Μεταπυρική Παρακολούθηση της κατάστασης Δασικής Βλάστησης μέσω Δορυφορικής Τηλεπισκόπησης και Επιτόπιων Δεδομένων
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Post-Fire Forest Vegetation State Monitoring through Satellite Remote Sensing and In Situ Data
Συγγραφείς: Daniela Avetisyan, Εmiliya Velizarova, Lachezar Filchev
Δημοσιεύθηκε: Remote Sens. 2022, 14(24), 6266 - 10 Dec 2022
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
Λέξεις κλειδιά: επιπτώσεις της πυρκαγιάς- δασική αποκατάσταση μετά την πυρκαγιά- δασικά τοπία- δείκτες βλάστησης- ορθογώνιος μετασχηματισμός- Sentinel-2
Τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί αυξημένη συχνότητα και σφοδρότητα στις δασικές πυρκαγιές, ιδιαίτερα στις περιοχές που έχουν υποστεί πιέσεις από την κλιματική αλλαγή για μεγάλο χρονικό διάστημα εξαιτίας των ασυνήθιστων υψηλών θερμοκρασιών. Η Διεθνής Ομάδα για την Κλιματική Αλλαγή τοποθετεί τη Μεσόγειο ανάμεσα στις πιο ευάλωτες περιοχές στις επιπτώσεις της παγκόσμιας υπερθέρμανσης, με τα μοντέλα της να προβλέπουν άνοδο της μέσης θερμοκρασίας μέχρι και 5,1 °C μέχρι το 2100 και παράλληλη μείωση της βροχόπτωσης μέχρι και 27%. Συγκεκριμένα στην Βουλγαρία, το τμήμα μετεωρολογίας της Βουλγαρικής Ακαδημίας Επιστημών προβλέπει αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι και 1.8 °C, γεγονός που αυξάνει τον κίνδυνο για δασικές πυρκαγιές στην περιοχή.
Τα τελευταία χρόνια, η τηλεπισκόπηση υψηλής ανάλυσης χρησιμοποιείται ευρέως για την παρακολούθηση διαφόρων φαινομένων καθώς παρέχει πολυφασματικές και πολυχρονικές εικόνες σε πολλαπλές κλίμακες. Συγκεκριμένα σχετικά με τις δασικές πυρκαγιές, η σύγκριση μεταπυρικών και προπυρικών πολυφασματικών εικόνων επιτρέπει την μελέτη και παρακολούθηση των επιπτώσεων τους στην βλάστηση. Τέτοιες μελέτες συνήθως στοχεύουν στην χαρτογράφηση των καμένων περιοχών, στην εκτίμηση της σφοδρότητας της πυρκαγιάς και στην παρακολούθηση του ρυθμού αναγέννησης και βασίζονται σε δείκτες όπως ο κανονικοποιημένος λόγος καύσης (NBR), ο δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI), ο τροποποιημένος δείκτης απορρόφησης χλωροφύλλης (MCARI2), ο δείκτης στρες υγρασίας (MSI), ο κανονικοποιημένος διαφορικός δείκτης πρασίνου (NDGI), ο δείκτης κανονικής διαφορικής υγρασίας (NDWNI), και ο δείκτης διαταραχής (DI). Ωστόσο ο ρυθμός αναγέννησης μίας δασικής περιοχής εξαρτάται και από πολλούς άλλους παράγοντες, όπως το κλίμα, τα χαρακτηριστικά του εδάφους, τη τοπογραφία της περιοχής και τη σύνθεση της βλάστησης. Για αυτόν τον λόγο, η ανάκτηση της βλάστησης μετά από μία πυρκαγιά δεν μπορεί να αξιολογηθεί μόνο με την εφαρμογή ενός ενιαίου φασματικού δείκτη.
