كيف تستطيع الأقمار الصناعية فائقة الطيف "رؤية" التنوع النباتي؟ — تحليل البكسل الهجين: تقنية لتحديد أنواع نباتية متعددة من بكسل واحد.

تعتمد الدراسات التقليدية لتنوع الأنواع على مربعات أرضية، وهي محدودة بسبب محدودية الموارد البشرية والنقل وظروف التضاريس، مما يصعب معه تحقيق تغطية واسعة النطاق. ورغم أن المواصفات الفنية ذات الصلة الصادرة عن وزارة البيئة قد صممت أساليب لتقييم التنوع، إلا أن هذا المؤشر ظل لفترة طويلة يفتقر إلى التقييمات الشاملة العملية نظرًا لصعوبة الحصول على بيانات الرصد الأرضي. نحن بحاجة إلى تقنية قادرة على رصد تنوع الغطاء النباتي من الجو.

يتكون المسار التقني بأكمله من أربع خطوات أساسية:

الخطوة 1: تحديد "عدد أنواع النباتات الموجودة" (تقدير البعد الافتراضي)

استُخدمت خوارزمية HFC لتحديد عدد مصادر إشارات الغطاء النباتي المستقلة في الصور تلقائيًا من خلال اختبار الفرضيات الإحصائية. في هذا التحليل، تم تحديد سبعة عناصر نهائية تلقائيًا، تمثل سبعة أنواع أو حالات نباتية مختلفة في منطقة جبال تشينلينغ.

الخطوة 2: استخراج "كيف يبدو كل نوع من أنواع النباتات" (استخراج المكونات النهائية)

باستخدام خوارزمية تحليل مكونات الرؤوس (VCA)، تم تحديد سبعة من أنقى السمات الطيفية تلقائيًا من بين ملايين البكسلات. قد تتوافق هذه السمات النهائية مع أنواع نباتية مختلفة مثل الغابات الصنوبرية دائمة الخضرة، والغابات النفضية عريضة الأوراق، والأراضي الشجرية، والغابات المختلطة، والأراضي الزراعية.

الخطوة 3: حساب "كمية كل نوع"انعكاس الوفرة)

لكل بكسل، تُحسب وفرة كل عنصر من العناصر الأساسية باستخدام خوارزمية المربعات الصغرى المقيدة بالكامل (FCLS). ويكمن القيد في أن تكون جميع الوفرة غير سالبة ومجموعها يساوي 1، مما يضمن منطقية المعنى الفيزيائي. ينتج عن ذلك سبع خرائط لتوزيع الوفرة، تمثل كل منها كثافة التوزيع المكاني لنوع نباتي معين.

الشكل 1.التوزيع المكاني لوفرة 7 مكونات نباتية نهائية (يتم تقسيم كل بكسل إلى مكونات متعددة)

الخطوة الرابعة: حساب مؤشر التنوع

تعتبر الوفرة داخل كل بكسل بمثابة "تكوين الأنواع"، ويتم حساب مؤشر التنوع الكلاسيكي، وهو مؤشر شانون-وينر (الذي يجمع بين الثراء والتجانس).مؤشر سيمبسون(احتمالية اختيار فردين عشوائيًا ينتميان إلى نوعين مختلفين)، والثراء (عدد الأفراد النهائيين الفعالين)، والتجانس (مدى توازن التوزيع). وأخيرًا، يتم إجراء دمج مرجح للحصول على مؤشر التنوع البيولوجي الشامل BDI (من 0 إلى 1، حيث تشير القيمة الأعلى إلى تنوع أفضل).

المزايا الرئيسية: تُعدّ الأقمار الصناعية عالية الدقة مناسبة لرصد التغيرات في الغطاء النباتي، كما يمكن للأقمار الصناعية متعددة الأطياف الحصول على مؤشرات حيوية الغطاء النباتي مثل مؤشر NDVI، إلا أن أياً منهما لا يستطيع تحديد تركيبة أنواع الغطاء النباتي داخل البكسل على المستوى الطيفي. تسدّ تقنية الفصل الطيفي الفائق هذه الفجوة، إذ توفر معلومات كمية عن تنوع الغطاء النباتي على مستوى ما دون البكسل، وهي معلومات غير متوفرة حالياً من أنواع أخرى من أقمار الاستشعار عن بُعد.

