Tre af undersøgelsens medforfattere, Shawn Serbin (Brookhaven Lab), Feng Zhao (University of Maryland, College Park) og Ran Meng (Brookhaven Lab) i et område af Long Island Pine Barrens økosystem, der blev beskadiget af en naturbrand i april 2012. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Kender du nogen, der er så fanget i detaljerne i et problem, at de "ikke kan se skoven for træerne?" Forskere, der søger at forstå, hvordan skove kommer sig efter skovbrande, har nogle gange det modsatte problem. Konventionelle satellitsystemer, der overvåger store landområder, der er brændt af skovbrande, giver nyttige, generel information, men kan udviske vigtige detaljer og få videnskabsmænd til at konkludere, at en skov er kommet sig, når den stadig er i de tidlige stadier af genopretning.
Ifølge et hold af økologer ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, en ny teknik, der bruger en kombination af fjernmålingsmetoder med meget højere opløsning, giver et mere præcist og mere detaljeret billede af, hvad der sker på jorden. I et papir, der vil blive vist i juni 2018-udgaven af tidsskriftet Remote Sensing of Environment, de beskriver, hvordan de brugte meget højere opløsning satellitbilleder og luftmålinger indsamlet af NASA til at karakterisere et skovområde beskadiget af en naturbrand i 2012, der havde spredt sig til laboratoriets grund.
"At være i stand til at kvantificere forholdet mellem skovgenvinding og forbrændingsgrad er kritisk information for os for at forstå både skovdynamik og kulstofbinding, " sagde Ran Meng, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Brookhaven Labs Terrestrial Ecosystem Science &Technology (TEST) forskningsgruppe og hovedforfatter på papiret. "Dette arbejde viser, at ved at bruge mere avancerede fjernmålingsmålinger med meget høj opløsning spektral billeddannelse og LiDAR - en teknik, der giver os mulighed for at måle skovens 3-D fysiske struktur - kan vi karakterisere brandeffekter og overvåge genopretning efter brand mere præcist, " han sagde.
Alistair Rogers, leder af TEST-gruppen tilføjede, "Dette arbejde er et godt eksempel på værdien af høj opløsning, multi-sensor, fjernmåling. Den nye kombination af data fra disse sensorer muliggjorde en dybere forståelse af et udfordrende økologisk spørgsmål og giver et nyt værktøj til skovforvaltning."
Stueetage, satellitdata uoverensstemmelse
Meng bemærkede behovet for forbedrede fjernmålinger som kandidatstuderende, før hun kom til Brookhaven. Mens man sporer genopretning af vegetationen efter skovbrande i bjerget vest og Californien, hans observationer på jorden stemte ikke overens med det konventionelle, satellitmålinger med moderat opløsning (såsom dem opnået af Landsat) viste.
"At lave feltstudier, vi måler træparametre og funktioner, og vi kan se, om baldakinen - den del af økosystemet, der er dannet af toppen af træerne - er sund, eller hvis der bare er genvækst i jordoverfladen, " sagde Meng.
Forskerne skal være i stand til at skelne denne "understory" vækst (f.eks. buske og græsser) fra baldakinen for at afgøre, om skoven faktisk er kommet tilbage til sin tilstand før brand.
De højopløselige billedbehandlingsteknikker, der blev brugt i denne undersøgelse, skelnede nøjagtigt live, sunde træer fra døde, og en sund baldakin fra jordnær respirering og andet underjordisk grønt. Kredit:Brookhaven National Laboratory
"Med hensyn til forvaltning af skove og forståelse af, hvor meget kulstof der er lagret i disse systemer, og hvordan de understøtter biodiversitet og ændrer sig over tid, kronetræerne er det vigtige, " forklarede Shawn Serbin, Mengs supervisor på Brookhaven.
Men traditionel satellitbillede, som har været brugt til at studere store skovbrande siden 1970'erne, kan ikke skelne baldakinen fra undergulvet, Serbin bemærkede. Den producerer billeder med meget større pixelstørrelser - firkanter med sider, der måler omkring 30 meter eller mere - og måler kun i nogle få "kanaler, "eller reflekterede farver/bølgelængder af lys, uden sans for dybde.
