Assessment of the dominant alpine sward species condition of the Tatra National Park using hyperespectral remote sensing

Abstract

Różnorodność muraw wysokogórskich jest odzwierciedlona w cechach spektralnych, które można analizować za pomocą narzędzi teledetekcji. Każdy gatunek z racji na swoje strategie rozwoju ma unikatowy zestaw właściwości, które świadczą o jego stanie w poszczególnych zakresach widma elektromagnetycznego. Przedmiotem niniejszej pracy były dominujące gatunki muraw wysokogórskich Tatrzańskiego Parku Narodowego: sit skucina (Juncus trifidus), boimka dwurzędowa (Oreochloa disticha), mietlica skalna (Agrostis rupestris), śmiałek pogięty (Deschampsia flexuosa), kostrzewa niska (Festuca airoides), kostrzewa barwna (Festuca picta), kosmatka brunatna (Luzula alpino-pilosa), bliźniczka psia trawka (Nardus stricta). Obszar badawczy obejmował homogeniczne płaty poszczególnych gatunków znajdujące się w transekcie poprzecznym wzdłuż najważniejszych szlaków. Badania objęły zarówno wydeptywane poligony, jak i referencyjne znajdujące się ponad 10 m od szlaków. Szczególna uwaga zwrócona była na obszary poddane rekultywacji przez TPN, jak i obszary stałego monitoringu PKL i TPN. Większość poligonów zlokalizowana była w okolicach Kasprowego Wierchu, Beskidu, Doliny Gąsienicowej oraz Czerwonych Wierchów. Badania bazowały na terenowych pomiarach spektrometrycznych ASD FieldSpec 3. Jako dane referencyjne wykorzystano pomiary fluorymetryczne oraz bioradiometrycznych w okresie badawczym 2011-2014. Uzyskane dane zostały przeanalizowane statystycznie, a następnie obliczono teledetekcyjne wskaźniki roślinności, które pozwoliły ocenić i porównać kondycję badanych gatunków. Rekultywowana roślinność wykazała się cechami bliższymi właściwościom spektralnym płatów referencyjnych, niż uszkodzonych, które w sposób znaczący i istotny statystycznie potwierdziły negatywny wpływ wydeptywania. Wpływ ten jest różny dla poszczególnych gatunków. Zmiany istotne statystycznie różniły się w zakresie widma opisującym ilość chlorofilu, struktury komórkowe oraz zawartość wody w roślinności. Obniżone wartości wskaźników odnotowano dla poligonów wydeptywanych, zwłaszcza dla wskaźników opisujących chlorofil (np. ratio analysis of reflectance spectra algorithm chlorophyll a), stan ogólny (np. normalized multi-band drought index) i zawartość wody w roślinności (np. water band index). Potwierdzono to także poprzez pomiary fluorescencji (wskaźnik Fv/Fm). Ogółem wartości wskaźników mieściły się w optymalnych przedziałach, stan muraw wysokogórskich określono jako dobry. Zastosowanie metod fluorescencji i teledetekcji potwierdził ich przydatność do analizy gatunkowej na obszarach górskich, oceny jej kondycji i monitoringu.Vegetation through its condition reflects properties of the environment. A variety of alpine plant characteristics can be analyzed with an application of remote sensing tools. The aim of the study was to assess the condition of dominant species of alpine swards (Juncus trifidus, Oreochloa disticha, Agrostis rupestris, Deschampsia flexuosa, Festuca airoides, Festuca picta, Luzula alpino-pilosa and Nardus stricta) using hyperspectral remote sensing techniques. The study area was the Tatra National Park (Poland), in particular, areas where the vegetation of high mountain grasslands was strongly pressed by tourists (the Kasprowy Peak with surroundings hills and the Red Peaks). ASD FieldsSpec 3 spectrometer, fluorometer, and bioradiometric instruments during selected periods of 2011 to 2014 were used. Research polygons were located: along the trail, which depicted trampled vegetation and 10 m away from the trail ˗ as reference polygons. In addition, measurements were taken on areas where the Tatra National Park actively protects remediation of the vegetation. The obtained spectral properties for species of trampled, referenced and remediation patches were statistically significantly different of cellular structures, chlorophyll and water content in the canopy. Worst index values were observed for trampled plants, especially among chlorophyll based indices (e.g. ratio analysis of reflectance spectra algorithm chlorophyll a), general condition (e.g. normalized multi-band drought index) or water content (e.g. water band index). Species of remediation areas are characterised by a similar or sometimes even better properties than the reference areas. This observation was also confirmed by fluorescence measurements (e.g. Fv/Fm index). In general, index values were within optimal ranges, so the condition of the high grasslands was determined as good one. Application of fluorescence analysis and remote sensing tools confirms the suitability of such methods for monitoring of species in mountain areas