Nationell metodik för satellitbaserad våtmarksövervakning

Det nationella övervakningsområdet omfattar hela Sverige med undantag för fjällen (Figur 1). Anledningen till att fjällregionen inte ingår beror dels på att underlaget för avgränsningen av den öppna myren i fjällen är sämre än för skogslandet, dels på att fenologiska problem är en mer vanligt förekommande felkälla beroende på en kortare vegetationsperiod samt att kunskapen om våtmarkstyperna i fjällregionerna är sämre än nere i skogslandet där VMI har bidragit till en bättre kännedom om myrvegetationen.

Den satellitbaserade övervakningen av våtmarker består av följande arbetsmoment: förarbete, preparering, basklassning, förändringsanalys, utvärdering, resultatsammanställning och slutleverans.

Figur 1. Nationellt övervakningsområde där öppen myr visas i gult, skog i grönt, jordbruksmark i brunt och fjällregionen i grått.

Förenklat kan förändringsanalysen ses som en trestegsraket (Figur 2) med följande steg:

1. En basklassning genomförs där den öppna myren delas in i ca 20 spektralt homogena basklasser. Basklassindelningen görs semi-automatiskt i den äldsta satellitbilden i en hierarkisk beslutsprocess.
2. Här undersöks om basklasserna vid nästa tidpunkt fortfarande är spektralt homogena eller om de har förändrats. Förändringsanalysen görs stratifierat, dvs. separat för varje basklass. Ytor inom basklassen som har förändrats mer än basklassen i stort ges en förändringsindikation som läggs ihop för samtliga basklasser till det slutliga resultatet.
3. Här redovisas var och hur mycket den öppna myren förändrats under tioårsperioden.

Figur 2. Schematisk beskrivning av förändringsanalysen. I steg 1 används den äldre satellitbilden tillsammans med en "öppen myr"-mask från digital karta. Den öppna myren delas in i ca 20 spektralt homogena basklasser. I steg 2 används den yngre satellitbilden för att undersöka om basklasserna förändrats spektralt. I steg 3 redovisas var och hur mycket öppen myr förändrats under tioårsperioden.

Förarbete inför analysen

Förändringsanalysen baseras på Landsat TM/ETM satellitdata. I varje analys studeras förändringar i satellitscener från två tidpunkter med ca 10-års mellanrum.

Val av satellitscener och väderanalys

För att undvika att skillnader i resultat som beror på väderförhållanden mellan olika år görs en analys av väderförhållanden för de ingående scenerna. Viktigt är då att undersöka om det är ovanligt blött i markerna vid tidpunkten då satellitscenen togs eller om det finns andra anledningar att anta förändrad vegetationsutveckling (fenologi). För att minimera att myrarnas fenologi ska vara olika mellan tidpunkterna eftersträvas i urvalet av scener att de är registrerade mellan 20 juni och 15 augusti.

I väderanalysen samlas data in från SMHIs väderstationer avseende medelnederbörd, medeltemperatur och antal frostnätter. Väderanalysen innehåller huvudsakligen stationer i aktuell länsgrupp, men även stationer från angränsande län för att erhålla en större geografisk spridning (Figur 3).

Figur 3. Data till väderanalys. Väderstationer (till vänster). Nederbörden i procent av den normala (i mitten). Medeltemperaturens avvikelse från normalvärdet i °C (till höger). (SMHI, 2009).

Preparering av bakgrundsdata inför analysen

För att kunna genomföra förändringsanalysen krävs att man parar ihop de två scenernas tidpunkter till ett scenpar. Undersökningsområdet kommer att bestå av ett lapptäcke av scenpar. Dessutom måste man ta bort områden från scenerna som inte är intressanta eller meningsfyllda att analysera. Detta görs genom att lägga på fjäll-, myr- och molnmasker.

Fjällmasken tar bort området som utgörs av fjällregionen (Figur 4) eftersom dessa myrar, likt VMI, inte ingår i analysen.

Figur 4. Nationellt övervakningsområde där öppen myr visas i gult, skog i grönt, jordbruksmark i brunt och fjällregionen i grått.

Myrmasken hämtas från Svenska MarktäckeData (SMD), där alla Sveriges markklasser ingår. Eftersom analysen endast berör öppen myr kodas bara markklasserna "Limnologiska våtmarker", "Blöt myr", "Övrig myr" och "Torvtäkt" om för att bilda "öppen myr"-mask (Figur 4).

