Home About Browse Search
Svenska


Aerial photo interpretation for change detection of treeline ecotones in the Swedish mountains

Heiskanen, Janne and Nilsson, Björn and Mäki, Ann-Helen and Allard, Anna and Moen, Jon and Holm, Sören and Sundquist, Sture and Olsson, Håkan (2008). Aerial photo interpretation for change detection of treeline ecotones in the Swedish mountains. Umeå: (S) > Dept. of Forest Resource Management
(NL, NJ) > Dept. of Forest Resource Management
, Sveriges lantbruksuniversitet. Arbetsrapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för skoglig resurshushållning och geomatik ; 242
[Report]

[img]
Preview
PDF
2MB

Abstract

It is expected that the ongoing climate change will have a strong influence on the Earth’s
vegetation and cause the advancement of treelines towards the poles and up to higher
elevations. In the Swedish mountains, changes in the positions of alpine treelines have
already been reported, and major changes due to changing climate are predicted for the near
future. Remote sensing techniques have considerable potential to improve the monitoring of
spatially complex treeline ecotones, which are likely to show site dependent responses to
changing climate. Aerial photos provide the longest temporal record of remote sensing data
for studying the historical treeline changes. High spatial resolution and the possibility of
interpreting photos in three-dimensions are the main strengths of aerial photos. The National
Inventory of Landscapes in Sweden (NILS) is a nationwide environmental monitoring
program, which provides sampling infrastructure for monitoring treelines over the Swedish
mountains using high spatial resolution remote sensing data.

The aim of this project was to study the feasibility of visual interpretation of aerial photos for
monitoring changes in treeline ecotones (transition zones between closed forest and treeless
alpine vegetation). More specifically, our aim was to compare possible methods for change
detection using recent and historical aerial photos, and to demonstrate a method that is
applicable to the Swedish mountains using the NILS sampling infrastructure. We also wanted
to evaluate how the technical properties of the aerial photos, particularly the photo scale,
affect the change detection. The results were used for evaluating the potential and costs for a
more comprehensive change detection study including a greater number of NILS squares.

We compared interpretation methods in three 5×5 km NILS squares and studied in total six
5×5 km NILS squares for changes. Colour infrared aerial photos from two points in time
(1975–1980 and 2002–2004) were used. The evaluation of the technical properties of aerial
photos is important as the recent photos have been taken from a height of 4600 m (photo
scale approximately 1:30,000) and the historical photos from 9200 m (1:60,000). The
difference in photo scale could introduce significant errors to the change detection. Therefore
the effect of photo scale was studied in two experiments in a separate study site, which had
been photographed within a few days from both flying heights.

We assessed three visual interpretation methods: complete cover mapping (polygon
interpretation), sample plot method and transect method. To avoid recording false changes
and to minimize the effect of different photo scales, we interpreted the recent and historical
photos at the same time using scanned photos and digital photogrammetric workstations. The
first method, polygon interpretation, was tested by comparing the current NILS
interpretations for the central 1×1 km square within the 5×5 km NILS squares with the
historical photos, and updating polygon borders and attributes if changes were observed. In
the second method the vegetation variables were interpreted for circular sample plots (20 m
radius). We used digital land cover data and GIS techniques for defining a buffer zone
between the forest and the treeless alpine areas in order to focus the interpretation efforts on
the treeline ecotone. The distance between the systematically sampled plots was 250 m within
the treeline buffer. In the third method the variables were interpreted along subjectively
selected transects across the altitudinal treeline transitions. Transects were also used for
interpreting individual trees within the treeline, of which some were measured in the field.

Based on the analyses we can recommend the sample plot method for interpreting tree cover
changes within 5×5 km NILS squares. The main advantage with the method is that it can be applied to any NILS square overlapping the treeline ecotone, and that the sampling can be
done objectively. A treeline buffer zone based on digital land cover data provides one
possible method for pre-stratification. Delineation of polygon borders is not needed and small
sized sample plots are easier to interpret concerning vegetation changes than larger polygons.
This is particularly the case when changes are small. The polygon interpretation using change
control mapping can also be a cost-effective method for change detection within the 1×1 km
squares. The greatest advantage is that in addition to tree cover changes, it can provide
information on the spatial patterns (landscape structure). However, the small changes in the
borders are subjective and difficult to interpret. The transect method can also provide
characterization of treelines, particularly in relation to elevation, but the selection of transects
within NILS squares can be difficult. Furthermore, the result cannot be generalised to larger
areas similar to the method based on probability sampling.

We conclude that only tree cover changes can be interpreted with sufficient accuracy,
because of the relatively small scale historical photos. Larger scale photos and more
extensive field control would be necessary to interpret changes in small trees and shrubs. The
experiments with photo scale show that the greatest source of uncertainty is related to the
different photo scale of the recent and historical photos. The comparison of two independent
interpretations made at different scales would lead to detection of substantial false changes,
particularly if interpretations would be made by different interpreters. However, we think that
concurrent comparison of digital aerial photos from two points in time provides meaningful
change detection for tree cover although some errors due to scale effects should be expected.

The interpretation of six NILS squares by the sample plot method suggests that tree cover has
increased within the treeline ecotone in three of the squares. The results demonstrate the
potential of visual interpretation of aerial photos for treeline change detection. The
information on tree cover changes could supplement field based monitoring of treeline
elevations. Therefore, we consider that there is potential for a more comprehensive study to
examine tree cover changes in a greater number of NILS squares in the Swedish mountains.
Then, however, more emphasis should be given to the panchromatic black and white photos
from the 1960s, which have been taken from approximately the same flying height (4600 m)
as the most recent CIR photos. We estimate that a large scale study, involving the
interpretation of approximately 50–60 NILS squares for three points in time would require a
budget of about 1 million SEK. Airborne laser scanning and larger scale aerial photos are
potential data sources for monitoring future changes in treeline ecotones.

