Ανάδειξη εποχιακών μεταβολών της περιεκτικότητας σε νερό της βλάστησης, μέσω μικροκυμάτων τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Seasonal variations in vegetation water content retrieved from microwave remote sensing over Amazon intact forests

Συγγραφείς: Huan Wang, Jean-Pierre Wigneron, Philippe Ciais, Yitong Yao, Lei Fan, Xiangzhuo Liu, Xiaojun Li, Julia K. Green, Feng Tian, Shengli Tao, Wei Li, Fr´ed´eric Frappart, Cl´ement Albergel, Mengjia Wang, Shuangcheng Li

Δημοσιεύθηκε: Science Direct/Remote Sensing of Environment Volume 285, 1 February 2023, 113409

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425722005156

Λέξεις- Κλειδιά: Οπτικό βάθος βλάστησης, Περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό, Εποχικότητα, Δάσος Αμαζονίου, Μοντέλο επιφάνειας γης ORCHIDEE-CAN-NHA, SMOS-IC, ASCAT-IB, AMSR2, VODCA

Εικόνα 1: Συνθήκες βροχόπτωσης και εδαφικής υγρασίας στην περιοχή μελέτης. α) Χωρική κατανομή της μέσης ετήσιας βροχόπτωσης (mm) (2013-2016), β) δείκτης εποχικότητας βροχόπτωσης Markham με τις υψηλότερες τιμές να υποδηλώνουν μεγαλύτερη εποχικότητα, γ) τέσσερις υποπεριοχές που ορίστηκαν με τη μέθοδο ομαδοποίησης K-means χρησιμοποιώντας ως είσοδο τον δείκτη εποχικότητας βροχόπτωσης και δ) μέση εποχιακή δυναμική της εδαφικής υγρασίας ERA5 σε βάθος ρίζας σε κάθε υποπεριοχή (2013-2016).

1. Περίληψη:

Το παρόν άρθρο πραγματεύεται την αποτελεσματικότητα στη μέτρηση του ποσοστού υγρασίας στη βλάστηση των δασών του Αμαζονίου και τις μεταβολές της στη διάρκεια της ημέρας, μέσω της μεθόδου της τηλεπισκόπησης. Στην πραγματικότητα χρησιμοποιεί προϊόντα του δείκτη VOD (Vegetation optical depth) υποστηριζόμενα από το προσομοιωμένο μοντέλο ORCHIDEECAN-NHA. Ο δείκτης VOD επιλέχθηκε ως ο πιο αποτελεσματικός καθώς είναι ο λιγότερο ευαίσθητος στο αεροζόλ της ατμόσφαιρας, τις επιδράσεις μόλυνσης, τα σύννεφα και τον ηλιακό φωτισμό από ότι οι οπτικοί δείκτες βλάστησης και ταυτόχρονα παρουσιάζει μεγαλύτερη διεισδυτικότητα εντός του θόλου της βλάστησης χωρίς όμως να την υπερνικά. Στη συνέχεια διερευνήθηκαν οι πιθανές αιτίες προβλημάτων ανάκτησης VOD, όσον αφορά τις αβεβαιότητες του αλγορίθμου ανάκτησης. Ακολουθούν τα συμπεράσματα τα οποία αποδεικνύουν τις δυνατότητες του εργαλείου αλλά και τις παραμέτρους που πρέπει να λάβει υπ όψιν του ο μελλοντικός χρήστης για να καταλήξει σε ορθή έρευνα.

2. Εισαγωγή:

