Känner du någon som är så fast i detaljerna i ett problem att de "inte kan se skogen för träden?" Forskare som försöker förstå hur skogar återhämtar sig från skogsbränder har ibland det motsatta problemet. Konventionella satellitsystem som kartlägger stora landområden som bränts av skogsbränder ger användbara, allmän information, men kan blunda över viktiga detaljer och få forskare att dra slutsatsen att en skog har återhämtat sig när den fortfarande är i de tidiga stadierna av återhämtning.

Enligt ett team av ekologer vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, en ny teknik som använder en kombination av fjärranalysmetoder med mycket högre upplösning ger en mer exakt och mer detaljerad bild av vad som händer på marken. I en artikel som kommer att dyka upp i juni 2018-numret av tidskriften Remote Sensing of Environment, de beskriver hur de använde satellitbilder med mycket högre upplösning och flygmätningar som samlats in av NASA för att karakterisera ett skogsområde som skadats av en skogsbrand 2012 som hade spridit sig till laboratoriets område.

"Att kunna kvantifiera sambandet mellan skogens återhämtning och brännskador är viktig information för oss att förstå både skogens dynamik och kolbindning, sa Ran Meng, en postdoktoral forskarassistent i Brookhaven Labs forskargrupp för Terrestrial Ecosystem Science &Technology (TEST) och huvudförfattare på uppsatsen. "Det här arbetet visar att genom att använda mer avancerade fjärranalysmätningar med mycket högupplöst spektral avbildning och LiDAR - en teknik som gör att vi kan mäta skogens fysiska 3D-struktur - kan vi karakterisera brandeffekter och övervaka återhämtning efter brand mer exakt, " han sa.

Alistair Rogers, ledaren för TEST-gruppen lade till, "Detta arbete är ett bra exempel på värdet av hög upplösning, multisensor, fjärranalys. Den nya kombinationen av data från dessa sensorer möjliggjorde en djupare förståelse av en utmanande ekologisk fråga och ger ett nytt verktyg för skogsförvaltning."

Marknivå, inte överensstämmer med satellitdata

Meng noterade behovet av förbättrade fjärrmätningar som doktorand innan hon kom till Brookhaven. Medan jag spårade återhämtning av vegetationen efter skogsbränder i bergsväster och Kalifornien, hans observationer på marken stämde inte överens med vad de konventionella, satellitmätningar med måttlig upplösning (som de som erhållits av Landsat) visades.

"Gör fältstudier, vi mäter trädparametrar och funktioner, och vi kan se om baldakinen – den del av ekosystemet som bildas av trädtopparna – är frisk, eller om det bara är återväxt på marknivå, sa Meng.

Forskarna måste kunna urskilja denna "understory" tillväxt (till exempel, buskar och gräs) från taket för att avgöra om skogen faktiskt har återhämtat sig till sitt tillstånd före brand.

"När det gäller att sköta skogar och förstå hur mycket kol som lagras i dessa system och hur de stöder biologisk mångfald och förändras över tid, kronträden är det viktiga, " förklarade Shawn Serbin, Mengs handledare på Brookhaven.

Men traditionell satellitbild, som har använts för att studera stora skogsbränder sedan 1970-talet, kan inte skilja taket från undervåningen, Serbin noterade. Den producerar bilder med mycket större pixelstorlekar – kvadrater med sidor som mäter cirka 30 meter eller mer – och mäter bara i några få "kanaler, " eller reflekterade färger/våglängder av ljus, utan känsla av djup.

"Så, om en eld sveper igenom och sedan ett gäng örtartade växter som är mycket gröna dyker upp i den nyligen exponerade undervåningen, ett traditionellt satellitsystem skulle bara se allt detta på en gång – ett allmänt mönster av grönhet – och förväxla det som att visa att "vegetationen har återhämtat sig, även när det fortfarande finns helt brända träd på marken, sa Serbin.

"Klart, vi behöver ett sätt att mer i detalj förstå hur skogen återhämtar sig i form av trädkronor utan att behöva genomföra omfattande markstudier, vilket skulle vara alldeles för tids- och arbetskrävande, " lade han till - eller som Meng uttryckte det, "omöjligt uppdrag."

En slumpmässig möjlighet

Lyckligtvis, fjärranalystekniker har kommit långt sedan 1970-talet, särskilt under de senaste 10 åren. Och tack vare ett pågående samarbete med forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center och tillgången på kommersiella satellitbilder med fin upplösning, Meng och Serbin fick en chans att prova dessa uppdaterade teknologier och jämföra resultaten med markobservationer.

