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Utilizzo del GIS per indagare sulla silvicoltura urbana
 
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Utilizzo del GIS per indagare sulla silvicoltura urbana

Overview

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

Le foreste urbane comprendono in generale parchi urbani, alberi stradali, viali paesaggistici, giardini pubblici, passeggiate fluviali e costiere, greenways, corridoi fluviali, zone umide, riserve naturali, aree naturali, shelterbelts di alberi e alberi da lavoro in siti industriali dismessi. La storia degli alberi urbani inizia con gli alberi come abbellimento del paesaggio. Oggi, gli alberi urbani sono visti come componenti essenziali delle infrastrutture cittadine e fondamentali per la vita umana come cibo, alloggi e altri servizi pubblici. Gli alberi urbani sono ora apprezzati per i servizi ecosistemici che forniscono(ad esempio, prevenzione dell'erosione, rimozione degli inquinanti atmosferici, ossigeno, ombra, ecc.). Tuttavia, per utilizzare in modo efficiente questi benefici, gli alberi devono raggiungere la maturità, poiché il numero e le dimensioni delle foglie influenzano direttamente la capacità di un albero di fornire servizi ecosistemici. La silvicoltura urbana ha dovuto sviluppare i propri metodi forestali per affrontare le esigenze e le sfide uniche degli alberi urbani rispetto alle loro controparti boschive.

Il seguente estratto dal Servizio forestale usdA illustra la prospettiva dell'albero urbano e le politiche del governo federale:

Le foreste urbane sono ecosistemi dinamici che forniscono i servizi ambientali necessari pulendo l'aria e l'acqua, aiutando a controllare l'acqua piovana e risparmiando energia. Aggiungono forma, struttura, bellezza e respiro al design urbano, riducono il rumore, separano gli usi incompatibili, forniscono luoghi per ricreare, rafforzare la coesione sociale, sfruttare la rivitalizzazione della comunità e aggiungere valore economico alle nostre comunità ... Questo sistema di supporto vitale naturale sostiene aria e acqua pulite, biodiversità, habitat, nidificazione e corridoi di viaggio per la fauna selvatica e collega le persone alla natura.

La gestione degli alberi urbani è una pratica interdisciplinare che coinvolge l'architettura, il paesaggio, la pianificazione, lo sviluppo, l'orticoltura, ecc. Una disciplina particolare coinvolta nella silvicoltura è la geografia, in particolare attraverso l'uso di sistemi di informazione geografica (GIS). GIS è un nome generico che comprende qualsiasi tipo di database contenente dati geografici o spaziali che possono essere utilizzati per creare rappresentazioni visive generate al computer(ad esempio,mappe). Il GIS consente un'ampia raccolta e gestione dei dati attraverso interfacce utente sempre migliori, aumentando la qualità user-friendly di set di informazioni molto grandi a cui possono accedere molti utenti. Le applicazioni GIS spaziano dal software libero e dai protocolli ad accesso aperto, come Google Earth, ai sistemi proprietari, come ESRI ArcGIS. L'utilizzo del GIS per creare e archiviare informazioni geografiche consente anche una facile manutenzione dei dati, poiché le mappe possono essere aggiornate rapidamente aggiungendo nuove informazioni al database e rigenerando l'output visivo.

Principles

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Un'indagine sugli alberi forestali urbani viene condotta utilizzando alberi di parkway piantati tra marciapiedi e cordoli. I dati vengono raccolti per isolato, registrando specie, condizioni di salute, posizione, uso del suolo e diametro all'altezza del seno (dbh) per ogni albero esaminato.

La condizione dell'albero è osservativa e si basa su valutazioni visive di sei categorie: condizione del tronco (corteccia mancante e decadimento), tasso di crescita (allungamento del ramoscello e lunghezza della crescita dell'anno in corso), struttura (arti morti), insetti e malattie, sviluppo della corona (aspetto equilibrato di rami, foglie e strutture riproduttive) e aspettativa di vita. Ogni categoria ha un sistema di valutazione basato sulla quantità di caratteristiche dell'albero malsano sommate insieme per un punteggio complessivo della condizione, che corrisponde a una misurazione categorica di eccellente, molto buono, buono, giusto, scarso e molto scarso.

