Ανάπτυξη αυτοματοποιημένων μεθόδων τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση ξυλώδους όγκου δασικών οικοσυστημάτων

Abstract

Knowledge of forest parameters is essential for monitoring and management of forest ecosystems. It is important at a regional scale (i.e. due to forest management plans) as well as at a global scale (i.e. due to climate change). The evolution in the sector of satellite imaging systems, commercial software processing and analysis of remote sensing images and Geographic Information Systems have provided new opportunities in research. In this context, the development of automated remote sensing methods was attempted for calculating parameters in order to estimate wood volume of forest stand trees. The proposed methodology was developed and evaluated in study areas considering the most important Greek tree species. Therefore, Mediterranean forest ecosystems, being the wider geographical area of this research, and the main Greek forest tree species were presented. In the up to now wood volume estimation approaches, field measurements have been extensively used. This creates the premise and the restriction of field data in order to estimate wood volume. As a result, e.g. wood volume cannot be assessed in inaccessible areas, because field data cannot be collected. The aforementioned facts gave the motivation for the development of automated methods in this research, which help in the improvement and the strengthening of others’ weak points. The results of the required bibliographical research were presented thoroughly. In the survey for the development of these methods, a theoretical investigation for the use of remote sensing stereo images was conducted. An evaluation of the Cartosat-1 stereoimage usability in forest tree height information extraction was carried out. Height information extraction is quite expensive while requires the processing of other data types in order to acquire the necessary accuracy and detail (active remote sensing systems), making the procedure more complicated. Therefore, particular emphasis was given to the assessment of wood volume using monoscopic satellite images. The development of the proposed methodology was performed using a Quickbird-2 image, with a spatial resolution of 0.6m in the Pentalofo forest area (Kozani). The evaluation of the results was based on accurate and detailed field data, recorded by the Tsotyli Forest Service. The tree species under study was black pine (Pinus nigra). In order to generally evaluate the proposed methodology, it was applied in other study areas, in different forests, and on different tree species. More specifically the tree species were calabrian pine (Pinus brutia) and oak (Quercus conferta), situated in the Taxiarchis and Palaiokastro forest regions. In this way, the transferability in terms of geographical area and tree species was examined. Moreover, during the evaluation, a different Quickbird-2 image was utilized. The results of the proposed methodology, developed in this dissertation, were very encouraging and show its potential.

Η γνώση των δασικών παραμέτρων είναι απαραίτητη για την παρακολούθηση και τη διαχείριση των δασικών οικοσυστημάτων. Είναι σημαντική σε τοπικό επίπεδο (διαχειριστικές μελέτες), αλλά και σε παγκόσμιο (κλιματική αλλαγή). Η εξέλιξη των δορυφορικών συστημάτων απεικόνισης, των εμπορικών λογισμικών επεξεργασίας και ανάλυσης τηλεπισκοπικών εικόνων και των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών παρέχουν νέες δυνατότητες έρευνας. Σ’ αυτό το πλαίσιο επιχειρήθηκε η ανάπτυξη αυτοματοποιημένων μεθόδων τηλεπισκόπησης, για τον υπολογισμό παραμέτρων με σκοπό την εκτίμηση του ξυλώδους όγκου δέντρων δασικών συστάδων. Η ανάπτυξη και αξιολόγηση των μεθόδων έγινε λαμβάνοντας υπόψη τα κυριότερα ελληνικά είδη δέντρων. Γι’ αυτό παρουσιάζονται τα μεσογειακά δασικά οικοσυστήματα, που αποτελούν τον ευρύτερο γεωγραφικό χώρο μελέτης της παρούσας έρευνας καθώς και τα κυριότερα ελληνικά δασοπονικά είδη. Στις έως τώρα προσεγγίσεις εκτίμησης του ξυλώδους όγκου έχουν χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα μετρήσεις πεδίου. Αυτό δημιουργεί την προϋπόθεση και τον περιορισμό ύπαρξης μετρήσεων πεδίου για την εκτίμηση του ξυλώδους όγκου. Ως αποτέλεσμα, δεν μπορεί να γίνει π.χ. εκτίμηση ξυλώδους όγκου σε δυσπρόσιτες περιοχές, γιατί σ’ αυτές δε μπορούν να συλλεχθούν δεδομένα πεδίου. Τα παραπάνω αποτέλεσαν κίνητρο για την ανάπτυξη αυτοματοποιημένων μεθόδων στην παρούσα έρευνα, καθώς η ανάπτυξή τους έρχεται να καλύψει, να βελτιώσει και να ενισχύσει αδύναμα σημεία άλλων. Τα αποτελέσματα της απαιτούμενης βιβλιογραφικής έρευνας που έγινε, παρουσιάζονται διεξοδικά. Μέσα στο πλαίσιο έρευνας για την ανάπτυξη αυτών των μεθόδων διερευνήθηκε θεωρητικά η δυνατότητα χρήσης στερεοεικόνων. Επίσης, έγινε μια αξιολόγηση της δυνατότητας χρήσης στερεοεικόνων Cartosat-1 για την εξαγωγή πληροφορίας ύψους των δασικών δέντρων. Η εξαγωγή της παραμέτρου του ύψους είναι αρκετά δαπανηρή, ενώ ταυτόχρονα απαιτεί την επεξεργασία και δεδομένων άλλου τύπου, προκειμένου να εξασφαλιστεί η απαραίτητη ακρίβεια και λεπτομέρεια (ενεργητικά τηλεπισκοπικά συστήματα καταγραφής), κάνοντας πιο πολύπλοκη τη διαδικασία εξαγωγής της. Γι’ αυτό, δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην εκτίμηση του ξυλώδους όγκου με τη χρήση μονοεικονικών δορυφορικών εικόνων. Η ανάπτυξη της προτεινόμενης μεθοδολογίας έγινε με τη χρήση μιας συνθετικής εικόνας Quickbird-2, χωρικής ανάλυσης 0,6m, σε περιοχή του δάσους Πενταλόφου Κοζάνης. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων βασίστηκε σε ακριβή και λεπτομερή δεδομένα πεδίου, που καταγράφηκαν από το δασαρχείο Τσοτυλίου. Το είδος δέντρων ήταν η μαύρη πεύκη (Pinus nigra). Με σκοπό την αξιολόγησή της, η μεθοδολογία εφαρμόστηκε και σε άλλες περιοχές μελέτης, σε διαφορετικά δάση και σε διαφορετικά είδη δέντρων. Πιο συγκεκριμένα στα είδη τραχείας πεύκης (Pinus brutia) και δρυός (Quercus conferta) και στις περιοχές Ταξιάρχη και Παλαιοκάστρου. Μ’ αυτόν τον τρόπο, εξετάστηκε η δυνατότητα μεταφοράς της ως προς τον χώρο και το είδος δασικών δέντρων. Επίσης, κατά την αξιολόγησή της χρησιμοποιήθηκε διαφορετική δορυφορική εικόνα Quickbird-2. Τα αποτελέσματα της προτεινόμενης μεθοδολογίας ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά και δείχνουν τις δυνατότητες εφαρμογής της.