Εξερεύνηση οικοτόπων Natura 2000 σε συνδυασμό με φυτοκοινωνιολογικά δεδομένα: μελέτη περίπτωσης στην περιοχή Čierny Balog (Κεντρική Σλοβακία).
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Exploring Natura 2000 habitats by satellite image segmentation combined with phytosociological data: a case study from the Čierny Balog area (Central Slovakia)
Συγγραφείς: Lucia Čahojová, Martin Ambroz, Ivan Jarolímek, Michal Kollár, Karol Mikula, Jozef Šibík1 & Mária Šibíková
Δημοσιεύθηκε: Scientific Reports 12, 18375 (2022), [2]
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [3]
Λέξεις-Κλειδιά: Natura 2000, οικότοποι, βιοποικιλότητα, τηλεπισκόπηση, Sentinel-2, έλεγχοι PERMANOVA
1. Εισαγωγή
To Natura 2000 είναι ένα δίκτυο προστατευόμενων περιοχών που καλύπτει τα πιο πολύτιμα και απειλούμενα είδη και ενδιαιτήματα στην Ευρώπη. Πρόσφατα, οι βιότοποι που ανήκουν σε αυτά τα δίκτυα απειλήθηκαν τόσο από την κλιματική αλλαγή, όσο και από διάφορες ανθρώπινες επιδράσεις. Η διατήρησης της βιοποικιλότητας ήταν ένας από τους στόχους της Ευρωπαϊκής Στρατηγικής έως το 2020, ενώ η Ευρωπαϊκή Σύμβαση έως το 2030 θέτει φιλόδοξος στόχους για αύξηση της έκτασης των προστατευόμενων περιοχών. Από τις αρχές της δεκαετίας του ‘90, υπάρχει το Ευρωπαϊκό Αρχείο Βλάστησης (EVA) που έχει συλλέξει δεδομένα βλάστησης με σημειακό χαρακτήρα, ενώ οι περισσότερες χώρες διαθέτουν αντίστοιχη εθνική βάση (π.χ. Σλοβακία). Για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική προστασία των οικοτόπων, απαιτείται τακτική παρακολούθηση της φυτοκάλυψης, αλλά οι συμβατικές προσεγγίσεις πεδίου είναι συχνά χρονοβόρες και ανακριβείς. Πολλά από αυτά τα προβλήματα ξεπερνιούνται με τη βοήθεια δορυφορικών εικόνων και μιας μεθόδου σύνδεσης επίγειων και τηλεσκοπικών δεδομένων.
2. Στόχοι
Η παρούσα μελέτη στοχεύει: α) στη δυνατότητα χαρτογράφησης της βλάστησης στο δίκτυο Natura 2000, με χρήση πολυφασματικών δορυφορικών εικόνων Sentinel-2, β) στην εύρεση της κατάλληλης περιόδου του έτους για την αναγνώριση οικοτόπων βάσει της φαινολογίας τους (σ.σ. η εξέλιξη των οργανισμών στον κύκλο ζωής τους) και γ) στο να ελεγχθεί η χρήση φυτοκοινωνιολογικών relevés (δειγμάτων) με συντεταγμένες, ως αφετηρία για αυτόματη και ημιαυτόματη ταξινόμηση οικοτόπων.
3. Μέθοδοι
3.1. Περιοχή μελέτης
Η τοποθεσία έρευνάς μας βρίσκεται στην κεντρική Σλοβακία, στην οροσειρά Slovenske Rudohorie, πέριξ του χωριού Čierny Balog, σε υψόμετρο 559-1338μ. (βλ. Εικόνα 1).
