτή η έννοια σε πιο ευρέα φασματικά όρια και σε μεγαλύτερο επίπεδο βιολογικών οργανισμών με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων από εικόνες MODIS.

Εισαγωγή

Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμες στην ανίχνευση της βιοποικιλότητας. Γενικότερα η βλάστηση απορροφά την μπλε και την κόκκινη ακτινοβολία ενώ ανακλά την εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία. Η γνώση αυτή έχει οδηγήσει στον ευρέως χρησιμοποιούμενο NDVI δείκτη κανονικοποιημένης διαφοράς για τη βλάστηση. Ο δείκτης αυτός κυμαίνεται μεταξύ -1 και 1 με τις αρνητικές τιμές να αντιστοιχούν σε περιοχές με ύδατα ή χιόνι και τις μηδενικές τιμές να αντιστοιχούν σε περιοχές δίχως βλάστηση. Ο δείκτης επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτικοποίηση της βιοποικιλότητας. Η έννοια των φασματικών ειδών αποτελεί μία από τις πιο ισχυρές μεθόδους εκτίμησης βιοποικιλότητας. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται επιτρέπει το διαχωρισμό του φασματικού χώρου σε υπο-μονάδες οι οποίες αναγνωρίζονται ως φασματικά είδη. Δύο είναι οι θεμέλιες αρχές αυτής της μεθόδου. Aρχικά η υπόθεση της φασματικής ποικιλότητας σύμφωνα με την οποία όσο μεγαλύτερη είναι η περιβαλλοντική ετερογένεια τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η ποικιλομορφία των ειδών. H δεύτερη αρχή βασίζεται στους οπτικούς τύπους της βλάστησης και σχετίζεται με τη χρήση αισθητήρων που παράγουν υψηλής ανάλυσης εικόνες ικανές να μετρήσουν τα διαφορετικά σήματα από τη φαινολογία και τη δομή της βλάστησης. Η μέθοδος που εφαρμόζεται στο παρόν βασίζεται σε έναν μη επιβλεπόμενο αλγόριθμο ομαδοποίησης. Αρχικά πραγματοποιείται μία μέθοδος PCA (Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών)και στη συνέχεια γίνεται μία ομαδοποίηση k-means. Μέχρι στιγμής η έννοια των φασματικών ειδών έχει εφαρμοστεί μόνο σε τοπική κλίμακα, επομένως ο σκοπός της εργασίας είναι η επέκταση της μεθόδου αυτής σε μεγαλύτερα χωρικά πλαίσια προς μία φασματική κοινωνία μέσω τη δημιουργίας ενός χάρτη ετερογένειας σε μεγάλη γεωγραφική κλίμακα για την εκτίμησης της άλφα(α)- και βήτα(β)- ποικιλότητας στην Ευρώπη. Ως α-ποικιλότητα ορίζεται ο αριθμός των ταξινομικών βαθμίδων σε ένα ορισμένο περιβάλλον ενώ ως β-ποικιλότητα ορίζεται η ποικιλία των ταξινομικών βαθμίδων που απαντώνται εντός του ίδιου περιβάλλοντος.

Περιγραφή Αλγορίθμου

Ο αλγόριθμος των φασματικών ειδών αναπτύχθηκε αρχικά για την χαρτογράφηση της δασικής κάλυψης με τη χρήση απεικονίσεων φασματοκοποίας χωρικής ακρίβειας 2 μέτρων. Ακολουθώντας την υπόθεση ότι τα είδη διακρίνονται φασματικά ο αλγόριθμος προσαρμόστηκε με την προσέγγιση κατάτμησης του φασματικού χώρου όπως ορίζουν τα τηλεπισκοπικά δεδομένα. Το αποτέλεσμα του αλγορίθμου επομένως οδηγεί σε ένα χάρτη κατανομής των φασματικών κοινοτήτων. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στις μετρήσεις της α- και β- ποικιλότητας. Στον αλγόριθμο η α-ποικιλότητα υπολογίζεται εντός μιας 'γειτονιάς’(plot)έκτασης n*n pixel σύμφωνα με τον δείκτη Shannon όπως φαίνεται παρακάτω:

H=<math>\[-\sum_{s=1}^{n}ps\ln ps\] </math>

όπου το ‘ps’ είναι η αναλογία κάθε φασματικού είδους ‘s’ σε κάθε 'γειτονιά'. H β-ποικιλότητα υπολογίζεται αντίστοιχα σύμφωνα με τον BC δείκτη :

