Témafelelős: Somogyi Zoltán
Projektvégrehajtó kutatók: Móricz Norbert, Koltay András, Molnár Tamás
A monitoring eredményeit mutató honlap ide kattintva érhető el
A rendszer üzemeltetésének céljai
A hagyományos, “egészséges”, a normál erdőgazdálkodás mellett is időnként és helyenként előforduló fapusztulások mellett erdeinkben a klímaváltozás miatt a jövőben további problémák jelentkezhetnek. Az erdők működésében és egészségi állapotában várható jövőbeli változások monitorozása egyre fontosabb feladat. A projekt célja az, hogy az ország teljes erdőterületén, a helyi erdőgazdálkodó ismereteitől, lehetőségeitől függetlenül, hosszabb távon folyamatosan, ingyenes távérzékelési adatforrások felhasználásával, alapvetően automatizált módszerekkel nyerhessünk megbízható, kvázi-valós idejű, térbeli információkat arról, hogy hogyan alakul a fák egészségi állapota, és hogy várható-e valahol az erdők valamilyen leromlása.
A klímaváltozási előrejelzések 
szerint egyre magasabb, és a fák számára sok helyen kedvezőtlenül magas hőmérséklettel kell a jövőben számolni. (A fák vegetációs időszaki vízigényét tekintve nem tudunk ilyen határozott kijelentést tenni.) A monitoring kiemelt feladata ezért a várhatóan gyakoribbá váló aszályok figyelemmel kísérése is. A jövőben várható pusztulások minél jobb előrejelzése érdekében tervezzük aszályindexek és a megfigyelt egészségi állapot összefüggésének vizsgálatát is. A monitoring elsőrendű feladata ennek figyelembe vételével is az erdők egészségi állapotában bekövetkező események folyamatos nyomon követése.
A monitoring eredményeit egy web alapú térinformatikai rendszerben jelenítjük meg folyamatosan (16 naponkénti gyakorisággal). A technikai fejlesztések eredményeként a jövőben tervezzük az eredményeket publikálni annak érdekében, hogy az erdők tulajdonosai és kezelői tájékozódhassanak erdeik állapotáról.
Végül a monitoring tervezett célja értesíteni az érintetteket olyan esetekben, amikor az űrfelvételek alapján komolyabb fapusztulás gyanúja merül fel.
Módszerek
A rendszer alapját a Terra (EOS AM-) és Aqua (EOS PM-1) műholdakra szerelt MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) műszer által gyűjtött, és az interneten szabadon rendelkezésre bocsájtott adatok képezik. A műszer 36 hullámhossz tartományban érzékel a Föld felszínéről visszavert sugárzást a 0.4 – 14.4 µm-es tartományból. A “nyers” adatokból különböző célokra alkalmas ún. indexeket számítanak.
Az index-adatokat 16 naponta (mindig ugyanazokon a naptári napokon) a legújabb távérzékelési adatok alapján frissítik. A felszínen kb. 250*250 m-es egységekről nyerhető egy adat egy adott időpontban. Ezeknek az adatoknak a pontos térbeli helyzetét ismerjük, és ezek alapján az adatokat térképeken ábrázolhatjuk. Egy-egy adatnak a térképen egy-egy, homogén foltocska (ún. pixel) felel meg. Egy ilyen pixel nagysága (6.25 ha) kicsivel nagyobb, mint a mi erdőgazdálkodásunkban kialakult termesztési egységek, az ún. erdőrészletek nagysága (kb. 5 ha).
A magyar erdők és a fenti pixelnagyság figyelembe vételével olyan erdőkre terjesztjük ki a vizsgálatokat, amelyeknél a pixelbe eső terület legalább 75%-a erdő. Ez a szűrés biztosítja, hogy az erdőn kívüli egyéb felszínborítás eltérő spektrális tulajdonságai ne befolyásolják jelentősen az eredményeket. Az ország főbb erdőterületeit jelenleg mintegy 242 ezer pixellel fedjük le. Ezek külön-külön történő vizsgálata nem lehetséges, de nem is szükséges. A vizsgálatok során csak a nagyobb, problémásnak tűnő foltokkal foglalkozunk.