Σύμφωνα με την Ευρωπαϊκή οδηγία 92/43/ΕΟΚ για τη διατήρηση των φυσικών οικοτόπων, η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει τους εξής δασικούς οικοτόπους:
- δάση οξιάς Asperulo-Fagetum με αριθμό οικοτόπου 9130
- δάση οξιάς Tilio-Acerion No. 9180
- δάση ερυθρελάτης Acidophilous Picea Νο. 9410 και
- φυτεμένα δάση ερυθρελάτης (δευτερογενή δάση με το ίδιο είδος ερυθρελάτης με τα φυσικά δάση, επομένως άνευ κωδικοποίησης).
3.2. Δειγματοληψία δεδομένων
Φυτοκοινωνιολογική προσέγγιση και εντοπισμός με GPS:
Οι χάρτες εμφάνισης οικοτόπων Natura 2000 παρουσιάζονται ως τετράγωνο πλέγμα με πληροφορίες σχετικά με φυτοκοινωνιολογικές συντεταγμένες. Συνολικά, 65 φυτοκοινωνιολογικά δείγματα συλλέχθηκαν το καλοκαίρι του 2020 και 2021, καλύπτοντας αναλογικά τους επιμέρους τύπους των οικοτόπων της περιοχής μελέτης. Η δειγματοληψία κάθε relevé (δείγμα) έγινε σε επιφάνεια 400 τ.μ. με τη χρήση της τυποποιημένης μεθοδολογίας της Σχολής Ζυρίχης-Μονπελιέ. Η ονοματολογία των οικοτόπων έγινε σύμφωνα με την οδηγία 92/43/ΕΟΚ. Κατά τη διάρκεια των περιόδων βλάστησης 2020 και 2021, παρακολουθήθηκαν με συσκευή GPS (Garmin Oregon 600t) τα όρια 24 επιλεγμένων δασικών οικοτόπων και από τους 4 παραπάνω τύπους, συνολικής έκτασης 70.26 εκταρίων. Εξ αυτών, τα αυτοφυή δάση ερυθρελάτης (Νο. 9410) ήταν συγκεντρωμένα μόνο σε μια τοποθεσία, γεγονός που δε μας επέτρεψε να πάρουμε επαρκές δείγμα δεδομένων. Σε περίπτωση προβλημάτων στο πεδίο (απώλεια σήματος GPS ή υπερβολικά απότομες δύσβατες πλαγιές), τα ίχνη GPS διορθώθηκαν με το λογισμικό Google Earth Pro.
Μέθοδοι τμηματοποίησης/ταξινόμησης:
Το λογισμικό NaturaSat (που δημιουργήθηκε από τους συντάκτες του παρόντος) επιτρέπει στο χρήστη να εκτελέσει είτε ημιαυτόματη, είτε αυτόματη τμηματοποίηση. Σε κάθε περίπτωση, η καμπύλη τμηματοποίησης εξελίσσεται βάσει ενός γενικού μαθηματικού μοντέλου. Στην ημιαυτόματη τμηματοποίηση απαιτείται αλληλεπίδραση του χρήστη. Ο χρήστης κάνει κλικ με το ποντίκι σε κάποιο σωστά επιλεγμένο σημείο στο όριο του ενδιαιτήματος και το σύρει κατά μήκος του αναμενόμενο ορίου. Ο αλγόριθμος συνδέει πάντα το πρώτο με το τελευταίο σημείο του ποντικιού, κατασκευάζει την αρχική καμπύλη μεταξύ τους και προσαρμόζει αυτή την (ανοικτή) γραμμή στο όριο του ενδιαιτήματος σε πραγματικό χρόνο. Στην περίπτωση αυτόματης τμηματοποίησης το λογισμικό βασίζεται σε παρόμοια αρχή, αλλά αναπτύσσει κλειστές επίπεδες καμπύλες στη διατύπωση Λαγκράνζ. Η αυτόματη τμηματοποίηση θα μπορούσε να ξεκινήσει από την αρχική κλειστή καμπύλη που ορίζει ο χρήστης ή από το φυτοκοινωνιολογικό relevé που αντιπροσωπεύει τον τρέχοντα οικότοπο ή τη φυτοκοινότητα. Έτσι, η αρχική καμπύλη εξελίσσεται είτε με τη μορφή ευθείας γραμμής ή αυτόματα επιλεγμένης ισόγραμμης εικόνας (περίπτωση ημιαυτόματης τμηματοποίησης), είτε με τη μορφή ενός μικρού κύκλου (ή κύκλων) ή ενός μικρού τετραγώνου (αυτόματη τμηματοποίηση). Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν και οι δύο μέθοδοι τμηματοποίησης για την εύρεση μιας ομοιογενούς περιοχής των 65 φυτοκοινωνιολογικών relevé για τους υπό ανάλυση οικοτόπους.