Αυτή η εργασία εξετάζει τα στάδια ανάκτησης της δασικής βλάστησης κατά τη διάρκεια μιας περιόδου έξι ετών μετά από μια πυρκαγιά στην περιοχή Ardino της Βουλγαρίας. Η μελέτη στοχεύει να παρουσιάσει τις δυνατότητες για την χρησιμοποίηση εικόνων τηλεπισκόπησης των δορυφόρων Sentinel-2 και αντίστοιχων δεικτών για την μεταπυρική διαχείριση των δασών. Η μελέτη χρησιμοποίησε δύο ομάδες φασματικών δεικτών για την παρακολούθηση της πυρόπληκτης περιοχής. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει δείκτες βλάστησης που χρησιμοποιούν μεμονωμένες φασματικές ζώνες για τον υπολογισμό τους (δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI), τροποποιημένος δείκτης απορρόφησης χλωροφύλλης (MCARI2), δείκτης στρες υγρασίας (MSI)) και η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει δείκτες που χρησιμοποιούν ένα μεγαλύτερο εύρος φασματικών πληροφοριών μέσω της ορθογωνοποίησης πολυφασματικών δεδομένων (κανονικοποιημένος διαφορικός δείκτης πρασίνου (NDGI), δείκτης κανονικής διαφορικής υγρασίας (NDWNI), δείκτης διαταραχής (DI)). Επίσης στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων λήφθηκαν υπόψη και εδαφικά δεδομένα όπως οι κλίσεις των πλαγιών αλλά και η προπυρική κατάσταση της βλάστησης .
2. ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ
2.1 Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο νοτιοανατολικό τμήμα της οροσειράς της Ροδόπης, κοντά πόλη Ardino. Στις 29 Ιουλίου 2016 σημαντική πυρκαγιά έλαβε χώρα στην περιοχή μελέτης και κατέλαβε μία έκταση 100 εκταρίων. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από ηπειρωτικό μεσογειακό κλίμα.
2.2. Χαρακτηριστικά των κλιματικών ανωμαλιών που παρατηρήθηκαν κατά την περίοδο 2016-2021
Στην εικόνα 2 παρουσιάζονται οι ανωμαλίες της μέσης θερμοκρασίας του αέρα και του αθροίσματος της βροχόπτωσης για την περίοδο 2016-2021 σε ετήσια βάση και για τους καλοκαιρινούς μήνες (Ιούλιος, Αύγουστος και Σεπτέμβριος). Ως αναφορά χρησιμοποιήθηκε η περίοδος μεταξύ 1981 και 2010.
2.3 Δεδομένα
2.3.1 Επιτόπια Δεδομένα
Τα επιτόπια δεδομένα περιελάμβαναν κλιματικά δεδομένα από την μετεωρολογικό σταθμό Kardzhali, δεδομένα εδαφολογικής σύστασης από το Ευρωπαϊκό κέντρο δεδομένων εδάφους, και διαδραστικά τρισδιάστατα πανοράματα το οποία συλλέχθηκαν για 8 τοποθεσίες μέσω του Google StreetView το καλοκαίρι του 2021.
2.3.2 Δορυφορικά Δεδομένα
Δορυφορικά δεδομένα συλλέχθηκαν από τους πολυφασματικούς αισθητήρες Sentinel-2A και Sentinel-2B. Ένα ψηφιακό μοντέλο υψομέτρου (DEM) με χωρική ανάλυση 25 m χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των κλίσεων.
2.4 Μέθοδοι
Η προτεινόμενη προσέγγιση για την παρακολούθηση της κατάστασης της βλάστησης μετά την πυρκαγιά περιλαμβάνει τα ακόλουθα βασικά βήματα. Πρώτον, υπολογίζονται οι φασματικοί δείκτες για την περίοδο μεταξύ 2016 και 2021. Δεύτερον, πραγματοποιούνται αναλύσεις στατιστικής παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας τρεις από τους φασματικούς δείκτες ως μεταβλητές (DI, MCARI2 και MSI). Τρίτον, εξετάζονται οι διαφορές στα τοπία βάσει των κλίσεων του και της επίδραση τους στον λόγο θερμότητας-υγρασίας. Στο τελικό βήμα επικυρώνονται τα αποτελέσματα με αναλύσεις στατιστικής παλινδρόμησης χρησιμοποιώντας τα δασικά HRL καθώς και τρισδιάστατα διαδραστικά πανοράματα από το Google Street View για τη δημιουργία φωτογραφιών προς διάφορες κατευθύνσεις. Οι φασματικοί δείκτες που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 επιλέχθηκαν και υπολογίστηκαν για την αξιολόγηση της κατάστασης βλάστησης μετά την πυρκαγιά.
