ดาวเทียมไฮเปอร์สเปกตรัม "มองทะลุ" ความหลากหลายของพืชพรรณได้อย่างไร? — การแยกองค์ประกอบพิกเซลแบบไฮบริด: เทคโนโลยีสำหรับการระบุประเภทพืชพรรณหลายประเภทจากพิกเซลเดียว

การสำรวจความหลากหลายทางชีวภาพแบบดั้งเดิมอาศัยการใช้แปลงสำรวจภาคพื้นดิน ซึ่งมีข้อจำกัดด้านกำลังคน การขนส่ง และสภาพภูมิประเทศ ทำให้ยากต่อการครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ แม้ว่าข้อกำหนดทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องของกระทรวงนิเวศวิทยาและสิ่งแวดล้อมได้ออกแบบวิธีการประเมินความหลากหลายไว้แล้ว แต่ตัวชี้วัดนี้ยังขาดการประเมินที่ครอบคลุมอย่างแท้จริงมาเป็นเวลานาน เนื่องจากความยากลำบากในการได้มาซึ่งข้อมูลการสังเกตภาคพื้นดิน เราจึงต้องการเทคโนโลยีที่สามารถ "มองเห็น" ความหลากหลายของพืชพรรณจากบนท้องฟ้าได้

กระบวนการทางเทคนิคทั้งหมดประกอบด้วยขั้นตอนหลักสี่ขั้นตอน:

ขั้นตอนที่ 1: กำหนด "จำนวนชนิดของพืชพรรณที่มีอยู่" (การประมาณขนาดเสมือน)

อัลกอริทึม HFC ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดจำนวนแหล่งสัญญาณพืชพรรณอิสระในภาพโดยอัตโนมัติผ่านการทดสอบสมมติฐานทางสถิติ ในการวิเคราะห์นี้ มีการระบุตัวแทนหลักเจ็ดตัวโดยอัตโนมัติ ซึ่งแสดงถึงประเภทหรือสถานะของพืชพรรณที่แตกต่างกันเจ็ดแบบในภูมิภาคเทือกเขาฉินหลิง

ขั้นตอนที่ 2: แยก "ลักษณะของพืชแต่ละชนิด" (การแยกองค์ประกอบหลัก)

โดยใช้อัลกอริธึม VCA (Vertex Component Analysis) ระบบได้ระบุคุณลักษณะสเปกตรัมที่บริสุทธิ์ที่สุดเจ็ดอย่างโดยอัตโนมัติจากพิกเซลนับล้าน คุณลักษณะเหล่านี้อาจสอดคล้องกับประเภทพืชพรรณที่แตกต่างกัน เช่น ป่าสนเขียวชอุ่ม ป่าผลัดใบ ป่าละเมาะ ป่าผสม และพื้นที่เกษตรกรรม

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณ "ปริมาณของแต่ละประเภท"การผกผันความอุดมสมบูรณ์)

สำหรับแต่ละพิกเซล ปริมาณของแต่ละองค์ประกอบหลักจะถูกคำนวณโดยใช้อัลกอริธึม FCLS (Fully Constrained Least Squares) ข้อจำกัดคือปริมาณทั้งหมดต้องไม่เป็นลบและผลรวมต้องเท่ากับ 1 ซึ่งทำให้ความหมายทางกายภาพมีความสมเหตุสมผล ผลลัพธ์ที่ได้คือแผนที่แสดงการกระจายปริมาณเจ็ดแผนที่ โดยแต่ละแผนที่แสดงถึงความหนาแน่นของการกระจายตัวเชิงพื้นที่ของพืชพรรณชนิดใดชนิดหนึ่ง

รูปที่ 1.การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของปริมาณพืชพันธุ์หลัก 7 ชนิด (แต่ละพิกเซลถูกแยกย่อยออกเป็นส่วนประกอบหลายส่วน)

ขั้นตอนที่ 4: คำนวณดัชนีความหลากหลาย

ความอุดมสมบูรณ์ภายในแต่ละพิกเซลถือเป็น "องค์ประกอบของชนิดพันธุ์" และจะคำนวณดัชนีความหลากหลายแบบคลาสสิก คือ ดัชนีแชนนอน-ไวเนอร์ (ซึ่งรวมความอุดมสมบูรณ์และความสม่ำเสมอ) เข้าด้วยกันดัชนีซิมป์สัน(ความน่าจะเป็นของการสุ่มเลือกบุคคลสองคนที่เป็นประเภทต่างกัน) ความหลากหลาย (จำนวนสมาชิกปลายสุดที่มีประสิทธิภาพ) และความสม่ำเสมอ (ว่าการกระจายตัวนั้นสมดุลหรือไม่) สุดท้าย จะทำการรวมแบบถ่วงน้ำหนักเพื่อหาดัชนีความหลากหลายทางชีวภาพโดยรวม BDI (0-1 ยิ่งสูงยิ่งมีความหลากหลายดี)

ข้อได้เปรียบที่สำคัญ: ดาวเทียมความละเอียดสูงเหมาะสำหรับการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่ และดาวเทียมมัลติสเปกตรัมสามารถเก็บรวบรวมตัวชี้วัดความมีชีวิตชีวาของพืช เช่น NDVI ได้ แต่ทั้งสองอย่างนี้ไม่สามารถแยกแยะองค์ประกอบของประเภทพืชภายในพิกเซลในระดับสเปกตรัมได้ เทคโนโลยีการแยกส่วนไฮเปอร์สเปกตรัมเข้ามาเติมเต็มช่องว่างนี้ โดยให้ข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับความหลากหลายของพืชในระดับย่อยพิกเซล ซึ่งปัจจุบันยังไม่มีในดาวเทียมสำรวจระยะไกลประเภทอื่น