3.3. Αναλύσεις δεδομένων
Το τρίτο μεθοδολογικό στάδιο είναι η ανάλυση δεδομένων. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της ανάλυσης συστάδων, με σκοπό τη διαίρεση των relevés σε διακριτούς τύπους περιβάλλοντος. Ακολούθησε ο έλεγχος PERMANOVA με την Ευκλείδεια απόσταση επί των φασματικών τιμών, που μας επιβεβαίωσε τις σημαντικές διαφορές μεταξύ των ειδών των υπό εξέταση ενδιαιτημάτων. Ο υπολογισμός της απόστασης Hausdorff χρησιμοποιείται για ποσοτική σύγκριση και διακρίνεται στην κλασσική (μέγιστη) και τη μέση. Πρόκειται για εργαλείο υπολογισμού απόστασης καμπύλων, επιφανειών και πολύπλοκων γεωμετρικών -συνεχών ή διακριτών- αντικειμένων. Συνολικά, η ερευνητική μας μεθοδολογία αποτυπώνεται στην Εικόνα 2.
3.4. Αποτελέσματα ταξινόμησης οικοτόπων
Στην περιοχή μελέτης διακρίθηκαν τέσσερις διαφορετικοί τύποι δασικής βλάστησης (οικότοποι). Τρεις αντιπροσωπεύουν οικοτόπους Natura 2000 (οι υπ’ αρ. 9130, 9180 & 9410) και ένας υποδηλώνει φυτεμένα (δευτερογενή) δάση ερυθρελάτης, βλ. Πίνακα 1.
Οι αναλύσεις συστάδων έδειξαν στενή σχέση ειδών μεταξύ των δασών κωνοφόρων και των μεικτών δασών, που χωρίστηκαν στο πρώτο βήμα με βάση το υψηλότερο επίπεδο διαφοροποίησης. Η περαιτέρω διαίρεση οδήγησε στη δημιουργία 4 συστάδων. Η καταλληλότητα της διαίρεσης επιβεβαιώθηκε από τους ελέγχους PERMANOVA (βλ. Εικόνα 3).
Ένα αντιπροσωπευτικό μέρος της περιοχή μελέτης με τμήματα δασικών οικοτόπων-στόχων παρουσιάζεται στην Εικόνα 4.
4. Συμβολή Τηλεπισκόπησης
Η ακριβής και ταχεία εξαγωγή πληροφοριών για τη βλάστηση από μία εικόνα, ειδικά όταν πρόκειται για μεγάλες εκτάσεις με υψηλή συχνότητα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για την προστασία της βιοποικιλότητας, τη διατήρηση της κοινωνικής σταθερότητας και την προώθηση της οικονομικής ανάπτυξης. Γενικά, η σύνδεση μεταξύ της φυτοκοινωνιολογικής προσέγγισης και των τεχνικών τηλεπισκόπησης οδηγεί σε νέες δυνατότητες ακριβούς χαρτογράφησης δασικών περιβαλλόντων και μπορεί να έχει συμβολή σε μελλοντικές μελέτες βοτανολογίας και οικολογίας. Βέβαια, σε ζητήματα προστασίας του περιβάλλοντος, η χρήση της τηλεπισκόπησης καθιστά μια πρόκληση, λόγω της πολυπλοκότητας της φύσης.
