Τεχνικές τηλεπισκόπησης για την ανάδειξη της δυναμικής και των χαρακτηριστικών της μεσογειακής βλάστησης

Abstract

This thesis intends to highlight the characteristics and dynamics of the Mediterranean vegetation using Remote Sensing methods and techniques. Vegetation characteristics are inextricably linked to the pigments and biochemical properties of the vegetation. These parameters cannot be precisely captured even by the most modern satellite remote sensing instruments, as these have certain limitations in terms of spatial and spectral resolution. Hyperspectral sensors mounted on aircraft or other monitoring platforms is a source of high-resolution data with a good balance of the above discriminative capabilities. Remote Sensing instruments present errors and noise which are more noticeable for images with very high spatial and spectral resolution such as those of airborne hyperspectral sensors, with a consequent degradation of the quality of the images and a relative impact on the accuracy of the image processing and the analysis results. Vegetation dynamics are inextricably linked to factors such as climate, abiotic environment and biotic interactions. Understanding how these factors interrelate and influence species coexistence and productivity is an important subject of contemporary research. Atmosphere, soil, water and vegetation are key, dynamic abiotic and biotic factors whose evolution over time can now be recorded with modern satellite remote sensing instruments.The purpose of this thesis is to portray the Mediterranean vegetation, its characteristics and dynamics, through state-of-the-art Remote Sensing techniques, such as:1. the detection, quantification and restoration of the spectral curvature effect (spectral smile), a common type of radiometric distortion encountered in remote sensing data;2. the creation of a field-measured spectral library for the most common types of Mediterranean forest vegetation, that is compatible with all known spectral libraries of materials, as well as its integration in a graphical interface that facilitates its use.3. the use of appropriate vegetation indicators and pigment indicators (chlorophyll, xanthophyll, carotenoids, anthocyanins and other nitrogen-rich compounds) from spectral regions (channels) which reveal characteristic biophysical properties through the reflectance variations of the various vegetation species,4. the implementation of spectral unmixing, through techniques for reducing the dimension of hyperspectral data, exploiting the information of the spectral absorption zones of the vegetation and investigating the effects of band selection on endmember extraction. 5. the estimation of the abundance of materials (the last step of the linear spectral unmixing) with Bayesian inference and their penalization, for dealing with multicollinearity and producing biodiversity measurement maps6. the analysis of time values evolution, variability and autoregressions of Land Surface Temperature (LST) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), in order to study how vegetation is affected by climate change and to identify potential disturbances (e.g. phenological changes) due to the occurrence of changes in their decomposition components, which can be interpreted by the effects of biotic and abiotic factors, in the species of Mediterranean vegetation.