Molnmasken skapas för varje satellitscen där områden som täcks av moln, molnskugga och molnslöja ingår. Molnen identifieras och klassas med TM1 (Landsat TM band 1), och eftersom molnområden ofta uppvisar tunnare moln i anslutning till mer homogena moln inkluderas även ett buffertområde på 150 m utanför själva molnen i molnmasken. För att hitta och klassa molnskugga skapas en kvot mellan TM2 och TM1. Därefter klassas molnskuggor också fram genom så kallad spektral tröskling. Molnslöjor identifieras och klassas manuellt.

Maskerna läggs över varandra och bildar tillsammans avgränsningarna för det öppna våtmarksområdet som undersöks i analysen.

Basklassning

Basklassningen görs i scenparets äldre satellitscen. Basklassningen särskiljer spektralt homogena våtmarksenheter som sedan utgör grunden för den riktade förändringsanalysen som genomförs i nästa steg. Basklassningen utförs i steg där enskilda band samt kvoter mellan band används för att separera basklasserna åt (figur 5). De band och bandkvoter som används vid basklassningen är följande: TM5-bandet, TM3/TM2-kvoten, TM4/TM3-kvoten och TM4/TM5-kvoten.

Exakt vilka basklasser som urskiljs och vilka bandkvoter som används, beror på vilka myrtyper som förekommer inom aktuellt område och i viss mån också på registreringstidpunkt (även om den senare faktorn minimerats i största möjliga mån genom att välja bilder inom samma period på året).

Beslutsgränserna sätts interaktivt i satellitbilden och som stöd för bedömningen används information från flygbildstolkning och/eller fältkalibrering. Basklassningsmetoden är en vidareutveckling av framtagen metodik för våtmarksklassificeringen för Svenska MarktäckeData (Boresjö Bronge & Näslund-Landenmark, 2002).

Figur 5. Struktur för hur basklassningen är hierarkiskt uppbyggd. Indelningen i klasser sker i tur och ordning enligt flödesschemat.

Förändringsanalys

Stratifiering utifrån myrtypsregioner

Scenparen täcker ibland stora områden och trots att de två satellitscenerna är registrerade inom ett jämförbart tidsspann så kan det inom scenen förekomma skillnader i växtfas mellan olika regioner. För att undvika skillnader i förändringsanalysen som egentligen är av fenologisk natur stratifieras analysen utifrån myrtypsregioner (Figur 6). De myrtypsregioner som används är de som beskrivs i VMI-rapporten (Gunnarsson och Löfroth, 2009).

Figur 6. Myrtypsregioner. För att undvika skillnader som egentligen är av fenologisk natur stratifieras analysen utifrån myrtypsregioner (Gunnarsson och Löfroth, 2009).

Förändringsanalysens metodik

Eftersom myrtyperna avgränsas (i basklassningen) vid tidpunkt 1 så kan spektralt avvikande myrar, dvs. förändrade myrar, sökas genom riktad förändringsanalys inom basklasserna vid tidpunkt 2 (Figur 7).

Figur 7. Principskiss av den riktade förändringsanalysens olika steg. Från Boresjö Bronge (2006). Röda fält i steg 2 indikerar områden med förändringsanalys.

Förändringsanalysen görs utifrån objektspecifika spektrala parametrar och även här utnyttjas bandkvoter. I analysen används de basklasser som genererades i basklassningen. Inom var och en av dessa klasser söks avvikande våtmarker ut. Utsökningen görs genom att räkna ut medelvärden och standardavvikelserna för de olika klasserna i den yngre scenen för tre bandkvoter (se nedan). Dessa kvoter är designade för att identifiera ökad biomassa (igenväxning).

Förändrade områden delas in i två förändringsklasser: potentiell och säker förändringsindikation. Potentiell förändringsindikation är en mindre stark förändringsindikation och definieras som ytor med mellan 1,5 till 2,0 standardavvikelsers förändring i förhållande till medelvärdet i den kvot som använts (där tecken på standardavvikelsen beror på använd kvot), se Figur 8. Säker förändringsindikation är en starkare förändringsindikation, och definieras som ytor med mer än 2,0 standardavvikelsers förändring i förhållande till medelvärdet i den kvot som använts (Figur 8).

Figur 8. Brytvärden för potentiell förändringsindikation mellan 1,5 till 2,0 standardavvikelser från medelvärdet i respektive kvot visas i gult. Säker förändringsindikation vid mer än 2,0 standardavvikelser från medelvärdet i respektive kvot visas i rött.