BCij = ∑_(s=1)^n▒ ⃒xis - xjs⃒ / ∑_(s=1)^n▒ (xis + xjs)

Όπου το ‘BCij’ ορίζει την ετερογένεια μεταξύ των γειτονιών i και j. Τα xis και xjs αφορούν στην αφθονία των φασματικών ειδών s στις γειτονιές i και j. Μόλις υπολογιστεί ο δείκτης BC για το σύνολο των γειτονιών, δημιουργείται ένας πίνακας ετερογένειας που μπορεί να απεικονιστεί ως έγχρωμος χάρτης. Πρέπει να τονιστεί πως ενώ ο δέκτης Shanon έχει ένα θεωρητικό ανώτατο όριο, ο δείκτης BC κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1 όπου το 0 υποδεικνύει ομοιογένεια και το 1 ετερογένεια. Ο τελικός σκοπός του αλγορίθμου ήταν η δημιουργία ενός χάρτη ετερογένειας. Τα βήματα απεικονίζονται και σχηματικά στην εικόνα 1.

Εφαρμογή του αλγορίθμου

Ο σκοπός ήταν η εφαρμογή του αλγορίθμου σε μία περιοχή με κλίμακα ηπείρου όπως είναι η Ευρώπη. Επομένως συλλέχθηκαν δεδομένα MODIS με χωρική ακρίβεια 500 μέτρα τα οποία κάλυπταν ολόκληρη την Ευρώπη. Τα δεδομένα αποκτήθηκαν μέσω του ιστοχώρου USGS. Στη συνέχεια υπολογίστηκε ο δείκτης NDVI για κάθε μήνα σε μία διαφορετική εικόνα. Δημιουργήθηκε έτσι ένα δείγμα 12 εικόνων με δείκτη NDVI. Λόγω της μικρής χωρικής ακρίβειας η τιμή ανακλαστικότητας που σχετίζεται με ένα μοναδιαίο είδος φυτού, εμπλέκεται με την τιμή ανακλαστικότητας άλλων ειδών εντός του ίδιου Pixel.

Για τον διαχωρισμό των φασματικών ειδών προκειμένου να οριστεί ο αριθμός των ομαδοποιήσεων, χρησιμοποιήθηκε ο υψηλότερος αριθμός ομαδοποιήσεων με σταθερά αποτελέσματα έπειτα από μια επαναληπτική διαδικασία δοκιμής και λάθους φτάνοντας τις 200 ομαδοποιήσεις. Μόλις φατνία με παρόμοιες τιμές NDVI ομαδοποιήθηκαν μαζί, υπολογίστηκε ο δείκτης Shannon σε μία έκταση 10 επί 10 φατνίων με χωρική ακρίβεια 5 χιλιόμετρα. Η α-ποικιλότητα φαίνεται στην εικόνα 2. Ο χάρτης της β-ποικιλότητας έδειξε μια σαφή διάκριση μεταξύ διαφορετικών περιοχών της Ευρώπης.

Συμπεράσματα

Στην παρούσα εργασία προτάθηκε μία μέθοδος βασισμένη σε μη επιβλεπόμενες ομαδοποιήσεις φασματικών δεδομένων, συνδέοντας κάθε φατνίο με ένα φασματικό είδος και στη συνέχεια υπολογίζοντας την ποικιλότητα βάσει ετερογενών συστημάτων μέτρησης. Στην κλίμακα της παρούσας εργασίας η σχέση ένα προς ένα μεταξύ φασματικών ειδών και φυτών στο πεδίο δεν επετεύχθη, ωστόσο η έννοια των φασματικών ειδών παραμένει ισχυρή καθώς τα εντοπισμένα φασματικά είδη σχετίζονται άμεσα με υψηλότερες ιεραρχίες. Ο χάρτης β-ποικιλότητας βρέθηκε σε συμφωνία με τον χάρτη των βιοτόπων του ευρωπαϊκού περιβαλλοντικού οργανισμού. Σε γενικές γραμμές και οι δυο χάρτες κατάφεραν να διακρίνουν τους βασικούς βιοτόπους. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει την ικανότητα της μεθόδου να εντοπίζει διαφορές στη βλάστηση ακόμη και σε μεγάλες χωρικές κλίμακες.