La posizione viene registrata dall'indirizzo postale e utilizzando le coordinate geodetiche per longitudine e latitudine. Un ricevitore GPS viene utilizzato per determinare le posizioni geodetiche in base ai dati satellitari trasmessi al ricevitore nella posizione di ciascun albero.

Per quantificare i benefici della foresta urbana che li circonda, i dati vengono inseriti in un National Tree Benefits Calculator (facilmente revo online e gratuito) per determinare il valore in dollari dei benefici ambientali ed estetici annuali: risparmio energetico, miglioramento della qualità dell'aria, riduzione di CO2, controllo delle acque piovane e valore della proprietà di ciascun albero.

I dati vengono inoltre inseriti in un Sistema Informativo Geografico (GIS) per l'analisi statistica spaziale e geospaziale delle caratteristiche degli alberi rilevati.

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Procedure

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1. Raccolta dati con ricevitore GPS e nastro dbh

  1. In un luogo aperto all'aperto, accendere il ricevitore GPS premendo il pulsante di accensione. Attendere 2-3 minuti mentre il ricevitore si collega a un minimo di tre satelliti.
  2. Cammina verso l'area del sondaggio per la raccolta dei dati. Esamina un segmento di isolato alla volta e numera gli alberi del parco su una scheda tecnica (Figura 1), ripristinando la numerazione all'inizio di ciascun segmento di blocco.
  3. Ad ogni albero dell'indagine, registrare le specie, l'indirizzo postale (ad esempio, 1253 W. Lill) e le coordinate geodetiche (longitudine/latitudine) fornite dal ricevitore GPS (Figura 1). Assicurarsi che le coordinate geodetiche siano raccolte dalla stessa direzione in ogni albero(ad esempio,lato nord di ogni albero).
  4. Misura il diametro di ogni albero a 4 piedi e mezzo dal suolo e registra il diametro all'altezza del seno (dbh).
  5. Osservare ogni condizione dell'albero stimando visivamente e classificando il punteggio in base ai criteri (Tabella 1). Sommare i punti per un punteggio complessivo per ogni albero e assegnare ogni albero alle categorie di salute corrispondenti. Registra le condizioni di salute nella scheda tecnica.

2. Inserimento dei dati in un GIS

  1. GIS utilizzando Google Earth: digita le coordinate dell'albero e salvale nella cartella "I miei luoghi" utilizzando la funzione "Aggiungi segnaposto". Assegna un nome a ciascun albero in modo che sia il nome della specie. Una volta che tutti i punti dati dell'albero sono stati salvati come segnaposto, fai clic con il pulsante destro del mouse sul nome I miei luoghi, seleziona "Salva con nome" e salva in qualsiasi posizione.
  2. GIS con ESRI ArcGIS 10.2: per importare in ArcGIS, assicurarsi che tutte le intestazioni di colonna non abbiano spazi; eventuali spazi devono essere sostituiti con caratteri di sottolineatura. Se le coordinate sono in latitudine/longitudine, devono essere in formato gradi decimali (DD) prima di importare in ArcGIS. Le posizioni in formato gradi, minuti e secondi (DMS) o minuti decimali (DM) devono essere prima convertite in DD. Ci sono convertitori disponibili su Internet (http://www.fcc.gov/encyclopedia/degrees-minutes-seconds-tofrom-decimal-degrees).
  3. Salva/esporta i dati come file di testo delimitato da virgole (formato CSV).
  4. Creare un "layer" aggiungendo il file .csv ad ArcMap utilizzando lo strumento Aggiungi dati, espandendo il sottomenu in File> Aggiungi dati o facendo clic sullo strumento Aggiungi dati sulla barra degli strumenti Standard (Figura 2).
  5. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nuovo livello e scegliere Visualizza dati XY. Assicurarsi che i campi X e Y siano stati selezionati correttamente da ArcMap: dovrebbero essere giusti se i nomi scelti riflettono le posizioni delle coordinate (nord e est o x e y).
  6. Fai clic sul pulsante Modifica... , quindi Seleziona... per selezionare il sistema di coordinate per i punti, Aggiungi... e OK (3x). Il sistema di coordinate corretto da utilizzare può essere ottenuto dall'unità GPS (sotto la configurazione della mappa o le unità). Per questi dati, selezionate Sistemi di coordinate > Sistemi di coordinate geografiche > World > WGS1984.prj (Riferimento GPS predefinito).
  7. Ora dovrebbe esserci un livello puntuale nella parte superiore del sommario con lo stesso nome del file .csv e la parola Eventi alla fine del nome (Figura 3). Questo è un "tema evento" ed è un livello temporaneo. Per una copia più permanente, fai clic con il pulsante destro del mouse sul livello e scegli Dati > Esporta dati... Scegli una posizione di output, ovvero una classe di funzionalità del geodatabase o una directory per uno shapefile, e inserisci un nome file. Modificare il nome dal "Export_Output" predefinito a Urban_Forestry_Survey. Fare clic su OK.