Kvoterna som används för att identifiera områden med ökad biomassa (igenväxning) är: TM3/TM2-kvoten i kombination med TM5/TM3-kvoten och TM4/TM3-kvoten. För varje basklass beräknas "brytvärden" enligt följande (Figur 8):

• Ökad biomassa (igenväxning) söks i TM3/TM2-kvoten med hjälp av brytvärdena -1,5 samt -2 standardavvikelser i förhållande till medelvärdet.
• Ökad biomassa (igenväxning) söks i TM5/TM3-kvoten med hjälp av brytvärdena 1,5 samt 2 standardavvikelser i förhållande till medelvärdet.
• Ökad biomassa (igenväxning) söks i TM4/TM3-kvoten med hjälp av brytvärdena 1,5 samt 2 standardavvikelser i förhållande till medelvärdet.

Generalisering av delresultat

De olika delresultaten läggs ihop för varje basklass (Figur 7) varefter förändringsklasserna generaliseras till en minsta karteringsenhet på 0,5 ha, dvs. ströpixlar tas bort om de inte är större än 8 sammanhängande pixlar. Detta görs för att minska antalet små ytor som av olika slumpfaktorer kan ha avvikande spektralmönster. Slutligen skapas ett slutresultat med förändringsklasser för samtliga basklasser (Figur 7).

Förändringsklassning

Förändringsanalysen resulterar i en förändringsklassning med fyra klasser som tillsammans bildar den öppna myren (Figur 9).

• F-klass 1: Potentiell förändringsindikation
• F-klass 2: Säker förändringsindikation
• F-klass 3: Övrig analyserad öppen myr
• F-klass 4: Ej analyserad öppen myr

Figur 9. Exempel på förändringsklassning för ett 2 km x 4 km stort område.

Exempel på förändringsindikation

Exempel på förändringsindikation som upptäckts med hjälp av den satellitbaserade förändringsanalysen visas nedan (Figur 10).

Figur 10. Ett exempel på hur förändringsklasserna visas i öppen myr med fastighetskartan i bakgrunden. Observera förändringsområdena runt diket i norra delen av utsnittet. Som bakgrundskarta ligger fastighetskartan.

Utvärdering

Efter att man fått ett heltäckande skikt med ytor med förändringsindikation utvärderas hur stor andel av ytorna som är verklig förändring och vad som i så fall kan ha orsakat denna förändring.

Utvärderingsområden

Undersökningsområdet täcker en stor yta och för att utvärderingen ska bli kostnadseffektiv slumpas ett fåtal större (ca 1 500 km²) utvärderingsområden ut. Ett lämpligt krav i samband med fördelningen av utvärderingsområdena är att de bör fördelas på olika myrtypsregioner (Gunnarsson och Löfroth, 2009).

Utvärderingsytor

För att få ett representativt stickprov av utvärderingsytor slumpas inom respektive utvärderingsområde ytor á 0,5 ha ut, både bland förändringsindikationsytor (FI-ytor) och oförändrade referensytor.

FI-ytorna bör utgöra ca 80 % av utvärderingsytorna och slumpas ut inom förändrad våtmark oavsett basklass eller grad av förändringsindikation (säker samt potentiell förändringsindikation). Referensytorna bör således utgöra ca 20 % av utvärderingsytorna och slumpas ut inom de icke-förändrade områdena i "öppen myr"-masken.

Flygbildstolkning inom utvärderingen

Ett syfte med flygbildstolkningen är att bekräfta om förändring skett och förklara vad anledningen till förändringen var. Ett annat syfte är indikera vilka utvärderingsytor som behöver fältkontrolleras. Ytor som inte ligger inom öppen myr samt ytor där tydliga ingrepp och ökad tillväxt kan ses i flygbild behöver i regel inte besökas i fält.

De parametrar som samlas in vid flygbildstolkningen beskrivs dels inom de utslumpade 0,5 ha stora utvärderingsytorna och dels inom en radie av 500 m kring ytan (Figur 11). Flygbildstolkaren får inte veta om utvärderingsytan är en FI-yta eller en referensyta. De insamlade parametrarna beskrivs utförligare av Backe et al (2012).

Figur 11. Vid utvärderingens flygbildstolkning beskrivs parametrar dels inom den 0,5 ha stora utvärderingsytan (röd linje) samt inom en radie av 500 m kring ytan (blå linje).

De parametrar som noteras inom utvärderingsytan vid flygbildstolkning är:

• Passning av 'Öppen myr'-mask. Eftersom myrmasken ibland inte är helt korrekt görs en kontroll om utvärderingsytan ligger inom öppen myr.
• Krontäckning. En uppskattning av trädskiktets krontäckning inom utvärderingsytan.
• Typ av förändring. Här beskrivs den typ av förändring som kan ses i flygbild vid jämförelse mellan det äldre och det yngre underlaget, exempelvis upphörd hävd eller uppslag av sly.