Authors/Creators:Heiskanen, Janne and Nilsson, Björn and Mäki, Ann-Helen and Allard, Anna and Moen, Jon and Holm, Sören and Sundquist, Sture and Olsson, Håkan
Title:Aerial photo interpretation for change detection of treeline ecotones in the Swedish mountains
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

De pågående klimatförändringarna, liksom eventuellt även ändringar i betestryck och
antropogen påverkan, förväntas ändra trädlinjens läge i de svenska fjällen. En diskussion
pågår även kring i vilken utsträckning detta redan har skett. Etableringen av nya träd i
trädgränsekotonen sker dock i ett mosaikartat mönster och det är svårt att mäta dessa
förändringar med objektiva metoder som också är representativa för ett större landskap.
Historiska flygbilder utgör dock en intressant informationskälla som bör kunna utnyttjas för
detta.

I denna metodstudie undersöks möjligheter och begränsningar med ett antal sätt att jämföra
nya infraröda flygbilder från 4600 m höjd registrerade 2002–2004 (skala ca 1:30 000) med
infraröda färgbilder från 9200 m höjd, registrerade mellan 1975–1980 (skala ca 1:60 000).
Utgångspunkten är att flygbildstolkningen görs inom de 5×5 km stora stickprovsområden
som definieras av Nationell Inventering av Landskapet i Sverige (NILS).

Tre olika metoder för flygbildstolkning testades.
1. Kartering av polygoner, där befintlig kartering från NILS jämfördes med äldre
flygbilder.
2. Tolkning av ett regelbundet rutnät av cirkelytor med 20 m radie. Vid utlägget av
cirkelytorna gjordes en stratifiering så att ett tätare grid med punkter användes inom
en buffertzon mellan fjäll och skogsmark, som extraherades från Svenska
Marktäckedata (GSD-Marktäcke).
3. Tolkning av subjektivt definierade transekter längs fjällsluttningen.

Bilderna skannades till digital form (upplösning 14 mikrometer). Tolkningen av bilder från
olika tidpunkter kunde därefter göras genom att i en digital fotogrammetrisk arbetsstation
växelvis betrakta stereobilder från två olika tidpunkter.

Baserat på våra erfarenheter från testerna så rekommenderar vi punktgittermetoden om
objektiva mått på trädskiktets förändring eftersträvas. Den metod vi använde för tätare
punktgrid nära trädlinjen fungerade också bra. Avgränsning av polygoner innehåller fler
subjektiva moment än punktgittermetoden. Transektmetoden blir subjektiv redan vid utlägget
av transekter, och resultatet kan därför inte generaliseras till hela landskapet.

Det är främst förändringar i trädtäckning (träd högre än 2 m) som vi lyckats tolka.
Förändringar i busktäckning bedöms som omöjliga att upptäcka vilket beror av de tidiga
bildernas begränsade skala. Det mosaikartade mönster som förändringarna sker inom, samt
effekter av sluttningsrikning och latitud, gör också att det är svårare att kvantifiera
trädgränsförändringen i termer av meter höjdändring per år än förändring i täckningsgrad för
trädvegetationen.

Eftersom de tidiga bilderna var registrerade i skala 1:60 000 och de sena i skala 1:30 000 så
innebär skillnaderna i bildskala en potentiell felkälla. Därför gjordes även två studier där
bilder i olika skalor från nästan samma datum jämfördes. Dessa studier visade att såväl
skillnader i fotoskala, som skillnader mellan tolkare kan vara väsentliga felkällor för denna
typ av undersökningar. Sammantaget så bedömer vi ändå den rekommenderade
punktgittermetoden som så tillförlitlig att den är meningsfull för uppskattning av förändringar
i trädskiktets täckning, givet att tolkarna får tillfälle att kalibrera sina bedömningar.
Studien gjordes inom 6 NILS-rutor belägna på trädgränsen. Inom dessa hade trädskiktets
täckning ökat i tre. Det finns ett intresse hos bland annat länsstyrelserna att få ökad kunskap
om hur de förändringar av trädgränsen som diskuteras fördelas längs fjällkedjan. För att få
närmare kunskap om detta skulle en fullskalestudie på de ca 50–60 NILS-rutor som ligger
nära trädgränsen kunna göras. Innan detta sker bör dock även användbarheten av
pankromatiska flygbilder från 1960-talet, tagna på normalhöjd (4600 m), undersökas. Ett
framtidsinriktat monitoringprogram av detta slag bör dock ej startas innan möjligheterna med
att kombinera laserskanning med fältmätningar också har undersökts.

Series/Journal:Arbetsrapport / Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för skoglig resurshushållning och geomatik (1401-1204)
Year of publishing :December 2008
Number:242
Number of Pages:59
Place of Publication:Umeå
Publisher:Institutionen för skoglig resurshushållning, Sveriges lantbruksuniversitet
ISSN:1401-1204
Language:English
Publication Type:Report
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:U Auxiliary disciplines > U40 Surveying methods
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 2 Engineering and Technology > 207 Environmental Engineering > Remote Sensing
Keywords:Ariel Photo, Change Detection, Treeline Ecotones, Swedish Mountains
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-704
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-704
ID Code:9220
Department:(S) > Dept. of Forest Resource Management
(NL, NJ) > Dept. of Forest Resource Management
Deposited By: Bo Jonsson
Deposited On:07 Nov 2012 14:32
Metadata Last Modified:02 Dec 2014 10:53

Repository Staff Only: item control page