Τα δάση του Αμαζονίου αποτελούν ένα σημαντικό στοιχείο ανάδειξης του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα και του υδρολογικού κύκλου. Η ακριβής κατανόηση της δυναμικής της βλάστησης του Αμαζονίου είναι εξαιρετικής σημασίας για την πορεία του πλανήτη σε οικολογικό επίπεδο. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης παρέχουν εκτεταμένες παρατηρήσεις για την παρακολούθηση της βλάστησης του Αμαζονίου. Οι οπτικοί δείκτες βλάστησης συνήθως έχουν υψηλή χωρική ανάλυση και μακρά περίοδο παρατηρήσεων, περιορίζονται όμως στην επιφάνεια του θόλου. Οι δείκτες VOD, που λειτουργούν με βάση τα μικροκύματα, διευρύνουν το πεδίο μελέτης καθώς έχουν την ικανότητα να διεισδύουν σε διαφορετικά στρώματα του θόλου και μέσα από τα σύννεφα, επίσης δεν επηρεάζονται από τον ηλιακό φωτισμό και τα αερολύματα. Έτσι αποφεύγονται μεροληψίες που προκαλούνται από ελλιπείς μετρήσεις. Ωστόσο στα πυκνά δάση όπου λόγω βροχοπτώσεων, δρόσου και άλλων παραγόντων η ανακλαστικότητα επηρεάζεται, η ανάκτηση του VOD γίνεται πολύπλοκη. Ειδικότερα, το VOD μεγάλου μήκους κύματος είναι ευαίσθητο στις εποχιακές μεταβολές σε ολόκληρη την μάζας του θόλου, συμπεριλαμβανομένων τόσο του φυλλώματος όσο και της ξυλώδους συνιστώσας. Τα μοντέλα χερσαίας βιόσφαιρας που βασίζονται σε διεργασίες μπορούν να αποτελέσουν ένα νέο εργαλείο για την προσομοίωση των εποχιακών μεταβολών στην αποθήκευση νερού στο οικοσύστημα, που δεν είναι παρατηρήσιμες σε μεγάλη κλίμακα, και συνεπώς για την αξιολόγηση της. Στην παρούσα μελέτη, αξιοποιούμε το πλεονέκτημα των την αναπαράσταση της VWC στο παγκόσμιο μοντέλο ORCHIDEE-CAN-NHA, το οποίο είναι μια νέα ενότητα υδραυλικής αρχιτεκτονικής στο μοντέλο ORCHIDEE-CAN. Εκμεταλλευόμαστε επίσης τις παρατηρήσεις οπισθοσκέδασης του ραντάρ που είναι ευαίσθητες στις αλλαγές του VWC για την αξιολόγηση της εποχικότητας των μεταβλητών που σχετίζονται με την VWC.

Εικόνα 3: Χρονική μέση (2013-2016) εποχιακή δυναμική της εδαφικής υγρασίας ERA5, της προσομοιωμένης με το μοντέλο VWC, της οπισθοσκέδασης και των VODs πάνω από τα άθικτα δάση του Αμαζονίου (όλες οι τιμές δίνονται ως προς τα Z-scores που υπολογίζονται από τις χωρικά μέσες τιμές). Σημείωση: Η σκιασμένη περιοχή υποδεικνύει τις περιόδους της ξηρής περιόδου (όπως ορίζεται από τους Marengo et al., 2011).

3. Δεδομένα παρατήρησης:

