Mediterranean forest species mapping using hyperspectral imagery

Abstract

Mediterranean forests, although a small fraction of the world's forest cover, need to be understood, described and monitored in order to be preserved. Spatial information about their location, their extent, their structure and their biodiversity, among others, is necessary and traditionally gathered in every available way. In particular, forest species mapping is an objective and a prerequisite in various applications that span in the fields of ecology, biology, forestry and agriculture, such as resource inventories, biodiversity assessment, fire hazard assessment, conservation planning, assessment of per-species carbon sequestration etc. Adding to that, forest species information is also essential for the national reporting obligations towards national and international policies, such as the UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) and its Kyoto Protocol, the UN Convention on Biological Diversity (UNCBD), the UN Collaborative Programme on Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation in Developing Countries (UN-REDD), the Ministerial Conference on the Protection of Forests in Europe (MCPFE), and the Streamlining European 2010 Biodiversity Indicators (SEBI2010). Advances in hyperspectral technology provide researchers with an opportunity to explore challenges that were either difficult or impossible to approach using multispectral data, including forest species mapping. This study examines the mapping of Mediterranean forest species, based on EO-1 Hyperion satellite spectral imagery (30m, 196 channels). Two pixel-level analysis methodologies were evaluated, based on Spectral Angle Mapper (SAM) and Support Vector Machines (SVM), as well as an object-based analysis methodology (GEOBIA). These were applied in two study areas with different species composition spatial patterns, namely the island of Thasos and Taxiarchis in Chalkidiki. Extensive fieldwork provided the reference data for estimating the accuracy of the maps. The preprocessing phase included correction steps and reduction of the hyperspectral dimension. In the case of Thasos, where there were two species of pine, the methodologies with SAM, SVM and GEOBIA, achieved overall accuracy of 94%, 89% and 85.3% respectively. In the case of Taxiarchis, where more species were present, the overall accuracy achieved was 80%, 82.6% and 74.1%. All three developed methodologies achieved very accurate results, in some cases comparable to forest inventory maps. The first (SAM) was the simplest to implement while the second required both a series of configurations and custom software. The lowest accuracy of the latest methodology (GEOBIA) can be attributed to the way accuracy is estimated, since in the case of object-based analysis, alternative methods of accurate accuracy estimation are still being investigated. The result of the proposed methodologies can meet the current needs for spatial vegetation data, both regionally and nationally. They also demonstrate the value of satellite hyperspectral imagery in mapping Mediterranean forest species.

