Opracowanie powtarzalnej i wiarygodnej metody mapowania siedlisk przyrodniczych Natura 2000 jest dzisiaj jednym z większych wyzwań ochrony przyrody.
Artykuł opisuje wypracowaną w ramach projektu HabitARS skuteczną metodę mapowania nieleśnych siedlisk przyrodniczych Natura 2000 z wykorzystaniem fuzji danych lotniczych.
Skuteczność metody została potwierdzona na 19 niezależnych obszarach badawczych, 11 siedliskach przyrodniczych Natura 2000, przy wykorzystaniu 44 tysięcy poligonów referencyjnych zebranych w czasie sześciu kolekcji danych i dwóch lat badań przez interdyscyplinarny zespół skupiający dziesiątki specjalistów z zakresu botaniki i teledetekcji.
Jak powstaje mapa siedlisk Natura 2000
Identyfikacja siedlisk przyrodniczych Natura 2000 jest wynikiem pikselowej klasyfikacji nadzorowanej wykorzystującej wielosensorowe dane lotnicze, algorytmy uczenia maszynowego oraz naziemne dane referencyjne. W czasie pojedynczego nalotu pozyskuje się równocześnie dane hiperspektralne o rozdzielczości przestrzennej 1 m z wykorzystaniem sensorów HySpex rejestrujących zakres promieniowania elektromagnetycznego od 400 do 2500 nm, oraz chmurę punktów o gęstości 7 pkt/m2 rejestrowaną z wykorzystaniem skanera Riegl LiteMapper. Termin pozyskania danych jest dostosowany do fenologii głównych gatunków diagnostycznych poszczególnych siedlisk oraz intensywności użytkowania rolniczego danego terenu.
Synchronicznie z nalotem pozyskuje się naziemne dane referencyjne, które służą zarówno do trenowania modelu, jak i do walidacji wyników. Zbieranie naziemnych danych referencyjnych polega na zakładaniu poligonów referencyjnych poprzez rejestrację współrzędnych środka powierzchni wzorcowych w kształcie koła o określonym promieniu.
W trakcie prac terenowych należy założyć poligony referencyjne dla wszystkich siedlisk przyrodniczych, które chcemy wyróżnić na mapie wynikowej oraz pozostałych typów roślinności traktowanej jako tło. W trakcie zakładania poligonu referencyjnego zapisywane są informacje na temat procentowego pokrycia dominujących gatunków roślin oraz ich fazy rozwojowej, a także sposobu użytkowania danego płatu roślinności. Dane referencyjne muszą reprezentować wewnętrzną zmienność analizowanego siedliska/siedlisk Natura 2000, jak również wszystkie inne typy roślinności klasyfikowanej jako tło. Ważną cechą naziemnych danych referencyjnych jest również ich możliwie równomierne rozmieszczenie w granicach analizowanego obszaru.
Klasyfikacja nadzorowana wykonywana jest z wykorzystaniem algorytmu Random Forest. Wynikiem jest wyznaczenie zasięgu występowania każdego z identyfikowanych siedlisk przyrodniczych Natura 2000. Wszystkie płaty roślinności nie będące siedliskami Natura 2000 stanowią klasę tła. Opracowana metoda pozwala na identyfikację poszczególnych siedlisk z dokładnością (miara F1) od około 60% dla siedlisk łąkowych do ponad 90% dla torfowisk czy wrzosowisk.
Pikselowy wyniki klasyfikacji nie stanowi jednak gotowej mapy będącej produktem końcowym analizy. Konieczne jest wykonanie procesu generalizacji poprzez agregację i filtrację wyniku, a następnie przygotowanie kompozycji kartograficznej według opracowanego schematu.
Zalety opisywanej metody mapowania
Swoim zasięgiem omawiana mapa może obejmować obszar do kilkuset kilometrów kwadratowych, z zachowaniem dużej rozdzielczości przestrzennej. Zaletą mapy siedlisk Natura 2000 powstającej z zastosowaniem danych lotniczych i algorytmów uczenia maszynowego jest:
- szybkość uzyskania wyników (dla dużych przestrzennie obszarów możliwe jest wykonanie bardzo szczegółowej mapy w znacząco krótszym terminie niż z zastosowaniem kartowania tradycyjnego);
- możliwość wykrycia płatów dotychczas nie zidentyfikowanych w terenie przy zastosowaniu technik kartowania tradycyjnego, np. ze względu na trudności terenowe;
- możliwość spójnego i obiektywnego monitoringu zmian zasięgu siedlisk Natura 2000 na całym analizowanym obszarze, związanych z fragmentacją płatów, zmianami użytkowania, zmianami klimatycznymi itp.;
- duża precyzja i szczegółowość wyniku, pozwalająca na identyfikację nawet najmniejszych płatów.
Wdrożenie
Wysoki potencjał aplikacyjny metody został już dostrzeżony przez zarządców trzech polskich parków narodowych (Tatrzańskiego PN, Wielkopolskiego PN i Parku Narodowego “Ujście Warty”). Obecnie, zgodnie z wypracowaną metodą, w parkach tych realizowane są projekty teledetekcyjne obejmujące wykonanie m.in. mapy siedlisk przyrodniczych Natura 2000.
Autorzy: Dominik Kopeć, Jan Niedzielko, Maria Niedzielko, Justyna Wylazłowska, Anna Halladin-Dąbrowska, Jaromir Borzuchowski, Martyna Wietecha, Łukasz Sławik.
Badanie było współfinansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) oraz MGGP Aero w ramach programu „Środowisko naturalne, rolnictwo i leśnictwo” BIOSTRATEG/Konkurs II.: Innowacyjne podejście wspierające monitoring nieleśnych siedlisk przyrodniczych Natura 2000 z wykorzystaniem metod teledetekcyjnych (HabitARS), numer projektu: DZP/BIOSTRATEG-II/390/2015. Liderem Konsorcjum jest MGGP Aero. Partnerami projektu są Uniwersytet Łódzki, Uniwersytet Warszawski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Politechnika Warszawska.
Zobacz na Linkedin (EN)