De parametrar som noteras inom en radie på 500 m zon kring utvärderingsytan vid flygbildstolkning är:

• Ingrepp. Här noteras olika mänskliga ingrepp i myren eller dess omgivning inom 500 m-ytan. Avstånd och riktning till ingrepp från utvärderingsytan anges samt ingreppets relevans för förändring i utvärderingsytan.
• Ingrepp. Förklaring till förändring. Här beskrivs om den eventuella förändringen kan beskrivas av ingrepp i tre klasser:
  • Förklaras med tydliga ingrepp. Anges om det finns en tydlig koppling mellan ingreppet och ev. förändring i utvärderingsytan.
  • Förklaras eventuellt med tydliga ingrepp. Anges om det finns en möjlig koppling mellan ingrepp och ev. förändring i ytan.
  • Förklaras inte med tydliga ingrepp. Det finns inget samband mellan ingrepp och ev. förändring i ytan.

Ett utvärderingsprotokoll har tagits fram för att underlätta både vid flygbildstolkningen och vid eventuella fältbesök (Figur 12).

Figur 12. Utvärderingsprotokoll för en yta med ingreppen dikning, väg och hygge. I detta exempel har dikning den högsta relevansen.

Fältkontroll

Syftet med fältkontrollen är att bekräfta om förändring skett och förklara vad anledningen till förändringen var.

I likhet med flygbildstolkningen beskrivs fältparametrar dels inom den 0,5 ha stora utvärderingsytan samt inom en radie av 500 m kring ytan. Vid fältkontrollen beskrivs ytan utan vetskap om det är en FI- yta eller en referensyta. Utförligare beskrivning av de insamlade fältparametrarna ges i Backe et al (2012).

Parametrar inom utvärderingsytan som uppges vid fältkontroll är följande:

• Myrtyp. För varje utvärderingsyta beskrivs typ med avseende på VMI delobjektstyp, hydrologisk vegetationstyp, vegetationens enhetlighet/homogenitet och Natura 2000 naturtyp.
• Trädskikt. Här beskrivs trädskiktet med avseende på krontäckning, trädslag och trädålder.
• Busk- och fältskikt. Här beskrivs busk- och fältskikt med avseende på förekomst av buskar och frodigt fältskikt.
• Ingrepp. Mänskligt skapade ingrepp som kan förklara förändringen uppges och rangordnas efter relevans.

Efter att ovanstående parametrar i fältprotokollet fylls i får fältinventeraren reda på om ytan är en FI-yta eller referensyta.

Slutlig bedömning av utvärderingsyta

Avslutningsvis görs en slutlig bedömning/förklaring till förändringsindikationen indelad i fyra kategorier:

• Verifierad förändring. En förändring av ytan som går att bekräfta i flygbild eller i fält. Det kan t.ex. vara tillväxt eller förtätning av träd, buskar eller fältskikt.
• Svårbedömt men komponenterna finns. Förändringen är svår att bekräfta i flygbild eller i fält. De s.k. komponenterna för frodig vegetation utgörs av förekomst av t.ex. dvärgbjörk, vide, björk, vattenklöver samt bredbladiga gräs- och halvgräs. En förtätning av dessa komponenter är mycket svår att bekräfta.
• Blöthet i ena scenen. Att extra högt eller lågt vattenstånd (blötheten) i den ena satellitscenen förklarar att ytan fallit ut som förändrad.
• Inget som tyder på förändring. Inget som tyder på förändrad vegetation kan ses i fält eller i flygbild, exempelvis saknad av uppslag/förtätning av buskar, träd eller enbart liten mängd frodig vegetation.

Resultatsammanställning

De preliminära resultaten från förändringsanalysen och utvärderingen granskas före den slutliga leveransen. Eventuella felaktigheter korrigeras och ett slutresultat sammanställs på läns- eller länsgruppsnivå.

Förändringsklassning

Den viktigaste slutprodukten av förändringsanalysen är förändringsklassningen. Det skikt som levereras är de analyserade myrarna uppdelat på de fyra förändringsklasserna, där F-klass 1 och 2 visar potentiell förändringsindikation respektive säker förändringsindikation (Figur 13).

• F-klass 1: Potentiell förändringsindikation
• F-klass 2: Säker förändringsindikation
• F-klass 3: Övrig analyserad öppen myr
• F-klass 4: Ej analyserad öppen myr

Figur 13. Exempel på förändringsklassning för ett 2 km x 4 km stort område.

