Kent u iemand die zo bezig is met de details van een probleem dat ze "door de bomen het bos niet meer zien?" Wetenschappers die willen begrijpen hoe bossen herstellen van bosbranden, hebben soms het tegenovergestelde probleem. Conventionele satellietsystemen die uitgestrekte stukken land onderzoeken die door bosbranden zijn verbrand, bieden nuttige, algemene informatie, maar kan belangrijke details verdoezelen en wetenschappers ertoe brengen te concluderen dat een bos zich heeft hersteld terwijl het zich nog in de vroege stadia van herstel bevindt.

Volgens een team van ecologen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, een nieuwe techniek die een combinatie van teledetectiemethoden met een veel hogere resolutie gebruikt, geeft een nauwkeuriger en gedetailleerder beeld van wat er op de grond gebeurt. In een paper dat zal verschijnen in het juni 2018 nummer van het tijdschrift Remote Sensing of Environment, ze beschrijven hoe ze satellietbeelden met een veel hogere resolutie en luchtmetingen gebruikten die door NASA waren verzameld om een ​​bebost gebied te karakteriseren dat was beschadigd door een bosbrand in 2012 die zich op het terrein van het laboratorium had verspreid.

"In staat zijn om de relatie tussen bosherstel en de ernst van brandwonden te kwantificeren, is cruciale informatie voor ons om zowel de bosdynamiek als de koolstofvastlegging te begrijpen, " zei Ran Meng, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de onderzoeksgroep Terrestrial Ecosystem Science &Technology (TEST) van Brookhaven Lab en hoofdauteur van het papier. "Dit werk laat zien dat door gebruik te maken van meer geavanceerde remote sensing-metingen met spectrale beeldvorming met een zeer hoge resolutie en LiDAR - een techniek waarmee we de 3D-fysische structuur van het bos kunnen meten - we brandeffecten kunnen karakteriseren en herstel na brand beter kunnen volgen. nauwkeurig, " hij zei.

Alistair Rogers, leider van de TEST-groep toegevoegd, "Dit werk is een mooi voorbeeld van de waarde van hoge resolutie, multisensor, teledetectie. De nieuwe combinatie van gegevens van deze sensoren zorgde voor een dieper begrip van een uitdagende ecologische kwestie en biedt een nieuw hulpmiddel voor bosbeheer."

Begane grond, satellietgegevens komen niet overeen

Meng merkte op dat er behoefte was aan verbeterde metingen op afstand als afgestudeerde student voordat hij naar Brookhaven kwam. Tijdens het volgen van vegetatieherstel na bosbranden in het westen van de bergen en Californië, zijn waarnemingen op de grond kwamen niet overeen met wat de conventionele, satellietmetingen met een matige resolutie (zoals die verkregen door Landsat) lieten zien.

"Veldonderzoek doen, we meten boomparameters en kenmerken, en we kunnen zien of het bladerdak - het deel van het ecosysteem dat wordt gevormd door de toppen van de bomen - gezond is, of als er gewoon hergroei is op de grond, ' zei Meng.

De wetenschappers moeten deze 'understory'-groei kunnen onderscheiden (bijvoorbeeld struiken en grassen) uit het bladerdak om te bepalen of het bos daadwerkelijk is hersteld tot de staat van vóór de brand.

"Wat betreft het beheer van bossen en het begrijpen hoeveel koolstof er in deze systemen is opgeslagen en hoe ze de biodiversiteit ondersteunen en in de loop van de tijd veranderen, de luifelbomen zijn wat belangrijk is, " legde Shawn Serbin uit, Meng's supervisor bij Brookhaven.

Maar traditionele satellietbeelden, die sinds de jaren zeventig wordt gebruikt om grote bosbranden te bestuderen, kan het bladerdak niet onderscheiden van het understory, merkte Serbin op. Het produceert afbeeldingen met veel grotere pixelgroottes - vierkanten met zijden van ongeveer 30 meter of meer - en meet slechts in een paar "kanalen, " of gereflecteerde kleuren/golflengten van licht, zonder gevoel voor diepte.

"Dus, als er een vuur doorheen raast en dan springt er een stel kruidachtige planten op die heel groen zijn in de nieuw blootgestelde onderlaag, een traditioneel satellietsysteem zou dat allemaal in één keer zien - een algemeen patroon van groenheid - en dat verwarren met het feit dat 'de vegetatie zich heeft hersteld, ' zelfs als er nog volledig verbrande bomen op de grond staan, ' zei Serbin.

"Duidelijk, we hebben een manier nodig om in meer detail te begrijpen hoe het bos zich herstelt in termen van de kruinbomen, zonder dat we massale grondstudies hoeven uit te voeren, wat veel te tijd- en arbeidsintensief zou zijn, " voegde hij eraan toe - of zoals Meng het uitdrukte, "missie onmogelijk."

Een toevallige kans

Gelukkig, teledetectietechnologieën hebben een lange weg afgelegd sinds de jaren zeventig, vooral in de afgelopen 10 jaar. En dankzij een voortdurende samenwerking met wetenschappers van het Goddard Space Flight Center van NASA en de beschikbaarheid van commerciële satellietbeelden met een fijne resolutie, Meng en Serbin kregen de kans om deze bijgewerkte technologieën uit te proberen en de resultaten te vergelijken met grondobservaties.