Deras testbädd var ett stycke skog i deras egen bakgård som hade skadats när en skogsbrand i Long Island Pine Barrens spred sig till en outvecklad del av Brookhaven Labs egendom i april 2012. Meng använde först kommersiella bilder med fin upplösning som köpts av National Geospatial -Underrättelsebyrån (NGA), samlas in före och efter branden, för att skapa en högupplöst karta över brännskador (publicerad tidigare). Sedan, han använde den här kartan för att överlagra detaljerade mätningar av skogens egenskaper som han extraherade från fjärranalysbilder som samlades in av NASAs Goddard-team 2015. Genom att jämföra högupplösta fjärrdata med sina egna observationer på marken, Meng och Serbin kunde testa om den nya tekniken förmedlade en korrekt representation av hur träden återhämtade sig i de olika områdena av brännskador.

"Detta var en möjlighet att studera skogens dynamik på ett aldrig tidigare skådat sätt, sa Serbin.

De luftburna NASA-instrumenten inkluderade kameror för mycket högupplöst digital fotografering (med pixlar som mäter en kvadratmeter istället för de 30 x 30-meterspixlar som används av konventionella satelliter); "hyperspektral" avbildning (för att fånga upp ljus i ~100 färger); termisk infraröd avbildning (för mätning av värme); och LiDAR (som fungerar som en radarpistols hastighetsdetektor – som skjuter ut strålar av nära-infrarött ljus och mäter hur lång tid det tar att studsa tillbaka för att mäta avståndet, eller i det här fallet, djupet in i skogen).

Eftersom dessa instrument gör sina mätningar samtidigt, forskarna kan spåra exakt vilken färg (även subtila variationer av grönt) som reflekteras tillbaka, och från vilket djup i skogen – allt i en meters upplösning.

"Detta kan ge oss mycket mer information och minska våra osäkerheter för att förstå skogens dynamik och konsekvenser av brand, sa Meng.

De högupplösta och 3D-strukturella data kunde skilja baldakinen från undervåningen och gav forskarna en korrekt representation av skogens återhämtning i förhållande till brännskador som matchade vad de såg på marken.

Istället för en återhämtningshastighet som ökade med ökande brännskador, som konventionella satellitdata – mörklade av ny understory-tillväxt – hade föreslagit, högupplösta data visade en ökande återhämtningsgrad för kronträd upp till en viss tröskel.

"Innan de når en viss tröskel för skada, träd kan återhämta sig – skapa nya grenar. Men efter att de når denna kritiska punkt blir de dödade och kan inte återhämta sig. De måste börja om från början och det kommer att ta lång tid, " sa Meng. Under tiden, nya underliggande arter som drar fördel av solljuset som kan nå marken genom den utarmade baldakinen, snabbt ta deras plats.

Att se artskillnader på distans

Forskarna kunde till och med plocka ut kvantitativa skillnader i återhämtningsgrad mellan olika arter i trädkronorna.

"Här på labbet, vi har ett enkelt exempel på tall vs ek. Tall har en konisk form med tunna, tätt packade, mörkgröna nålar. Ek har en rundare struktur med breda ljusare blad. De har också olika kemi och vattenhalt. Allt detta förändrar hur de reflekterar ljus, så de har var och en en unik "spektral signatur" som vi kan välja ut med dessa nya teknologier, sa Serbin.

Forskarna använde maskininlärningstekniker för att träna datorer att känna igen de unika spektrala och strukturella egenskaperna så att de kunde skilja mellan dessa och andra arter.

"Med ett traditionellt satellitbildsystem, det skulle vara omöjligt att skilja dessa arter åt. Men nu, för första gången, vi kan använda vår nya teknik för att kvantifiera dessa svar över stora områden och över en längre tid än någonsin tidigare, sa Meng.

Att tillämpa kunskapen

Förutom att ge insikt om hälsan hos Long Island Pine Barrens, Metoden ska fungera för att förbättra fjärrbedömningar av brandskador och återhämtning i olika typer av skog, och särskilt i avlägsna områden där fältstudier är opraktiska.

"Vi tycker att den här metoden bör tillämpas över hela världen. Vi tror att den är anpassningsbar, och uppgifterna är allmänt tillgängliga, så att vi kan skala upp det här, sa Serbin.

Att förstå detaljerna i skogens dynamik skulle hjälpa till att informera om skogsförvaltningsstrategier, till exempel när och var man ska genomföra en kontrollerad förbränning för att begränsa ansamlingen av bränsle för skogsbränder, eller för att identifiera var nya träd – och vilka typer – ska planteras för att upprätthålla den biologiska mångfalden. Det skulle också ge input till modeller utformade för att förutsäga hur skogsekosystem kommer att reagera på andra typer av utmaningar, som torka eller klimatförändringar.

"De personer som har till uppgift att projicera hur ekosystem kommer att reagera på förändringar i framtiden behöver mycket detaljerad information om dynamiken i skog och vegetation för sina modeller, ", sa Serbin. "Vi har lärt oss att strukturen hos vegetationen är starkt relaterad till hur mycket kol som kan lagras i dessa ekosystem, och att ekosystem med högre biologisk mångfald lagrar mer kol. Så förmågan att bedöma biologisk mångfald och skogsstruktur kommer att vara mycket viktig för att bygga dessa modeller."