Az erdőállapot monitoring az NDVI index-adatokra építve három részből tevődik össze. Az egyik elem a távérzékelt, adatok folyamatos gyűjtése és kezelése; ezt automatikusan végzi a rendszer. A másik elem egy olyan (kifejlesztés alatt álló) modell, ami összefüggést teremt az aszály-index és a fák állapota között. A modellhez meteorológiai, más ökológiai adatokra, továbbá megfelelő tanulóterületekről gyűjtött adatokra van szükség. Végül a harmadik elem az adott területekre vonatkozó, a 2000. óta eltelt évek megfigyeléseiből összeállított adatbázis; ennek adatait egy-egy új térkép elemzéséhez használhatjuk fel. Ez az elemzés azonban már szakember közvetlen feladata. A faegészségi állapot megbízható előrejelzéséhez azonban mindenképpen szükség van az aszály-index és az egészségi állapot közti összefüggést leíró modellre és más információkra is (1. ábra).
1. ábra. A TEMRE rendszerterve
A TEMRE rendszerben három féle, a vegetáció aktivitásával szoros összefüggést mutató indexet alkalmazunk: a régóta alkalmazott, a vegetáció szárazság stressz helyzetére érzékeny NDVI-t (Normalized Difference Vegetation Index = normalizált különbségen alapuló vegetációs index), a nagyobb biomasszával rendelkező területeken érzékeny EVI-t (Enhanced Vegetation Index = javított vegetációs index), valamint a levél víztartalmára érzékeny NDII index-et (Normalized Difference Infrared Index = normalizált különbségen alapuló infravörös index).
A vegetációs indexek abszolút értékei nem alkalmasak az egészségi állapot idő-és térbeli változásainak elemzésére. A vegetációs indexeket emiatt standardizálni szükséges, ami azt jelenti, hogy adott időpontbeli értékeiket az adott naptári napon a korábbi években mért értékek átlagainak az arányában fejezzük ki.
Itt megjegyezzük, hogy a pixel-adatok természetüknél fogva statisztikai jellegűek. Ez azt jelenti, hogy egy-egy pixel értéke adott időpontban jelentősen is eltérhet a környező pixelek értékétől. Ezért is fontos, hogy több (sok) pixelt foltokká vonjuk össze ott és akkor, ahol és amikor azt a pixelek konzisztens megjelenése indokolja.
A távérzékelt adatokból az egészségi állapotra egy adott időpontban több lépésben próbálunk következtetni. Az első lépés az, hogy megnézzük, egy-egy területen az egészséges erdőkre jellemző értékektől (a hosszú távú átlagtól) milyen mértékben térnek el egy-egy pixel indexei. (Az eltéréseket a térképen színkóddal jelöljük. Ahol az eltérés kicsi, ott a pixelt zöldre színezzük; ahol az eltérés nagyobb, ott az eltérés mértékétől függően a narancs, majd a piros valamely árnyalatára.) Ahol az eltérés elég nagy, ott a második lépésben megnézzük, hogy volt-e, lehetett-e előzménye annak, hogy az adott pixel színe piros. Ezt a korábbi évek adatainak, ill. az adott évi, korábbi naptári napokhoz tartozó adatok trendjeiből próbáljuk eldönteni.
A magas fokú homogenitással jellemezhető, nagyobb foltokon ezután több releváns környezeti paraméter (pl. klímatípus, talajra vonatkozó adatok, a faállomány fafaja és kora, kitettség, fekvés) figyelembe vételével próbáljuk értelmezni a probléma okát. A nagyobb területen, és különösen a klímaváltozás erősödésével párhuzamosan jellemzően kialakuló egyik ilyen ok az aszály lehet. Az erdők aszály érintettségét egy vízmérlegen alapuló aszályindex és a távérzékelt egészségi állapot együttes figyelembevételével fejezzük ki. A vízmérleg modell felállításához meteorológiai adatokra, valamint a talaj elérhető vízkapacitására van szükség.
Végül az utolsó lépésben esetenként a terepen ellenőrizni (validálni) kell egy-egy olyan feltételezést, hogy a területen tényleg észlelhető egészségi állapot romlás, vagy egyéb erdőkár. A validálás alapját az ERTI erdővédelmi osztálya által megfigyelt hosszú lejáratú parcellák egészségi állapotának adatbázisa jelenti.