يكشف هذا التحليل لمنطقة تبلغ مساحتها حوالي 6400 كيلومتر مربع (حوالي 4 ملايين بكسل نباتي فعال) في المناطق الداخلية لمنطقة جبلية ما يلي:

1. التنوع الإجمالي يتراوح بين المتوسط ​​والعالي.يبلغ متوسط ​​مؤشر BDI 0.568، وتتكون معظم وحدات البكسل من مزيج من ثلاثة عناصر نباتية نهائية (تمثل 65.5٪)، مما يعكس عدم تجانس الغطاء النباتي في المنطقة.

2. "الأخضر" لا يعني "التنوع"كان الارتباط بين مؤشر التنوع البيولوجي (BDI) ومؤشر حيوية الغطاء النباتي (NDVI) ضعيفًا (r=0.369)، مما يدل على أن المناطق ذات الغطاء النباتي الكثيف ليست بالضرورة غنية بالأنواع (على سبيل المثال، تتميز الغابات الصنوبرية النقية بارتفاع مؤشر NDVI وانخفاض التنوع البيولوجي). وهذا يؤكد القيمة الفريدة لطريقة التطهير.

الشكل 2.مصفوفة معامل ارتباط بيرسون لمؤشرات التنوع

الشكل 3.خريطة توزيع مؤشر الغطاء النباتي NDVI

الشكل 4.التوزيع المكاني لمؤشر التنوع البيولوجي المركب (BDI) - يشير اللون الأخضر إلى المناطق ذات التنوع العالي.

3. نمط تدرج الارتفاع واضح.":"مزيجبيانات نموذج الارتفاع الرقمي SRTMيتناقص التنوع بشكل ملحوظ مع الارتفاع (r=-0.623)، ويظهر نمطًا ثلاثي المستويات.

ارتفاع منخفض (الغابات المختلطة ذات الأوراق العريضة المتساقطة والخضراء الدائمة، BDI=0.65~0.75، مع أعلى تنوع؛

متوسط ​​الارتفاع (1000-1800 متر)المنطقة الانتقالية: يتراجع التنوع البيولوجي بسرعة، بينما تزداد نسبة الغابات الصنوبرية؛

ارتفاعات عالية (>1800 متر)تتميز الغابات الصنوبرية النقية التي يهيمن عليها التنوب والخشب الأحمر بمؤشر تنوع بيولوجي يتراوح من 0.13 إلى 0.21 وتنوع بيولوجي منخفض ولكنه مستقر.

الشكل 5.توزيع نموذج الارتفاع الرقمي في منطقة الدراسة

الشكل 6.اتجاهات مؤشرات التنوع مع تدرج الارتفاع

الشكل 7.العلاقة العكسية بين مؤشر بيك للاكتئاب والارتفاع (r=-0.623)

فتح تحليل البكسلات المختلطة في الصور الطيفية الفائقة آفاقًا جديدة تمامًا لرصد التنوع النباتي على مساحات شاسعة. فمقارنةً بالمسوحات المربعة التقليدية، يتميز هذا التحليل بتغطية واسعة (إذ يمكن لمشهد واحد أن يغطي آلاف الكيلومترات المربعة) وسرعة فائقة (إذ يمكن إتمام التحليل في غضون ساعات قليلة). كما يتميز، مقارنةً بالأقمار الصناعية عالية الدقة ومتعددة الأطياف، بقدرة فريدة على تمييز التركيب النباتي من خلال البعد الطيفي، ويمكنه إنتاج مؤشرات كمية مباشرة للتنوع، بدلاً من مجرد توفير معلومات غير مباشرة عن كثافة الغطاء النباتي.

في المستقبل، سيمكن الجمع بين البيانات متعددة الأوقات من رصد التغيرات الديناميكية المتنوعة بين السنوات، وسيسمح التحقق من صحة المربعات الأرضية بإنشاء [نظام/آلية].التنوع الطيفيالعلاقة الكمية بين التنوع البيولوجي وتنوع الأنواع. من المتوقع أن تسد هذه الطريقة الفجوة القائمة منذ فترة طويلة في التقييم الوطني للوظائف البيئية المتمثلة في نقص مؤشرات "التنوع"، وأن توفر دعماً تقنياً موضوعياً وقابلاً للتكرار للتقييم الكمي لفعالية الحوكمة البيئية.