"Så, hvis en ild fejer igennem, og så springer en flok urteagtige planter, der er meget grønne, op i den nyligt blottede underetage, et traditionelt satellitsystem ville bare se det hele på én gang – et generelt grønt mønster – og forveksle det med at vise, at 'vegetationen er kommet sig, selv når der stadig er fuldt brændte træer på jorden, " sagde Serbin.
"Klart, vi har brug for en måde at forstå mere detaljeret, hvordan skoven kommer sig i form af kronetræer uden at skulle udføre massive jordundersøgelser, hvilket ville være alt for tids- og arbejdskrævende, " tilføjede han - eller som Meng udtrykte det, "umulig mission."
En tilfældig mulighed
Heldigvis, fjernmålingsteknologier er kommet langt siden 1970'erne, især de seneste 10 år. Og takket være et igangværende samarbejde med forskere ved NASAs Goddard Space Flight Center og tilgængeligheden af kommercielle satellitbilleder i fin opløsning, Meng og Serbin fik en chance for at prøve disse opdaterede teknologier og sammenligne resultaterne med jordobservationer.
Deres testbed var et stykke skov i deres egen baghave, der var blevet beskadiget, da en naturbrand i Long Island Pine Barrens spredte sig til en ubebygget del af Brookhaven Labs ejendom i april 2012. Meng brugte først kommercielle billeder i fin opløsning købt af National Geospatial - Efterretningsagentur (NGA), indsamlet før og efter branden, at oprette et kort i høj opløsning over forbrændingsgrad (offentliggjort tidligere). Derefter, han brugte dette kort til at overlejre detaljerede målinger af skovens karakteristika, som han udtog fra fjernmålingsbilleder indsamlet af NASA Goddard-teamet i 2015. Ved at sammenligne fjerndata i høj opløsning med deres egne observationer på jorden, Meng og Serbin kunne teste, om de nye teknologier formidlede en nøjagtig repræsentation af, hvordan træerne kom sig i de forskellige områder med alvorlige forbrændinger.
"Dette var en mulighed for at studere skovens dynamik på en hidtil uset måde, " sagde Serbin.
Disse kort over forbrændingsgraden over det område, der er ramt af Crescent Bow-løbebranden i Long Island Pine Barrens, viser de forbedrede muligheder for højopløsningsdata indsamlet af rekognosceringssatellitter (nederst) til karakterisering af brandeffekter, sammenlignet med konventionelle satellitdata (øverst). Kredit:Brookhaven National Laboratory
De luftbårne NASA-instrumenter inkluderede kameraer til digital fotografering i meget høj opløsning (med pixels, der måler en kvadratmeter i stedet for de 30 x 30 meter pixels, der bruges af konventionelle satellitter); "hyperspektral" billeddannelse (for at opfange lys i ~100 farver); termisk infrarød billeddannelse (til måling af varme); og LiDAR (som fungerer som en radarpistolhastighedsdetektor - skyder stråler af nær-infrarødt lys ud og måler, hvor lang tid det tager at hoppe tilbage for at måle afstanden, eller i dette tilfælde, dybden ind i skoven).
Fordi disse instrumenter foretager deres målinger samtidigt, forskerne kan spore præcis hvilken farve (selv subtile variationer af grøn) der reflekteres tilbage, og fra hvilken dybde i skoven - alt sammen i en meters opløsning.
"Dette kan give os meget mere information og reducere vores usikkerheder for at forstå skovens dynamik og konsekvenser af brand, " sagde Meng.
De højopløselige og 3-D strukturelle data var i stand til at skelne baldakinen fra undergrunden og gav forskerne en nøjagtig repræsentation af skovgenvinding i forhold til forbrændingsgraden, der matchede det, de så på jorden.