Förändringskartor och miljömålsindikatorer

För att kunna följa upp de sexton svenska miljökvalitetsmålen behövs miljömålsindikatorer. I Miljömålsportalen (Miljömål.se, 2013) beskrivs att miljömålsindikatorerna är ett hjälpmedel som förmedlar utvecklingen i miljön och ger hjälp i uppföljning och utvärdering. En viktig del i arbetet har därför varit att hitta ett sätt att redovisa förändringsresultatet på ett relevant och lättbegriplig sätt som kan vara till grund för en miljömålsindikator.

Några olika förslag till miljömålsindikatorer, här kallade förändringskartor, har testats i syfte att på ett tydligare sätt redovisa resultatet från förändringsanalysen. Ett lämpligt och flexibelt sätt är att redovisa förändringsresultatet som andel Säker förändringsindikation per Analyserad myr för olika områdes- eller regionsindelningar. Följande indelningsgrunder har angetts, med datakälla inom parentes:

• Län (Geografiska Sverige Data, GSD)
• Kommuner (GSD)
• Indexrutor 10 km (Lantmäteriet)
• Delavrinningsområden (SMHI)
• Huvudavrinningsområden (SMHI)
• Naturgeografiska regioner (Nordiska ministerrådet 1984)
• Myrtypsregioner (Gunnarsson och Löfroth 2009)

Leverans

Den slutgiltiga produkten levereras till de berörda länsstyrelserna samt lagras lokalt tills det att datavärdskap har fastställts. Berörda länsstyrelser gör eventuellt en offentlig rapport, som redovisar förändringsanalysens resultat, utav den rapport som levereras vid slutleveransen.

I analysen arbetar man med enskilda scener och scenpar men slutresultaten är mosaiker som består av flera bilder som lagts samman för att täcka hela undersökningsområdet och det är mosaikerna som levereras vid slutleveransen.

Som ett exempel på en mosaik visas här en nationell mosaik som består av storleksordningen 100 satellitbilder (Figur 14).

Figur 14. En Sverigemosaik som består av ett stort antal satellitbilder som lagts samman. (Landsat Imagery, ESA/Eurimage, 1997-2002.)

Nedan listas översiktligt vad som ingår i leveransen till länsstyrelsen.

• Förändringsklassning
• Förändringskartor indelat efter:
  • Län
  • Kommuner
  • Indexrutor 10 km
  • Delavrinningsområden
  • Huvudavrinningsområden
  • Naturgeografiska regioner
  • Myrtypsregioner
• Satellitscenmosaiker för respektive tidpunkt
• Basklassning
• Utvärdering och kalibrering
  • Shp-filer som visar var ytorna finns.
  • Prokokoll i Excel-format med data från flygbildstolkning och fältbesök.
  • Fotodokumentation.
• Områdesgränser
  • Undersökningsområde
  • Scenparsgränser
  • Utvärderingsområden
• Dokument
  • Detaljerad leveransdokumentation.
  • Slutrapport.

Referenser

• Backe, S., Eriksson, K. & Gunnarsson, U., 2012. Markanvändningsrelaterade vegetationsförändringar inom öppen myr. Länsstyrelsen i Norrbottens län, Rapport 2012:4.
• Boresjö Bronge, L., 2006. Satellitdata för övervakning av våtmarker - Slutrapport. Länsstyrelsen Gävleborgs län, Rapport 2006:36, Länsstyrelsen Dalarnas län, Rapport 2006:38.
• Boresjö Bronge, L. & Näslund-Landenmark, B., 2002. Wetland classification for Swedish CORINE Land Cover adopting a semi-automatic interactive approach. Canadian Journal of Remote Sensing, vol 28, No 2, s 139-155.
• Gunnarsson, U. & Löfroth, M., 2009. Våtmarksinventeringen - resultat från 25 års inventeringar. Naturvårdsverket, Rapport 5925.
• Hahn, N., Wester, K., Gunnarsson, U. & Kellner, O., 2016. Kartering av vegetation på öppna myrar i Dalarna och Gävleborg - myrvegetationskartan. Länsstyrelsen Dalarnas län, Rapport 2016:01.
• Hahn, N., Wester, K., Hedvall, T., Backe, S., Gunnarsson, U. & Kellner, O., 2014. Satellitbaserad övervakning av våtmarker - Kartering av vegetation på öppna myrar. Rymdstyrelsen, Dnr: 230/12.
• Miljömål.se - den svenska miljömålsportalen, 2013. http://www.miljomal.se (hämtad 2013-02)
• Nordiska ministerrådet, 1998. Vegetationstyper i Norden. Nordiska ministerrådet. Tema Nord 510:1998.
• smhi.se, 2009. http://www.smhi.se (hämtad 2013-02)