Gli ecosistemi dei pascoli comprendono vaste aree, che coprono 239 milioni di ettari negli Stati Uniti e 3,6 miliardi di ettari a livello globale1. I pascoli forniscono una vasta gamma di servizi ecosistemici e la gestione dei pascoli comporta molteplici usi del suolo. Negli Stati Uniti occidentali, i pascoli forniscono habitat per la fauna selvatica, stoccaggio dell'acqua, sequestro del carbonio e foraggio per il bestiame domestico2. I pascoli sono soggetti a vari disturbi, tra cui specie invasive, incendi, sviluppo di infrastrutture ed estrazione di risorse naturali (ad esempio, petrolio, gas e carbone)3. Il monitoraggio della vegetazione è fondamentale per sostenere la gestione delle risorse all'interno dei pascoli e di altri ecosistemi in tutto il mondo 4,5,6. Il monitoraggio della vegetazione nei pascoli viene spesso utilizzato per valutare la salute dei pascoli, l'idoneità dell'habitat per le specie selvatiche e per catalogare i cambiamenti nei paesaggi dovuti a specie invasive, incendi boschivi ed estrazione di risorse naturali 7,8,9,10. Sebbene gli obiettivi di specifici programmi di monitoraggio possano variare, sono auspicabili programmi di monitoraggio che si adattino alle esigenze di più parti interessate pur essendo statisticamente affidabili, ripetibili ed economici 5,7,11. Sebbene i gestori del territorio riconoscano l'importanza del monitoraggio, esso è spesso considerato non scientifico, antieconomico e oneroso5.
Tradizionalmente, il monitoraggio dei pascoli è stato condotto con una varietà di metodi, tra cui la stima oculare o visiva10, i fotogrammi di Daubenmire12, la mappatura delle particelle13 e l'intercettazione dei punti di linea lungo i transetti di vegetazione14. Sebbene la stima oculare o visiva sia efficiente in termini di tempo, è soggetta a un'elevata distorsione dell'osservatore15. Altri metodi tradizionali, sebbene anch'essi soggetti a un'elevata distorsione dell'osservatore, sono spesso inefficienti a causa dei loro requisiti di tempo e costi 6,15,16,17. Il tempo necessario per implementare molti di questi metodi tradizionali è spesso troppo oneroso, rendendo difficile ottenere campioni di dimensioni statisticamente valide, con conseguenti stime inaffidabili della popolazione. Questi metodi sono spesso applicati in base alla convenienza piuttosto che in modo stocastico, con gli osservatori che scelgono dove raccogliere i dati. Inoltre, le posizioni dei campioni riportate e quelle effettive spesso differiscono, causando confusione per i gestori del territorio e altre parti interessate che dipendono dai dati di monitoraggio della vegetazione18. Recenti ricerche hanno dimostrato che il monitoraggio della vegetazione basato su immagini è efficace in termini di tempo e costi 6,19,20. L'aumento della quantità di dati che possono essere campionati all'interno di una determinata area in un breve lasso di tempo dovrebbe migliorare l'affidabilità statistica dei dati rispetto alle tecniche tradizionali che richiedono più tempo. Le immagini sono registrazioni permanenti che possono essere analizzate da più osservatori dopo la raccolta dei dati sul campo6. Inoltre, molte telecamere sono dotate di sistemi di posizionamento globale (GPS), quindi le immagini possono essere georeferenziate con un luogo di raccolta18,20. L'uso di punti di campionamento generati al computer, accuratamente posizionati sul campo, dovrebbe ridurre la distorsione dell'osservatore sia che l'immagine venga acquisita con una fotocamera portatile o da un sistema aereo senza equipaggio, perché riduce l'inclinazione di un singolo osservatore a utilizzare la propria opinione su dove dovrebbero essere posizionate le posizioni dei campioni.
Oltre ad essere dispendioso in termini di tempo, costoso e soggetto a un'elevata distorsione dell'osservatore, il monitoraggio tradizionale delle risorse naturali spesso non riesce a caratterizzare adeguatamente i pascoli eterogenei a causa della bassa dimensione del campione e dei luoghi di campionamento concentrati21. I disegni di campionamento spazialmente bilanciati distribuiscono le posizioni dei campioni in modo più uniforme in un'area di interesse per caratterizzare meglio le risorse naturali 21,22,23,24. Questi disegni possono ridurre i costi di campionamento, perché sono necessarie dimensioni del campione più piccole per ottenere un'accuratezza statistica rispetto al campionamento casuale semplice25.
In questo metodo, un disegno di campionamento spazialmente bilanciato noto come campionamento di accettazione bilanciato (BAS)22,24 è combinato con il monitoraggio basato su immagini per valutare la vegetazione dei pascoli. I punti BAS sono distribuiti in modo ottimale sull'area di interesse26. Tuttavia, ciò non garantisce che i punti saranno ordinati in un percorso ottimale per la visita20. Pertanto, i punti BAS sono organizzati utilizzando un algoritmo di ottimizzazione del percorso che risolve il problema del commesso viaggiatore (TSP)27. Visitando i punti in questo ordine si determina un percorso ottimale (cioè la minima distanza) che collega i punti. I punti BAS vengono trasferiti in un programma software GIS (Geographic Information System) e quindi in un'unità di raccolta dati portatile dotata di GPS. Dopo aver individuato i punti BAS, le immagini vengono scattate con una fotocamera dotata di GPS e un sistema aereo senza pilota gestito utilizzando un software di volo. Entrando nel campo, un tecnico si reca in ogni punto per acquisire immagini di telecamere montate su monopiede da 1 m2 con una distanza di campionamento al suolo (GSD) di 0,3 mm in ciascun punto BAS, mentre un UAS vola negli stessi punti e acquisisce immagini GSD da 2,4 mm. Successivamente, i dati sulla copertura vegetale vengono generati utilizzando "SamplePoint"28 per classificare manualmente 36 punti/immagine. Vengono confrontati i dati sulla copertura vegetale generati dall'analisi delle immagini a livello del suolo e UAS, nonché i tempi di acquisizione riportati per ciascun metodo. Nello studio rappresentativo, sono stati utilizzati due appezzamenti di pascolo adiacenti di 10 acri. Infine, vengono discusse altre applicazioni di questo metodo e come potrebbe essere modificato per progetti futuri o progetti in altri ecosistemi.