Τα Μεσογειακά δάση, παρότι είναι ένα μικρό κλάσμα της παγκόσμιας δασικής κάλυψης, χρειάζεται να γίνουν κατανοητά και να παρακολουθούνται ώστε να είναι δυνατή η διατήρησή τους. Χωρική πληροφορία, σχετικά με τη θέση τους, την έκτασή τους, τη δομή τους και τη βιοποικιλότητά τους, μεταξύ άλλων, είναι απαραίτητη και παραδοσιακά συγκεντρώνεται με κάθε διαθέσιμο τρόπο. Συγκεκριμένα, η χαρτογράφηση δασικών ειδών είναι απαιτούμενο και προϋπόθεση για ένα εύρος εφαρμογών στους τομείς της οικολογίας, βιολογίας, δασοκομίας και γεωργίας, όπως απογραφές, εκτίμηση βιοποικιλότητας, εκτίμηση κινδύνου πυρκαϊάς, σχεδιασμός πολιτικών προστασίας, διαχείριση φυσικών κινδύνων, παρακολούθηση αλλαγών και εκτίμηση δέσμευσης άνθρακα. Επιπρόσθετα, πληροφορίες για τα δασικά είδη είναι απαραίτητες για τις εθνικές υποχρεώσεις υποβολής εκθέσεων βάσει εθνικών και διεθνών πολιτικών, όπως η Σύμβαση Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για την Κλιματική Αλλαγή (UNFCCC) και το Πρωτόκολλο του Κιότο, η Σύμβαση του ΟΗΕ για τη Βιοποικιλότητα (UNCBD), το Συνεργατικό Πρόγραμμα για τη Μείωση των Εκπομπών από την Αποδάσωση και την Υποβάθμιση των Δασών στις Αναπτυσσόμενες χώρες του ΟΗΕ (UN-REDD), η Υπουργική Διάσκεψη για την Προστασία των Δασών στην Ευρώπη (MCPFE) και ο Εξορθολογισμός των ευρωπαϊκών δεικτών βιοποικιλότητας 2010 (SEBI2010). Η πρόοδος της υπερφασματικής τεχνολογίας παρέχει στους ερευνητές την ευκαιρία να διερευνήσουν προβλήματα που ήταν είτε δύσκολο είτε αδύνατο να προσεγγίσουν με χρήση πολυφασματικών δεδομένων, μεταξύ των οποίων και η χαρτογράφηση δασικών ειδών. Η παρούσα μελέτη εξετάζει τη χαρτογράφηση Μεσογειακών δασικών ειδών με βάση δορυφορική υπερφασματική εικόνα EO-1 Hyperion (30μ, 196δίαυλοι). Αξιολογήθηκαν δυο μεθοδολογίες ανάλυσης σε επίπεδο εικονοστοιχείου, συγκεκριμένα με βάση το Χαρτογράφο Φασματικής Γωνίας (Spectral Angle Mapper - SAM) και τις Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης (Support Vector Machines - SVM), όπως επίσης και μία μεθοδολογία αντικειμενοστρεφούς ανάλυσης (GEOBIA). Αυτές εφαρμόστηκαν σε δύο περιοχές μελέτης με διαφορετική σύνθεση και χωρικό μοτίβο ειδών, τη νήσο Θάσο και τον Ταξιάρχη Χαλκιδικής. Εκτενής εργασία πεδίου παρείχε τα δεδομένα αναφοράς για την εκτίμηση ακρίβειας των χαρτών. Το στάδιο της προεπεξεργασίας περιελάμβανε βήματα διορθώσεων και μείωση υπερφασματικής διάστασης. Στην περίπτωση της Θάσου, όπου υπήρχαν δύο είδη πεύκης, οι μεθοδολογίες με SAM, SVM και GEOBIA, πέτυχαν ολική ακρίβεια 94%, 89% και 85,3% αντίστοιχα. Στην περίπτωση του Ταξιάρχη, όπου υπήρχαν περισσότερα είδη, οι αντίστοιχες ολικές ακρίβειες που επιτεύχθηκαν ήταν 80%, 82,6% και 74,1%. Και οι τρεις μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν πέτυχαν πολύ ακριβή αποτελέσματα, σε μερικές περιπτώσεις εφάμιλλα χαρτών δασικής απογραφής. Η πρώτη (SAM) ήταν η πιο απλή στην εφαρμογή ενώ για τη δεύτερη χρειάστηκαν τόσο μια σειρά από παραμετροποιήσεις όσο και προσαρμοσμένο λογισμικό. Οι χαμηλότερες ακρίβειες της τελευταίας μεθοδολογίας (GEOBIA) μπορούν να αποδοθούν στον τρόπο εκτίμησής της, αφού στην περίπτωση της αντικειμενοστρεφούς ανάλυσης ερευνώνται ακόμα εναλλακτικές μέθοδοι εκτίμησης ακρίβειας, καλύτερα προσαρμοσμένες στη φύση του χώρου των αντικειμένων. Το αποτέλεσμα των προτεινόμενων μεθοδολογιών είναι δυνατό να καλύψουν τις τρέχουσες ανάγκες για γεωγραφικά δεδομένα βλάστησης, τόσο σε περιφερειακή όσο και σε εθνική κλίμακα. Επίσης, καταδεικνύουν την αξία των δορυφορικών υπερφασματικών εικόνων στη χαρτογράφηση δασικών ειδών της Μεσογείου.