I stedet for en restitutionshastighed, der steg med stigende forbrændingsgrad, som de konventionelle satellitdata – sløret af ny vækst i underhistorien – havde foreslået, højopløsningsdataene viste en stigende genvindingsrate for kronetræer op til en vis tærskel.
"Før de når en vis tærskel for skade, træer kan komme sig – skab nye grene. Men efter at de når dette kritiske punkt, bliver de dræbt og kan ikke komme sig. De skal starte fra bunden, og det vil tage lang tid, " sagde Meng. I mellemtiden, nye underjordiske arter, der drager fordel af sollyset, der kan nå jorden gennem den udtømte baldakin, hurtigt indtage deres plads.
At se artsforskelle på afstand
Forskerne var endda i stand til at udvælge kvantitative forskelle i genvindingsrater blandt forskellige arter i baldakinen.
Denne undersøgelse sammenkædede data indsamlet af adskillige nye teknologier for at formidle en mere nøjagtig repræsentation af skovgenvinding i forhold til sværhedsgraden af forbrændinger. Det øverste kort, viser sværhedsgraden af forbrændingen, blev skabt ved at sammenligne højopløselige rekognosceringssatellitbilleder taget før og efter branden. Det midterste kort viser gendannelse af baldakin efter brand efter art, som identificeret ved NASAs LiDAR-målinger og hyperspektral billeddannelse. Det nederste kort viser genopretningshastigheden for baldakinen efter brand opnået ved at kombinere rekognosceringssatellitbilleder med NASA luftmålinger. Kredit:Brookhaven National Laboratory
"Her på laboratoriet, vi har et simpelt eksempel på fyrretræer vs. egetræer. Fyr har en konisk form med tynde, tæt pakket, mørkegrønne nåle. Eg har en rundere struktur med brede lysere blade. De har også forskellig kemi og vandindhold. Alt dette ændrer den måde, de reflekterer lys på, så de har hver især en unik 'spektral signatur', som vi kan udvælge med disse nye teknologier, " sagde Serbin.
Forskerne brugte maskinlæringsteknikker til at træne computere til at genkende de unikke spektrale og strukturelle funktioner, så de kunne skelne mellem disse og andre arter.
"Ved brug af et traditionelt satellitbilledsystem, det ville være umuligt at adskille disse arter. Men nu, for første gang, vi kan bruge vores nye teknologi til at kvantificere disse svar over store områder og over længere tid end nogensinde før, " sagde Meng.
Anvendelse af viden
Ud over at give indsigt i sundheden for Long Island Pine Barrens, metoden skal arbejde for at forbedre fjernvurderinger af brandskader og genopretning i forskellige typer af skove, og især i fjerntliggende områder, hvor feltstudier er upraktiske.
"Vi mener, at denne metode bør gælde i hele verden. Vi synes, den er tilpasningsdygtig, og dataene er offentligt tilgængelige, så vi kunne skalere dette op, " sagde Serbin.
At forstå detaljerne i skovens dynamik ville hjælpe med at informere skovforvaltningsstrategier, såsom hvornår og hvor man skal iscenesætte en kontrolleret afbrænding for at begrænse opbygningen af brændstof til skovbrande, eller for at identificere, hvor nye træer – og hvilke typer – skal plantes for at bevare biodiversiteten. Det vil også give input til modeller designet til at forudsige, hvordan skovøkosystemer vil reagere på andre typer udfordringer, såsom tørke eller klimaforandringer.
"De mennesker, der har til opgave at fremskrive, hvordan økosystemer vil reagere på ændringer i fremtiden, har brug for meget detaljerede oplysninger om dynamikken i skove og vegetation til deres modeller, " sagde Serbin. "Vi har erfaret, at strukturen af vegetation er meget relateret til, hvor meget kulstof der kan lagres i disse økosystemer, og at økosystemer med højere biodiversitet lagrer mere kulstof. Så evnen til at vurdere biodiversitet og skovstruktur vil være meget vigtig for at bygge disse modeller."
Sidste artikelI Guadeloupe, at gå grøn betyder at gå bananas
Næste artikelKlimaændringer påvirker skrøbelige flodøkosystemer