A monitoring végső céljának megfelelően olyan esetekben, amikor valahol gyanú merül fel nagyobb területen, komolyabb mértékű fapusztulásra, értesítjük az érintetteket. Ilyen esetekben erdővédelmi szakemberek értékelik az érintett területeket helyszíni bejárással az okok feltárásának céljából, majd – szükség esetén – e-mail alapú rendszerben értesítjük az erdőtulajdonosokon és –kezelőkön kívül a NÉBIH erdővédelmi szakembereit is.
Eredmények
A fejlesztés eredményeként létrejött egy távérzékelési adatbázis. A módszertan további fejlesztése folyamatos munkát jelent.
Az eredmények és a rendszer használhatóságának szemléltetésére bemutatjuk az alábbi ábrasort. A 2. ábra egy 2018. augusztusi feldolgozott képet ábrázol. A képen az erdőterületet lefedő pixeleken – a háttérként szolgáló térkép előtt – világosabb zöld színnel az egészségesnek látszó, sárgás, majd pirosas színnel pedig a kép készítésének időpontjában a valamilyen okból kifolyólag csökkentett fotoszintézist mutató állományok látszódnak. (A műholdképek közvetlenül a fotoszintézis intenzitásáról adnak információt a hosszú távú átlaghoz képest. Azt, hogy egy-egy helyen az intenzitás csökkentését mi okozhatja, csak egyéb vizsgálatokkal lehet eldönteni.) További információkhoz l. a monitoring honlapját.
A 3. ábrasor 2015-ben készített térképek részletei; mindig ugyanazokat a – 2014. decemberében jégkárt szenvedett – területeket mutatják. A fenti erdőtömb a Börzsöny, a lentebbi a Pilis és a Visegrádi-hegység nagyobb erdőterületei. Látható, hogy az első, május 8-i, a vegetációs időszak elején készített felvételen már láthatók problémás pixelek jól körülhatárolható tömbökben. A következő képen elég nagy területek sötétzöldek, ehhez képest a piros foltok mérete tovább nőtt. Méginkább egyértelműek a piros foltok a következő képen, ahol viszont a többi pixel is halványabb zöld vagy sárga. Ez azt mutatja, hogy az indexek éven belül akkor is ingadozó értékeket mutathatnak – pl. az időjárás függvényében -, ha egyébként az erdők egészségesek. A negyedik képen “visszarendeződés” látható. Ez azonban szintén csak átmeneti, mert a négy hátralévő képen, egészen az utolsó, 241. napig nem szűntek meg a foltok. – A foltok megfelelő módszerekkel akár a károk kiterjedésének becslésére is megfelelő alapot nyújthatnak.
3. ábra. A 2014. decemberében történt, többek között a Börzsönyben (az ábrákon fent) és a Pilis-Visegrádi hegységben (a képeken lent) történt jégkárok hatása a 2015-ben készített néhány felvételen. A felvételek időpontjai balról-jobbra haladva: 129., 145., 161., 177. nap (felül), ill. 193., 209., 225. és 241. nap (alul).
A 4. ábrasor ugyanazokon a napokon 2016-ban készült képeket mutatja. A különböző nagyságú, kiterjedt piros, ill. sárga foltok a Börzsönyben még az utolsó 4 képen is jól kivehetőek. A Pilisben 2016-ban ugyanakkor már jóval kisebb mértékűnek mutatkoznak a foltok, ami amiatt lehet, hogy a Pilisben kisebb nagyságú lehetett a jégkár. A vegetáció tehát visszahódítja a területet, amiben sokat segített az erdőgazdaságok munkája is. A vegetáció azonban ebben az esetben részben lágyszárú, ill. cserje-vegetáció, aminek a fás vetetációtól való eltérése a távérzékeléses módszerekkel nem mindig lehetséges.
e
4. ábra. A 2014. decemberében történt, többek között a Börzsönyben (az ábrákon fent) és a Pilis-Visegrádi hegységben (a képeken lent) történt jégkárok hatása a 2016-ban készített néhány felvételen. A felvételek időpontjai balról-jobbra haladva: 129., 145., 161., 177. nap (felül), ill. 193., 209., 225. és 241. nap (alul).
Az erdők egészségi állapotát jellemző térképi megjelenítés mellett a jövőben tervezzük a kedvezőtlen egészségi állapotú helyek jobb kiemelését, és – megfelelő hosszúságú idősor kialakulása után – adott helyek idősor-adatainak a lekérhetőségét is.