การวิเคราะห์พื้นที่ประมาณ 6400 ตารางกิโลเมตร (ประมาณ 4 ล้านพิกเซลของพืชพรรณที่มีประสิทธิภาพ) ในพื้นที่ตอนในของภูมิประเทศที่เป็นภูเขา เผยให้เห็นว่า:

1. ความหลากหลายโดยรวมอยู่ในระดับปานกลางถึงสูงค่าเฉลี่ยของ BDI คือ 0.568 และพิกเซลส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมของพืชพรรณสามประเภทหลัก (คิดเป็น 65.5%) ซึ่งสะท้อนถึงความหลากหลายของพืชพรรณในภูมิภาคนี้

2. "สีเขียว" ไม่ได้หมายความว่า "ความหลากหลาย" เสมอไปความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีความหลากหลายทางชีวภาพ (BDI) และดัชนีความมีชีวิตชีวาของพืชพรรณ (NDVI) นั้นค่อนข้างอ่อน (r=0.369) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพื้นที่ที่มีพืชพรรณปกคลุมหนาแน่นไม่ได้หมายความว่าจะมีความหลากหลายทางชีวภาพสูงเสมอไป (เช่น ป่าสนล้วนๆ มีค่า NDVI สูง แต่มีความหลากหลายทางชีวภาพต่ำ) สิ่งนี้ยืนยันถึงคุณค่าเฉพาะตัวของวิธีการกำจัดสารปนเปื้อน

รูปที่ 2.เมทริกซ์สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เพียร์สันของตัวชี้วัดความหลากหลาย

รูปที่ 3.แผนที่แสดงการกระจายตัวของดัชนีพืชพรรณ NDVI

รูปที่ 4.การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของดัชนีความหลากหลายทางชีวภาพแบบผสม (BDI) – สีเขียวแสดงถึงพื้นที่ที่มีความหลากหลายสูง

3. รูปแบบความลาดชันของระดับความสูงนั้นชัดเจน:การผสมผสานข้อมูล SRTM DEMความหลากหลายทางชีวภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น (r=-0.623) โดยแสดงรูปแบบสามระดับ

ระดับความสูงต่ำ (ป่าผสมผลัดใบและไม้ไม่ผลัดใบ BDI=0.65~0.75 มีความหลากหลายทางชีวภาพสูงสุด

ระดับความสูงปานกลาง (1000-1800 เมตร)เขตเปลี่ยนผ่าน: ความหลากหลายทางชีวภาพลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่สัดส่วนของป่าสนเพิ่มขึ้น

ระดับความสูงมาก (>1800 เมตร)ป่าสนแท้ที่ประกอบด้วยต้นเฟอร์และต้นเรดวูดเป็นหลัก มีค่าดัชนีความหลากหลายทางชีวภาพ (BDI) อยู่ระหว่าง 0.13 ถึง 0.21 และมีความหลากหลายทางชีวภาพต่ำแต่คงที่

รูปที่ 5.การกระจายตัวของแบบจำลองระดับความสูงดิจิทัล (DEM) ในพื้นที่ศึกษา

รูปที่ 6.แนวโน้มของตัวชี้วัดความหลากหลายตามระดับความสูง

รูปที่ 7.ความสัมพันธ์เชิงลบระหว่างดัชนี BDI และระดับความสูง (r=-0.623)

การวิเคราะห์องค์ประกอบพิกเซลแบบผสมไฮเปอร์สเปกตรัมได้เปิดเส้นทางใหม่สำหรับการตรวจสอบความหลากหลายของพืชพรรณในพื้นที่ขนาดใหญ่ เมื่อเทียบกับการสำรวจแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสแบบดั้งเดิม วิธีนี้มีพื้นที่ครอบคลุมกว้าง (ภาพเดียวสามารถครอบคลุมพื้นที่หลายพันตารางกิโลเมตร) และมีความรวดเร็วสูง (สามารถวิเคราะห์ให้เสร็จสิ้นได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง) เมื่อเทียบกับดาวเทียมความละเอียดสูงและดาวเทียมหลายสเปกตรัม วิธีนี้มีความสามารถพิเศษในการแยกแยะองค์ประกอบของพืชพรรณจากมิติสเปกตรัม และสามารถสร้างตัวชี้วัดเชิงปริมาณของความหลากหลายได้โดยตรง แทนที่จะให้ข้อมูลทางอ้อมเกี่ยวกับ "ความเขียวขจี" เท่านั้น

ในอนาคต การผสมผสานข้อมูลหลายช่วงเวลาจะช่วยให้สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกที่หลากหลายระหว่างปีได้ และการตรวจสอบความถูกต้องของตารางสี่เหลี่ยมบนภาคพื้นดินจะช่วยให้สามารถสร้าง [ระบบ/กลไก] ได้ความหลากหลายทางสเปกตรัมความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความหลากหลายทางชีวภาพและความหลากหลายของชนิดพันธุ์ วิธีนี้คาดว่าจะช่วยเติมเต็มช่องว่างที่มีมายาวนานในการประเมินหน้าที่ทางนิเวศวิทยาของประเทศ ซึ่งขาดตัวชี้วัด "ความหลากหลาย" และให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่เป็นกลางและทำซ้ำได้สำหรับการประเมินเชิงปริมาณของประสิทธิผลของการกำกับดูแลทางนิเวศวิทยา