Ανάπτυξη μεθόδων εκτίμησης της δασικής βιομάζας με χρήση δεδομένων Radar και LiDAR
Authors: Γεωργόπουλος Νικόλαος 
Published: October 2023

Η δασική βιομάζα αποτελεί ένα από τα βασικά στοιχεία του παγκόσμιου κύκλου του άνθρακα και διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στον μετριασμό των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Κατά συνέπεια, η εκτίμηση της υπέργειας βιομάζας αλλά και των μερών της αποτελεί θεμέλιο της αειφορικής και προσαρμοστικής διαχείρισης των δασικών οικοσυστημάτων. Ωστόσο, η εκτίμηση της δασικής βιομάζας αποτελεί μία εξαιρετικά χρονοβόρα και απαιτητική διαδικασία, παρουσιάζοντας σημαντικούς χωρικούς και χρονικούς περιορισμούς.Οι σύγχρονες τεχνολογίες τηλεπισκόπησης συμβάλουν στην αντιμετώπιση των περιορισμών αυτών, παρέχοντας αξιόπιστες και έγκυρες πληροφορίες για τη δασική βιομάζα. Τις τελευταίες δεκαετίες, με τη ραγδαία τεχνολογική ανάπτυξη των αισθητήρων, η τηλεπισκόπηση έχει καταστεί ως βασικό εργαλείο για την εκτίμηση της δασικής βιομάζας τόσο σε παγκόσμια όσο και σε τοπική κλίμακα. Κύριος σκοπός της παρούσας διδακτορικής έρευνας είναι η διερεύνηση της αξιοποίησης σύγχρονων τηλεπισκοπικών δεδομένων για την εκτίμηση της δασικής βιομάζας σε διαχειριζόμενα δάση με σύνθετη δομή. Η έρευνα εστιάζει στην ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών για την εκτίμηση όλων των μερών της υπέργειας δασικής βιομάζας (κορμός, κλαδιά, φύλλα, φλοιός, νεκρά κλαδιά), τόσο σε επίπεδο ατόμου όσο και σε επίπεδο δειγματοληπτικής επιφάνειας, μέσα από την αξιοποίηση των δυνατοτήτων που προσφέρονται από τους αισθητήρες LiDAR, ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR). Οι επιμέρους στόχοι της έρευνας είναι οι εξής: α) η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την εκτίμηση της βιομάζας ιστάμενων κορμών με τη χρήση πολυφασματικών δεδομένων LiDAR, β) Η διερεύνηση της δυνατότητας εκτίμησης της βιομάζας κορμού σε επίπεδο επιφάνειας με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων Sentinel-1 και Sentinel-2 σε δάση κωνοφόρων με σύνθετη δομή και ανάγλυφο γ) η ανάπτυξη μεθοδολογίας εκτίμησης της βιομάζας κόμης σε επίπεδο ατόμου σε κηπευτό ελατοδάσος με τη χρήση εναέριων δεδομένων LiDAR, δ) η διερεύνηση της δυνατότητας εκτίμησης της υπέργειας δασικής βιομάζας με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων LiDAR.Η υλοποίηση του πρώτου στόχου ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας των πολυφασματικών δεδομένων LiDAR να παρέχουν αξιόπιστες εκτιμήσεις της έμφλοιας και άφλοιας βιομάζας κορμού σε επίπεδο δένδρου σε ένα δάσος με σύνθετη δομή και πολύπλοκη τοπογραφία. Αξιοποιήθηκαν πέντε διαφορετικοί αλγόριθμοι παλινδρόμησης για την εκτίμηση της βιομάζας στο επίπεδο δένδρου χρησιμοποιώντας μετρικές που προέρχονται από τα δεδομένα LiDAR, όπως ύψος και ένταση. Ο δεύτερος στόχος αφορούσε την εκτίμηση της βιομάζας του κορμού με τη χρήση οπτικών δεδομένων Sentinel-2 και δεδομένων SAR Sentinel-1 σε επίπεδο επιφάνειας, η οποία αποτελεί το κυρίαρχο υλικό της υπέργειας βιομάζας μεταξύ των διαφόρων μερών των δέντρων. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση παλινδρόμησης με τον αλγόριθμο τυχαίου δάσους για την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης της βιομάζας κορμού χρησιμοποιώντας εικόνες Sentinel-1 και -2 μεμονωμένα και συνδυαστικά, δημιουργώντας τρία μοντέλα παλινδρόμησης τα οποία αξιολογήθηκαν για την προγνωστική τους απόδοση μέσω της μεθόδου διασταυρούμενης επικύρωσης k-fold. Για την επίτευξη του τρίτου στόχου αξιοποιήθηκαν πολυφασματικά δεδομένα LiDAR και καταστρεπτικές μετρήσεις πεδίου για την εκτίμηση της βιομάζας των βασικών μερών της κόμης σε επίπεδο ατόμου. Χρησιμοποιήθηκε μια σειρά αλγορίθμων μηχανικής μάθησης για την εκτίμηση της βιομάζας κλαδιών (νεκρά και ζωντανά) και βελονών ελάτης, τα αποτελέσματα των οποίων ελέγχθηκαν με τη χρήση ανεξάρτητου δείγματος ελέγχου. Ο τελευταίος στόχος της διατριβής περιελάβανε τη χρήση δορυφορικών δεδομένων LiDAR για την εκτίμηση της υπέργειας δασικής βιομάζας, αξιοποιώντας τα παραγόμενα μοντέλα εκτίμησης βιομάζας των εναέριων LiDAR ως δεδομένα αναφοράς. Εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος τυχαίου δάσους για την εκτίμηση των βασικών μερών της υπέργειας βιομάζας και εξετάστηκε η συμβολή του ανάγλυφου και της πυκνότητας βιομάζας στις εκτιμήσεις.Τα αποτελέσματα όλων των παραπάνω στόχων και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτά αναδεικνύουν τη σημαντική συμβολή της τηλεπισκόπησης, και συγκεκριμένα των ενεργητικών αισθητήρων, στην εκτίμηση της δασικής βιομάζας. Η αξιοποίηση των παραπάνω μεθόδων δύναται να βελτιώσει την καταγραφή και εκτίμηση των αποθεμάτων άνθρακα τόσο σε τοπικό, όσο και σε εθνικό επίπεδο.