Στην παρούσα μελέτη αξιολογήθηκαν οι εποχιακές διακυμάνσεις οκτώ πρόσφατα αναπτυγμένων προϊόντων VOD σε διαφορετικές συχνότητες (π.χ. Ku-, X-, C- και L-band) πάνω από τα άθικτα δάση του Αμαζονίου, υποστηριζόμενα από το προσομοιωμένο με το μοντέλο ORCHIDEECAN-NHA υδατικό περιεχόμενο της βλάστησης. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι πιθανές αιτίες των προβλημάτων ανάκτησης VOD, όσον αφορά τις αβεβαιότητες του αλγορίθμου ανάκτησης. Όσον αφορά την ικανότητα των VOD προϊόντων να ακολουθούν την εποχικότητα της εδαφικής υγρασίας, το ενεργό μικροκυματικό ASCAT-IB C-VOD (διάμεση εποχιακή συσχέτιση με την εδαφική υγρασία (R) ~ 0,50) υπερτερεί των παθητικών μικροκυματικών προϊόντων VOD, ακολουθούμενο από το παθητικό μικροκυμάτων AMSR2 X-VOD (R ~ 0,26) και VODCA X-VOD (R ~ 0,16). Ωστόσο, το SMOS-IC L-VOD (R ~ - 0,15) και AMSR2 C1-VOD (R ~ - 0,20) εμφανίζει αρνητικές εποχιακές συσχετίσεις με την εδαφική υγρασία στο μεγαλύτερο μέρος των εικονοστοιχείων. Συγκεκριμένα, 1) αξιολογήθηκε η εποχιακή δυναμική της προσομοιωμένης από το μοντέλο ORCHIDEE-CAN-NHA RWC φύλλων και βλαστών και VWC σε σχέση με τη διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού (ένα υποκατάστατο του SM εδώ), 2) αξιολογήθηκε η εποχικότητα της οπισθοσκέδασης ASCAT σε σχέση με τις μεταβολές του SM κατά τη διάρκεια γεγονότων ξηρασίας του SM- 3) συγκρίθηκαν μεταξύ τους η εποχικότητα μεταξύ των VODs, η VWC που προσομοιώνεται από τα μοντέλα, η οπισθοσκέδασης και το SM για να αξιολογηθεί η ακρίβεια των VODs και 4) αναλύθηκαν οι πιθανοί λόγοι για τα σφάλματα ανάκτησης VOD, από την άποψη των αλγορίθμων ανάκτησης. Ειδικότερα, το βήμα 1 και το βήμα 2 μπορούν να βοηθήσουν στην επικύρωση των δύο υποθέσεων (H1- 2), βάσει των οποίων διεξάγεται η αξιολόγηση των εποχικών διακυμάνσεων των VOD. Χρησιμοποιήθηκε η εποχιακή συσχέτιση SMVOD ως κύρια μετρική για την αξιολόγηση της ακρίβειας των της εποχικότητας του VOD, αντί να συγκριθούν απευθείας οι προσομοιωμένες με το μοντέλο VWC με το VOD. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μοντέλο δεν διαχωρίζει την κορυφή του θόλου και το μεσαίο θόλο, γεγονός που θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένες αβεβαιότητες στην αξιολόγηση των προϊόντων VOD υψηλής συχνότητας, π.χ. VOD Ku-, X- και C-band. Στο Επιπλέον, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη βελτίωσης του μοντέλου και απεικονίζουμε την αβεβαιότητα που σχετίζεται με το μοντέλο στο μέρος της συζήτησης. Για τη βελτίωση του ευρωστία των αποτελεσμάτων αξιολόγησης, αξιολογήθηκαν επίσης το LAI/SIF-VOD συσχετίσεις για να δείξουμε την επίδραση της βιομάζας του θόλου στην εποχικότητα της περιεκτικότητας σε νερό της βλάστησης.