Hun testbed was een strook bos in hun eigen achtertuin die was beschadigd toen een bosbrand in de Long Island Pine Barrens zich in april 2012 verspreidde op een onontgonnen deel van het eigendom van Brookhaven Lab. Meng gebruikte voor het eerst commerciële beelden met een fijne resolutie die waren gekocht door de National Geospatial -Inlichtingendienst (NGA), verzameld voor en na de brand, om een ​​kaart met hoge resolutie te maken van de ernst van de brandwonden (eerder gepubliceerd). Vervolgens, hij gebruikte deze kaart om gedetailleerde metingen van boskenmerken over elkaar heen te leggen die hij had geëxtraheerd uit remote sensing-beelden verzameld door het NASA Goddard-team in 2015. Door de externe gegevens met hoge resolutie te vergelijken met hun eigen waarnemingen op de grond, Meng en Serbin konden testen of de nieuwe technologieën een nauwkeurige weergave gaven van hoe de bomen herstelden in de verschillende gebieden met de ernst van de brandwonden.

"Dit was een kans om bosdynamiek op een ongekende manier te bestuderen, ' zei Serbin.

De NASA-instrumenten in de lucht omvatten camera's voor digitale fotografie met een zeer hoge resolutie (met pixels van één vierkante meter in plaats van de 30 x 30 meter pixels die door conventionele satellieten worden gebruikt); "hyperspectrale" beeldvorming (om licht op te vangen in ~ 100 kleuren); thermische infraroodbeeldvorming (voor het meten van warmte); en LiDAR (dat werkt als een radarkanon-snelheidsdetector - stralen van nabij-infrarood licht uitschiet en meet hoe lang het duurt voordat ze terugkaatsen om de afstand te meten, of in dit geval de diepte in het bos).

Omdat deze instrumenten hun metingen gelijktijdig uitvoeren, de wetenschappers kunnen precies volgen welke kleur (zelfs subtiele variaties van groen) wordt teruggekaatst, en vanaf welke diepte in het bos - allemaal met een resolutie van één meter.

"Dit kan ons veel meer informatie geven en onze onzekerheden verminderen voor het begrijpen van de bosdynamiek en de gevolgen van brand, ' zei Meng.

De structurele gegevens met hoge resolutie en 3D waren in staat om het bladerdak te onderscheiden van het understory en gaven de wetenschappers een nauwkeurige weergave van bosherstel in relatie tot de ernst van de brandwonden die overeenkwam met wat ze op de grond zagen.

In plaats van een herstelpercentage dat toenam met toenemende ernst van de brandwonden, zoals de conventionele satellietgegevens - verduisterd door nieuwe ondergroei - hadden gesuggereerd, de gegevens met hoge resolutie toonden een toenemend herstelpercentage voor kruinbomen tot een bepaalde drempel.

"Voordat ze een bepaalde schadedrempel bereiken, bomen kunnen herstellen - nieuwe takken maken. Maar nadat ze dit kritieke punt hebben bereikt, worden ze gedood en kunnen ze niet meer herstellen. Ze moeten helemaal opnieuw beginnen en het zal lang duren, "zei Meng. Ondertussen, nieuwe understory-soorten die profiteren van het zonlicht dat de grond kan bereiken door het uitgeputte bladerdak, snel hun plaats innemen.

Soortverschillen op afstand zien

De wetenschappers waren zelfs in staat om kwantitatieve verschillen in herstelpercentages tussen verschillende soorten in het bladerdak te onderscheiden.

"Hier in het laboratorium, we hebben een eenvoudig voorbeeld van dennen versus eiken. Grenen heeft een conische vorm met dunne, opeengepakt, donkergroene naalden. Eiken heeft een rondere structuur met brede lichter gekleurde bladeren. Ze hebben ook verschillende chemie en watergehalte. Dat alles verandert de manier waarop ze licht reflecteren, zodat ze elk een unieke 'spectrale signatuur' hebben die we kunnen uitkiezen met deze nieuwe technologieën, ' zei Serbin.

De wetenschappers gebruikten machine learning-technieken om computers te trainen om de unieke spectrale en structurele kenmerken te herkennen, zodat ze onderscheid konden maken tussen deze en andere soorten.

"Met behulp van een traditioneel satellietbeeldvormingssysteem, het zou onmogelijk zijn om deze soorten uit elkaar te houden. Maar nu, Voor de eerste keer, we kunnen onze nieuwe technologie gebruiken om deze reacties te kwantificeren over grote gebieden en over een langere tijd dan ooit tevoren, ' zei Meng.

De kennis toepassen

Naast het geven van inzicht in de gezondheid van de Long Island Pine Barrens, de methode zou moeten werken om de beoordeling op afstand van brandschade en herstel in verschillende soorten bossen te verbeteren, en met name in afgelegen gebieden waar veldonderzoek onpraktisch is.

"We denken dat deze methode over de hele wereld moet worden toegepast. We denken dat het aanpasbaar is, en de gegevens zijn openbaar beschikbaar, zodat we dit kunnen opschalen, ' zei Serbin.

Inzicht in de details van bosdynamiek zou helpen bij het informeren van bosbeheerstrategieën, zoals wanneer en waar een gecontroleerde verbranding moet plaatsvinden om de ophoping van brandstof voor bosbranden te beperken, of om te bepalen waar nieuwe bomen - en welke soorten - moeten worden geplant om de biodiversiteit in stand te houden. Het zou ook input leveren voor modellen die zijn ontworpen om te voorspellen hoe bosecosystemen zullen reageren op andere soorten uitdagingen, zoals droogte of klimaatverandering.

"De mensen die moeten voorspellen hoe ecosystemen in de toekomst zullen reageren op veranderingen, hebben zeer gedetailleerde informatie nodig over de dynamiek van bossen en vegetatie voor hun modellen, Serbin zei. "We hebben geleerd dat de structuur van vegetatie sterk gerelateerd is aan hoeveel koolstof kan worden opgeslagen in die ecosystemen, en dat ecosystemen met een hogere biodiversiteit meer koolstof opslaan. Dus het vermogen om biodiversiteit en bosstructuur te beoordelen, zal erg belangrijk zijn bij het bouwen van die modellen."