3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
3.1. Ανάκτηση δασικής βλάστησης για ολόκληρη την περιοχή μελέτης
Οι περιοχές με αρνητικές τιμές NDGI κυριαρχούσαν μέχρι το 2019, ωστόσο οι τιμές ήταν αρνητικές ακόμη και ένα χρόνο πριν από την πυρκαγιά, γεγονός που υποδηλώνει υποβαθμισμένη κατάσταση βλάστησης. Οι περιοχές με αρνητικές τιμές NDGI είχαν μέγιστη εδαφική εξάπλωση κατά το έτος πριν από την πυρκαγιά και ένα χρόνο μετά την πυρκαγιά. (Εικόνα 3, Πίνακας Α2). Οι περιοχές με θετικές τιμές NDGI είχαν ελάχιστη εξάπλωση το έτος αμέσως μετά την πυρκαγιά αλλά είχαν την υψηλότερη αύξηση μεταξύ 2019 και 2020.Παραδόξως, οι περιοχές χωρίς διαταραχές ή με αρνητικές τιμές DI επικράτησαν καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου που μελετήθηκε. Ωστόσο, οι τιμές ήταν υψηλότερες το έτος πριν την πυρκαγιάς. Το πρώτο έτος μετά την πυρκαγιά χαρακτηρίστηκε από το πιο έντονο στρες λόγω έλλειψης υγρασίας. Την ίδια χρονιά, παρατηρήθηκε επίσης η υψηλότερη εδαφική εξάπλωση της κατηγορίας με τιμές MSI πάνω από 1,5 ενώ η κατηγορία MSI με τιμές μεταξύ 0,5 και 1,5 είχε το μεγαλύτερο μερίδιο της περιοχής. Όσον αφορά το NDWNI, η μέγιστη επιφάνεια ήταν κυρίως στην κατηγορία μεταξύ − 0,2 και 0,2, υποδηλώνοντας ασθενή δυναμική στην περιεκτικότητα σε υγρασία. Η μέγιστη εδαφική εξάπλωση σχετικά με τους δείκτες NDVI παρατηρήθηκε κατά τα έτη 2018-2019 για τις μεγαλύτερες τιμές των δεικτών.
3.2 Ανάκτηση δασικής βλάστησης στις επιμέρους πτυχές της κλίσης
Η ανάλυση των τιμών των δεικτών στις επιμέρους εκθέσεις στις πλαγιές έδειξε ότι τα πρώτα τρία χρόνια μετά την πυρκαγιά, οι πλαγιές με νοτιοδυτικό προσανατολισμό είχαν ταχύτερη ανάκτηση βλάστησης και λιγότερη καταπόνηση υγρασίας. Αυτές οι κλίσεις είχαν τις υψηλότερες τιμές των NDVI και MCARI2 και τις χαμηλότερες τιμές του MSI. (Πίνακας 2) Τα δύο τελευταία χρόνια μετά την πυρκαγιά, οι πλαγιές με βορειοανατολικό προσανατολισμό είχαν τις υψηλότερες συνολικές τιμές NDVI και MCARI2 και τη χαμηλότερη τάση υγρασίας. Το προπυρικό έτος, μόνο η βλάστηση στις πλαγιές με νοτιοανατολικό προσανατολισμό είχε θετικές τιμές DI. Οι μέσες τιμές DI ήταν θετικές για όλες τις κλίσεις στα τρία επόμενα χρόνια μετά την πυρκαγιά. Οι συνολικές τιμές DI για τους μεμονωμένους εκθέτες κλίσης για το 2017, το 2018 και το 2019 μειώθηκαν με την ακόλουθη σειρά: πλαγιές με νότιο προσανατολισμό, ανατολική, βορειοανατολική, νοτιοανατολική και νοτιοδυτική. Οι άλλοι δύο δείκτες που βασίζονται στο TCT (NDWNI και NDGI) μπορούν να μετρήσουν μικρές αλλαγές στην περιεκτικότητα σε υγρασία και στην πράσινη μάζα. Μικρή θετική αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρασία το πρώτο έτος μετά την πυρκαγιά καταγράφηκε μόνο για τις πλαγιές με νοτιοανατολικό προσανατολισμό. Οι ανατολικές πλαγιές παρουσίασαν επίσης θετική δυναμική στην περιεκτικότητα σε υγρασία. Η NDGI, έδειξε θετική δυναμική μετά το δεύτερο έτος μετά την πυρκαγιά με την ανατολική και βορειοανατολική πλαγιά να έχουν τη μεγαλύτερη αύξηση. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της ξηρασίας του 2020, η βλάστηση στις βορειοανατολικές και ανατολικές πλαγιές παρουσίασε και πάλι καλύτερη κατάσταση σε σύγκριση με τις υπόλοιπες.