Εικόνα 4: Εποχιακές συσχετίσεις (χρονικός μέσος όρος κατά την περίοδο 2013-2016) μεταξύ των VOD και της εδαφικής υγρασίας στην περιοχή μελέτης. Σημείωση: Τα pixels με μη σημαντικές συσχετίσεις (p > 0,05) αποκρύφθηκαν.

4. Μέθοδοι:

Για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση της αποψίλωσης των δασών και των παρατηρήσεων χαμηλής ποιότητας στην αξιολόγηση της εποχιακής δυναμικής του VOD, η ανάλυση περιορίστηκε στο να συμπεριλάβει μόνα τα δάση που χαρακτηρίζονται ως "άθικτα". Με βάση αυτόν τον δείκτη ορίστηκαν τέσσερις κύριες υποπεριοχές (Εικ. 1γ).Από την περιοχή 1 έως την περιοχή 4, μια υψηλότερη τιμή του εποχικού δείκτη βροχόπτωσης απεικόνιζε μια αυξανόμενη εποχική υδατική καταπόνηση (Εικ. 1β) και μια βαθύτερη, πιο απότομη και μεγαλύτερης διάρκειας εποχική ξηρασία SM (Εικ. 1δ).Η ακρίβεια των ανακτήσεων VOD επηρεάζεται από την RFI, που υποδηλώνει τις μικροκυματικές ακτινοβολίες που εκπέμπονται από τεχνητές συσκευές. Χρησιμοποιήθηκε παράθυρο εξομάλυνσης 10 ημερών για την παραγωγή ημερήσιων τιμών προκειμένου να μειωθεί το σήμα θορύβου και την πιθανή επίδραση της αναχαίτισης της βροχόπτωσης στην ανάκτηση VOD. Όλα τα δεδομένα VOD επαναδειγματοληπτήθηκαν σε χωρική ανάλυση 0,25◦ για τον υπολογισμό και τη σύγκριση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο παρεμβολής του πλησιέστερου γείτονα, η οποία έχει εφαρμοστεί εκτενώς σε μελέτες αξιολόγησης της SM (Al-Yaari et al., 2014; Ma et al., 2021). Επιπλέον, για να διασφαλιστεί μια δίκαιη και αξιόπιστη αξιολόγηση των προϊόντων VOD, η αξιολόγηση διεξήχθη κατά την ίδια περίοδο για όλα τα προϊόντα , δηλαδή από τον Ιανουάριο του 2013 έως τον Δεκέμβριο του 2016. Εδώ, χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές συσχέτισης Pearson για να υποδειχθούν τις εποχιακές και χωρικές συσχετίσεις μεταξύ των δεικτών που σχετίζονται με το VWC και το SM. Ένα επίπεδο τιμής πιθανότητας (p) < 0,05 χρησιμοποιήθηκε ως μέτρο σημαντικής στατιστικής. Η αποδοτικότητα Nash-Sutcliffe (NSE) είναι ένας μη παραμετρικός δείκτης που ποσοτικοποιεί την αναντιστοιχία μεταξύ δύο χρονοσειρών, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε αρχικά για την ποσοτική αξιολόγηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων των υδρολογικών μοντέλων (Nash and Sutcliffe, 1970). Ο NSE είναι ευαίσθητος τόσο στις απόλυτες τιμές όσο και στις εποχικές διακυμάνσεις (Wu and Johnston, 2007) και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της ομοιότητας της εποχικότητας μεταξύ δύο μεταβλητών (Liu et al., 2021c)(Εικόνα 2). Για να αφαιρεθούν οι επιπτώσεις των διαφορετικών εποχικοτήτων μεταξύ των μεταβλητών και να καταστούν τα σύνολα δεδομένων συγκρίσιμα, υπολογίστηκαν πρώτα οι μετασχηματισμένες μεταβλητές με Z-score , X anomaly = Xt - Xt σ(Xt) (1) (Εικόνα 3).Για την Ποσοτική ανάλυση απόδοσης των ενοχλητικών παραγόντων στην ανάκτηση VOD χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος GeoDetector για να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση των πιθανών παραγόντων στην ακρίβεια της ανάκτησης VOD. Η μέθοδος GeoDetector είναι ένα μέτρο της χωρικά διαστρωματωμένης ετερογένειας, το οποίο μπορεί να εντοπίσει πιθανές αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ δύο μεταβλητών εξετάζοντας τη συνέπεια σύζευξης της χωρικής κατανομής τους (Wang et al., 2010, 2016).