Η διατριβή διαπραγματεύεται την ανάδειξη των χαρακτηριστικών και της δυναμικής της Mεσογειακής βλάστησης με χρήση μεθόδων και τεχνικών Τηλεπισκόπησης. Τα χαρακτηριστικά της βλάστησης είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με τις χρωστικές ουσίες και τις βιοφυσικές ιδιότητες της βλάστησης. Οι παράμετροι αυτοί δεν είναι εύκολο να καταγραφούν με πολύ υψηλή ακρίβεια ακόμη και από τους πλέον σύγχρονους δορυφορικούς τηλεπισκοπικούς δέκτες, επειδή αυτοί έχουν περιορισμούς ως προς τη χωρική και φασματική διακριτική ικανότητα. Η χρήση αερομεταφερόμενων υπερφασματικών δεκτών αποτελεί μια πηγή δεδομένων υψηλής ανάλυσης με καλή ισορροπία ως προς τις παραπάνω διακριτικές ικανότητες. Όμως οι υπερφασματικοί δέκτες παρουσιάζουν σφάλματα και θόρυβο, τα οποία γίνονται περισσότερο αισθητά στις απεικονίσεις με πολύ υψηλές χωρικές και φασματικές διακριτικές ικανότητες όπως αυτές που έχουν ληφθεί από αερομεταφερόμενα μέσα, με συνέπεια τη ραδιομετρική υποβάθμιση της ποιότητας των απεικονίσεων και σχετικό αντίκτυπο στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων επεξεργασίας και ανάλυσης της υπερφασματικής απεικόνισης. Η ραδιομετρική διόρθωση των υπερφασματικών απεικονίσεων και η επεξεργασία τους για α) την ανίχνευση των χρωστικών μέσω συγκεκριμένων καναλιών καθώς και μέσω δεικτών βλάστησης και β) την αναγνώριση των διαφορετικών ειδών δασικής βλάστησης, ως μέτρο της βιοποικιλότητας, μέσω του φασματικού διαχωρισμού, είναι πεδία έρευνας που απασχολούν έντονα την επιστημονική κοινότητα.Από την άλλη μεριά, η δυναμική της βλάστησης είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με παράγοντες όπως το κλίμα, το αβιοτικό περιβάλλον και οι βιοτικές αλληλεπιδράσεις. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτοί οι παράγοντες συσχετίζονται και επηρεάζουν τη συνύπαρξη και την παραγωγικότητα των ειδών είναι ένα σημαντικό αντικείμενο της σύγχρονης έρευνας, ιδιαίτερα σήμερα που αρχίζουν να γίνονται φανερές οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. Η ατμόσφαιρα, το έδαφος, το νερό και η βλάστηση αποτελούν βασικούς, δυναμικούς αβιοτικούς και βιοτικούς παράγοντες που πλέον με τους σύγχρονους δορυφορικούς τηλεπισκοπικούς δέκτες μπορεί να καταγραφεί η εξέλιξή τους στο χρόνο. Σκοπός της διατριβής είναι να αναδείξει τη μεσογειακή βλάστηση, τα χαρακτηριστικά και τη δυναμικής της, μέσα από σύγχρονες τεχνικές Τηλεπισκόπησης, όπως είναι :1. η ανίχνευση, ο ποσοτικός προσδιορισμός και η αποκατάσταση του φαινομένου της φασματικής καμπυλότητας (φασματικό χαμόγελο), ενός διαδεδομένου τύπου ραδιομετρικού σφάλματος των τηλεπισκοπικών δεκτών,2. η δημιουργία βιβλιοθήκης φασματικών υπογραφών με μετρήσεις πεδίου για τα πιο συνηθισμένα είδη μεσογειακής δασικής βλάστησης, η οποία είναι συμβατή με όλες τις γνωστές βιβλιοθήκες φασματικών υπογραφών υλικών, καθώς και η δημιουργία μιας λειτουργικής γραφικής διεπαφής που διευκολύνει την χρήση της,3. η αξιοποίηση κατάλληλων δεικτών βλάστησης και δεικτών χρωστικών (χλωροφύλλη, ξανθοφύλλη, καροτενοειδή, ανθοκυανίνες και άλλες πλούσιες σε άζωτο ενώσεις) από φασματικές περιοχές (κανάλια) οι οποίες αποκαλύπτουν χαρακτηριστικές βιοφυσικές ιδιότητες μέσω διαφοροποιήσεων στην ανακλαστικότητα των διαφόρων ειδών βλάστησης,4. η υλοποίηση του φασματικού διαχωρισμού, μέσω τεχνικών μείωσης της διάστασης των υπερφασματικών δεδομένων, αξιοποιώντας τις πληροφορίες των φασματικών περιοχών απορρόφησης της βλάστησης και διερευνώντας τις επιπτώσεις της επιλογής καναλιών στην εξαγωγή καθαρών στόχων,5. η εκτίμηση της αφθονίας των υλικών -του τελευταίου βήματος του γραμμικού φασματικού διαχωρισμού- με Μπεϋζιανή συμπερασματολογία και η ποινικοποίησή τους, για να αντιμετωπιστεί το φαινόμενο της πολυσυγγραμμικότητας και να παραχθούν χάρτες μέτρησης της βιοπικοιλότητας,6. η ανάλυση της εξέλιξης των χρονοτιμών, της μεταβλητότητας και των αυτοπαλίνδρομων της θερμοκρασίας εδάφους (LST) και του δείκτη βλάστησης (NDVI) ώστε να μελετηθεί ο τρόπος που επηρεάζεται η βλάστηση από την κλιματική αλλαγή και να ανιχνευθούν πιθανές διαταραχές (π.χ. φαινολογικές μεταβολές) λόγω εμφάνισης μεταβολών στις συνιστώσες της αποσύνθεσής τους, οι οποίες μπορούν να ερμηνευθούν από επιδράσεις βιοτικών με αβιοτικούς παράγοντες, στα είδη της μεσογειακής βλάστησης.