4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ
Η κατάστασης της βλάστησης και οι τοπικές συνθήκες (καρστικό έδαφος, ξηρά και ζεστά καλοκαίρια κλπ) προκάλεσαν την πυρκαγιά με συνέπεια την σχεδόν πλήρη καταστροφή της δασικής βλάστησης. Ο τύπος του εδάφους και οι κλίσεις στις πλαγιές είναι οι κύριοι παράγοντες διαμόρφωσης τοπίου που καθορίζουν τις διαφορές στις διαδικασίες ανάκτησης της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα δυσμενή χαρακτηριστικά των εδαφών σε αυτήν την περιοχή, όπως το ρηχό προφίλ, η χαμηλή περιεκτικότητα σε οργανική ουσία, η όξινη αντίδραση του εδάφους και η χαμηλή ικανότητα ανταλλαγής, επιδεινώθηκαν μετά την πυρκαγιά και ανέστειλαν περαιτέρω την ανάκτηση της βλάστησης, συμπεριλαμβανομένου του δάσους. Οι διεργασίες αυτές εκδηλώθηκαν πιο σημαντικά στις νότιες πλαγιές. Η απομάκρυνση της βλάστησης και της κάλυψης των απορριμμάτων ως αποτέλεσμα μιας πυρκαγιάς μειώνει την αναχαίτιση των βροχοπτώσεων, γεγονός που ενισχύει τους ρυθμούς απορροής και διάβρωσης. Επιπλέον, η σοβαρότητα των εγκαυμάτων της επιφάνειας του εδάφους στις πλαγιές με νότιο προσανατολισμό μειώνει την περιεκτικότητα του εδάφους σε άνθρακα και αλλάζει την οξύτητα του εδάφους.
5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Η παρούσα μελέτη εξέτασε τη μεταπυρική δυνατότητα ανάκτησης βλάστησης χρησιμοποιώντας δύο ομάδες φασματικών δεικτών βλάστησης και λαμβάνοντας υπόψη τους τοπικούς παράγοντες του τοπίου σε μια περιοχή της νοτιοανατολικής Βουλγαρίας που επλήγη από πυρκαγιά. Σε συμφωνία με άλλες μελέτες, επιβεβαιώθηκε ότι η ανάκτηση της βλάστησης εξαρτάται από κλιματικούς παράγοντες και τοπογραφικά χαρακτηριστικά. Όσον αφορά στην αποτελεσματικότητα των δεικτών φασματικής βλάστησης για την μεταπυρική παρακολούθηση της κατάστασης της βλάστησης, οι διαδικασίες στατιστικής ανάλυσης επιβεβαιώνουν την αξιοπιστία τους. Τα NDVI, MCARI2 και MSI αναδεικνύουν τις κυρίως τάσεις στη δυναμική της βλάστησης μετά την πυρκαγιά και οι δείκτες που βασίζονται σε TCT (DI, NDGI και NDWNI) κρίθηκαν κατάλληλοι για πιο ακριβείς αναλύσεις ενδοεδαφικών διαφορών. Η μελέτη κατέδειξε την ανάγκη ανάλυσης πολλαπλών παραγόντων στην μεταπυρική παρακολούθηση και θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως βάση για περαιτέρω μελέτες που σχετίζονται με πυρκαγιές.
