Αξιολόγηση και χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση της δυναμικής χερσαίων οικοσυστημάτων

Abstract

The present study explores the potentials of multispectral and hyperspectral remote sensing imageryin the study of dynamic vegetation parameters. Initially, current multispectral satellite (AVHRR, SPOTVGT, MODIS) products were evaluated and then they were used for the study of a forest ecosystem(Quercus sp.) temporal dynamics and the development of a gross primary productivity (GPP) model(ModSat). Afterwards, the multiangle hyperspectral data of the experimental satellite CHRIS/PROBAwere processed and evaluated and an annual experimental study of irrigation treatments on anorange orchard (Citrus sinensis) was implemented through aerial high resolution narrowbandmultispectral data. In order to evaluate the remote sensing data and calibrate ModSat model, a seriesof ground ecophysiological measurements were carried out in two forests (Fagus sylvatica, Quercussp.) and a shrubland (Phlomis fruticosa). Meteorological stations (temperature, PAR, precipitation)were also installed near the study sites.The vegetation indices that were extracted from the satellite multispectral products proved to beefficient in detecting the fluctuations of ground measured leaf area index (LAI). More specifically,vegetation indices RDVI and OSAVI yielded the optimum correlations with LAI, while the widely usedvegetation index NDVI showed low sensitivity in cases of high LAI fluctuations. NDWI, an index thatwas designed to detect vegetation water status, was proved to be affected in greater degree bycanopy variations than the actual plant water status.The long NDVI time-series archive of NOAA AVHRR (1981 – 2006) showed strong trends of growthstart date shifting earlier and a gradual increase of winter NDVI values over the years in the Quercussp. forest that are possibly related to climate change. Furthermore, the comparison of satellite withthe meteorological archive revealed that precipitation of August affects positively the growth of thenext period, while temperature of August and the following months affects it negatively. Precipitationof winter months (January-February) has positive effect in the length of the following growth period.The above findings are connected to the tree internal processes that occur at the end of every growthperiod and the enrichment of the aquifer every winter.ModSat model proved to be effective in capturing the fluctuations of GPP in all functional types thatwas implemented on. Contrarily, the corresponding NASA product presented serious repetitiveaccuracy deficiencies. ModSat effectiveness indicates that the implication of oversized databasesand heavy data processing routines are not crucial for the production of accurate GPP estimations inhigh spatial scale.Satellite multiangular hyperspectral and aerial high resolution narrowband multispectral data offerenhanced possibilities in detailed detection and discrimination of vegetation parameters and in theapplication of more advanced data analysis methods compared to satellite multispectral products.Specifically, hyperspectral data, apart from estimating accurately LAI fluctuations, are capable ofdetecting leaf pigment concentrations, vegetation water status and even light use efficiency (ε) by thevegetation canopy. Thus, they offer the perspective of a direct GPP estimation by satellite data.However, soil reflectance affects greatly the effectiveness of vegetation indices, therefore highobservation angles of the sensor appear to be more suitable, eliminating canopy gap effects.Contrarily, internal canopy shadowing does not seriously affect the effectiveness of most vegetationindices.