Εικόνα 5: Box plot των εποχιακών συσχετίσεων μεταξύ των VODs και της εδαφικής υγρασίας που αντιστοιχούν σε διάφορα στρώματα διαταρακτικών παραγόντων. α) θερμοκρασία εδάφους, β) βροχόπτωση, γ) τραχύτητα επιφάνειας. Οι τιμές των διαταρακτικών παραγόντων γίνονται υψηλότερες από το στρώμα 1 έως το στρώμα 5, π.χ. το στρώμα 5 για τη θερμοκρασία του εδάφους υποδηλώνει την υψηλότερη θερμοκρασία του εδάφους.

5. Συζήτηση:

Στη συζήτηση γίνεται λόγος για αβεβαιότητες που σχετίζονται με τους αλγορίθμους ανάκτησης. Στην παρούσα μελέτη εντοπίσθηκε αντίθετη εποχικότητα μεταξύ ορισμένων παθητικών μικροκυματικών προϊόντων των VOD και των SM. Οι περιορισμένες μεταβολές της φυλλικής μάζας δεν θα πρέπει να κυριαρχούν στις μεταβολές της VWC στη ζώνη L, καθώς οι παρατηρήσεις στη ζώνη L είναι πιο ευαίσθητες στα ξυλώδη συστατικά. Επιπλέον, η ξυλώδης ανάπτυξη λαμβάνει χώρα με χαμηλό ρυθμό κατά την ξηρή περίοδο. Έτσι, η παράλογη εποχικότητα ορισμένων παθητικών μικροκυματικών VOD σε σύγκριση με την εποχικότητα του SM μπορεί να οφείλεται σε προβλήματα αλγορίθμων στις αναλήψεις VOD. Στη συνέχεια, διαπιστώνεται ότι η ASCAT C-VOD και η ASCAT C-band οπισθοσκέδαση έχουν συγκρίσιμες δυνατότητες για την παρακολούθηση της εποχικότητας της SM, και ως εκ τούτου η οι χρονικές μεταβολές στην οπισθοσκέδαση του ASCAT μπορεί να οφείλονται κυρίως σε μεταβολές στην περιεκτικότητα σε νερό της βλάστησης και όχι στην υγρασία του εδάφους, ιδίως λαμβάνοντας υπόψη το χαμηλό βάθος διείσδυσης στη ζώνη C σε πυκνά δάση (Εικόνα 4). Έτσι γίνεται αντιληπτό, πως παρόλο που προσφέρει μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση των VODs, η παρούσα μελέτη εξακολουθεί να έχει ορισμένους περιορισμούς. Ακολούθως, το μοντέλο ORCHIDEE-CAN-NHA είναι ένα απλοποιημένο μοντέλο βλάστησης το οποίο δεν μπορεί να αποτυπώσει πλήρως την πολύπλοκη απόκριση της βλάστησης στη διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού σε περιοχές με υψηλές εποχικές βροχοπτώσεις. Οι χρονικές ή χωρικές συσχετίσεις μεταξύ των VODs και των SM δεν μπορούν να θεωρηθούν ως "απόλυτο" κριτήριο ακρίβειας για την αξιολόγηση των VOD ανάκτησης. Επιπλέον, το μέγεθος των συσχετίσεων μεταξύ SM και VODs θα μπορούσε να επηρεαστεί από τις εποχιακές μεταβολές βιομάζας του θόλου σε διάφορα στρώματα ενώ ο συνολικός LAI του θόλου παρουσιάζει μη σημαντική εποχικότητα. Αυτή η μελέτη έδειξε ότι μια απροσδόκητη αρνητική συσχέτιση μεταξύ του SM και ορισμένων παθητικών VOD μπορεί να οφείλεται σε πρόβλημα στην αλγορίθμων ανάκτησης που δεν λαμβάνουν υπόψη την εποχικότητα της σκέδασης, οδηγώντας έτσι σε λανθασμένους εποχικούς κύκλους των VOD. Αν και οι ανακτήσεις του SMOS-IC LVOD επηρεάζονται από τις εποχιακές επιδράσεις σκέδασης στις εποχιακή χρονική κλίμακα, για τις ετήσιες αναλήψεις VOD, ο ετήσιος μέσος όρος SMOS-IC L-VOD κατέχει την καλύτερη χωρική συσχέτιση με την AGB σε σύγκριση με τις υψηλές συχνότητας VOD (Εικόνα 5).Συνεπώς, συνιστούμε να ότι το SMOS-IC L-VOD μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση πολυετών μεταβολών σε βιομάζας, παρά το γεγονός ότι απαιτείται διόρθωση στον αλγόριθμο για να για να ληφθούν υπόψη τα αποτελέσματα της εποχιακής διασποράς.

6. Συμπεράσματα:

Αυτή η μελέτη αξιολόγησε οκτώ πρόσφατα αναπτυγμένα και επανεπεξεργασμένα παθητικά και ενεργά προϊόντα VOD μικροκυμάτων (από την L- έως την Ku-band) έναντι της προσομοίωσης της περιεκτικότητας σε νερό της βλάστησης με βάση το μοντέλο επιφάνειας γης ORCHIDEE-CAN-NHA και τις άμεσες τηλεπισκοπικές παρατηρήσεις της οπισθοσκέδασης ASCAT (C-band) πάνω από άθικτα δάση του Αμαζονίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ως εξής: 1. Η περιεκτικότητα της βλάστησης σε νερό εξαρτάται από την διαθεσιμότητα του εδαφικού νερού και την εποχικότητα και τις μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών μέσα στη μέρα(θερμοκρασία, υγρασία, κοκ.). 2. Η οπισθοσκέδαση ASCAT (C-band) είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην επίδραση της πίεσης της εδαφικής υγρασίας στη βλάστηση στο χώρο και στο χρόνο πάνω από τα άθικτα δάση του Αμαζονίου. Η οπισθοσκέδαση της ζώνης C του ASCAT και η C-VOD του ASCAT-IB μπορούν να εφαρμοστούν για εφαρμογές που σχετίζονται με την ξηρασία, π.χ. εντοπισμός κέντρων ξηρασίας και απόκριση των φυτών στην υδατική καταπόνηση. 3. Η απίθανη εποχικότητα μπορεί να οφείλεται στα χρονικά αμετάβλητα φαινόμενα σκέδασης που λαμβάνονται υπόψη στον αλγόριθμο. Τα φαινόμενα σκέδασης θα πρέπει θεωρητικά να μειώνονται κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου και τα χαμηλότερα φαινόμενα σκέδασης οδηγούν σε χαμηλότερες τιμές VOD. Τα αποτελέσματά μας μπορούν να συμβάλουν στην καλύτερη στόχευση των κατάλληλων οικολογικών εφαρμογών των προϊόντων VOD και στη βελτίωση των αλγορίθμων ανάκτησης παθητικών μικροκυμάτων VOD πάνω από τα πυκνά δάση του Αμαζονίου.