Στην μελέτη αυτή διερευνήθηκαν οι δυνατότητες που προσφέρουν τα πολυφασματικά και ταυπερφασματικά δεδομένα τηλεπισκόπησης στην μελέτη δυναμικών παραμέτρων της βλάστησης.Αρχικά, αξιολογήθηκαν τρέχοντα προϊόντα δορυφορικών πολυφασματικών αισθητήρων (AVHRR,SPOT VGT, MODIS). Μέσω αυτών μελετήθηκε η δυναμική ενός δασικού οικοσυστήματος (Quercussp.) στο χρόνο και αναπτύχθηκε ένα μοντέλο εκτίμησης ολικής πρωτογενούς παραγωγικότητας(ModSat). Στη συνέχεια, αξιολογήθηκαν τα πολυγωνιακά δεδομένα του πειραματικούυπερφασματικού δορυφόρου CHRIS/PROBA και διεξήχθη μια ετήσια πειραματική μελέτη χειρισμώνάρδευσης ενός πορτοκαλεώνα (Citrus sinensis) μέσω εναέριων πολυφασματικών δεδομένων στενώνκαναλιών πολύ υψηλής χωρικής διακριτικότητας. Για την αξιολόγηση των τηλεπισκοπικώνδεδομένων καθώς και την βαθμονόμηση του μοντέλου ModSat εκτελέσθηκαν επίγειεςοικοφυσιολογικές μετρήσεις σε δυο δασικά (Fagus sylvatica, Quercus sp.) και ένα θαμνώδεςοικοσύστημα (Phlomis fruticosa) επί σειρά ετών. Επίσης, εγκαταστάθηκαν μετεωρολογικοί σταθμοί(θερμοκρασία, PAR, βροχόπτωση) πλησίον των περιοχών μελέτης.Οι δείκτες βλάστησης που υπολογίσθηκαν από τα δορυφορικά πολυφασματικά προϊόντααποδείχθηκαν ικανοί για την αποτύπωση των διακυμάνσεων του μετρημένου επίγεια δείκτη φυλλικήςεπιφάνειας (LAI). Συγκεκριμένα, οι δείκτες βλάστησης RDVI και OSAVI απέδωσαν τις βέλτιστεςσυσχετίσεις με τον LAI, ενώ ο πιο διαδεδομένος δείκτης βλάστησης NDVI φάνηκε να χάνει τηνευαισθησία του σε περιπτώσεις που ο LAI κυμαίνεται σε υψηλές τιμές. Ο δείκτης NDWI, πουπροορίζεται για την αποτύπωση της υδατικής κατάστασης της βλάστησης, αποδείχθηκε ότιεπηρεάζεται σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από τις αναπτυξιακές διακυμάνσεις του θόλου παρά απότην υδατική κατάσταση των φυτών.Στο μεγάλο αρχείο NDVI των δορυφόρων NOAA AVHRR (1981 – 2006) παρατηρήθηκε μια ισχυρήτάση μετατόπισης της ημερομηνίας έναρξης της αναπτυξιακής περιόδου του δάσους Quercus sp.νωρίτερα με την πάροδο των ετών καθώς και σταδιακή αύξηση των χειμερινών τιμών NDVI,φαινόμενα τα οποία πιθανότατα σχετίζονται με τις κλιματικές αλλαγές. Επίσης, η σύγκριση τουδορυφορικού με το μετεωρολογικό αρχείο έδειξε ότι η βροχόπτωση του Αυγούστου επιδρά θετικάστην ανάπτυξη της επόμενης περιόδου, ενώ η θερμοκρασία του Αυγούστου και των ακόλουθωνμηνών επιδρά αρνητικά σε αυτή. Η βροχόπτωση και η χιονόπτωση των χειμερινών μηνών(Ιανουάριος-Φεβρουάριος) επιδρούν θετικά στην επιμήκυνση της ακόλουθης αναπτυξιακήςπεριόδου. Τα παραπάνω συνδέονται με τις εσωτερικές διεργασίες των δέντρων που λαμβάνουνχώρα στα τέλη κάθε αναπτυξιακής περιόδου και τον εμπλουτισμό του υδροφόρου ορίζοντα κάθεχειμώνα.Το μοντέλο ModSat αποδείχθηκε ικανό για ακριβή περιγραφή των διακυμάνσεων της ολικήςπρωτογενούς παραγωγικότητας (GPP) σε όλους τους λειτουργικούς τύπους βλάστησης πουεφαρμόστηκε. Αντιθέτως, το αντίστοιχο έτοιμο προϊόν της NASA εμφάνισε σοβαρές καιεπαναλαμβανόμενες ελλείψεις στην ακρίβεια των εκτιμήσεων GPP. Η επιτυχία του μοντέλου ModSatυποδεικνύει ότι δεν είναι απαραίτητη η ενσωμάτωση περίπλοκων αλγορίθμων, μεγάλων βάσεωνδεδομένων και βαριών υπολογιστικών επεξεργασιών για την παραγωγή προϊόντων GPP υψηλήςακρίβειας και μεγάλης χωρικής κλίμακας.Τα δορυφορικά υπερφασματικά – πολυγωνιακά δεδομένα και τα εναέρια πολυφασματικά δεδομέναστενών καναλιών υψηλής χωρικής διακριτικότητας αποδείχθηκε ότι προσφέρουν περισσότερεςδυνατότητες σε σχέση με τα δορυφορικά πολυφασματικά προϊόντα τόσο στην αναλυτική εκτίμησηπαραμέτρων της βλάστησης, όσο και στην εφαρμογή πιο προηγμένων μεθόδων ανάλυσης τηςπληροφορίας. Συγκεκριμένα, εκτός από την ακριβή αποτύπωση των διακυμάνσεων του μετρημένουεπίγεια LAI, τα υπερφασματικά δεδομένα είναι ικανά να ανιχνεύσουν τις συγκεντρώσεις τωνφωτοσυνθετικών χρωστικών φύλλου, την υδατική κατάσταση της βλάστησης, ακόμα και τηναποδοτικότητα χρήσης φωτός (ε) από τον θόλο της βλάστησης, παρέχοντας έτσι προοπτικήαπευθείας εκτίμησης της GPP από δορυφορικά δεδομένα. Ωστόσο, φάνηκε ότι η ανακλαστικότητατου εδάφους επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση των δεικτών βλάστησης και επομένως οιυψηλές γωνίες παρατήρησης του αισθητήρα κρίνονται αποδοτικότερες διότι ελαχιστοποιούν ταπαρατηρούμενα κενά στον θόλο. Απεναντίας, οι σκιάσεις εσωτερικά του θόλου δεν επηρεάζουν σεμεγάλο βαθμό την αποτελεσματικότητα των περισσοτέρων δεικτών βλάστησης.