3. Calcolatore dei benefici dell'albero nazionale

  1. Utilizzando questo software, è possibile calcolare i vantaggi degli alberi sul lato della strada. Ciò include i benefici annuali di un albero per la gestione delle acque piovane, il valore della proprietà, l'efficienza energetica e il sequestro del carbonio. Guarda il video Identificazione albero: come usare una chiave dicotomica per istruzioni sull'uso del calcolatore dei benefici dell'albero.

Figure 1
Figura 1. Risultati rappresentativi per gli alberi stradali trovati un isolato.

Figure 2
Figura 2. Lo strumento Aggiungi dati sulla barra degli strumenti Standard.

Figure 3a
Figura 3. Livello di punti nella parte superiore del sommario con lo stesso nome del file CSV.

Condizione del tronco
Solido e solido
Sezioni di corteccia mancanti
Decadimento esteso e cavo
Punteggio delle condizioni
5
3
1
Tasso di crescita (considerare le specie)
Allungamento del ramoscello più di 6"
Allungamento del ramoscello da 2-6"
Allungamento del ramoscello inferiore a 2"

3
2
1
Struttura
Suono
Un arto maggiore/più arti minori morti, rotti, dispersi
2 o più arti maggiori morti, rotti, dispersi

5
3
1
Insetti e malattie
Nessun parassita presente
1 parassita presente
2 o più parassiti presenti

3
2
1
Sviluppo della corona
Pieno & Bilanciato
Pieno ma sbilanciato
Sbilanciato e privo di una corona completa

5
3
1
Speranza di vita
Oltre 30 anni
15-20 anni
Meno di 5

5
3
1
Classe di condizione:

Eccellente: 26-23
Buono: 22-19
Fiera: 18-14
Scarso: 13-10
Pessimo: 9-6

Tabella 1.  Tabella per calcolare la classe di condizione di una struttura ad albero. Ogni punteggio di condizione è correlato alla sua descrizione in ogni categoria, quindi tutti e sei i punteggi sono totalizzato per una somma finale : la classe di condizione.

Le foreste urbane sono risorse preziose e richiedono cure e gestione per garantire la loro salute. La distribuzione degli alberi, la loro condizione e la scala e la forma delle foreste urbane possono essere mappate utilizzando il software GIS o Geographical Information System.

Gli alberi nelle aree urbane possono variare da semplici alberi stradali a viali paesaggistici, greenway, giardini pubblici o quelli in siti industriali dismessi. Insieme, queste foreste urbane sono componenti essenziali delle infrastrutture cittadine. La silvicoltura urbana utilizza nuovi metodi per affrontare le esigenze e le sfide uniche degli alberi urbani.

Le foreste urbane riempiono preziose nicchie ambientali, agendo per pulire l'aria e l'acqua, controllare le acque piovane, prevenire l'erosione, ridurre il rumore e risparmiare energia. Inoltre, le foreste urbane possono fornire habitat importanti per gli animali, fornire riparo per la nidificazione o fungere da corridoi di viaggio per la fauna selvatica. Il loro valore può anche essere sociale, collegando gli abitanti urbani alla natura, migliorando l'architettura e fornendo opportunità educative per conoscere la natura.

La struttura, la diversità e il valore ecologico risultante delle foreste urbane possono essere quantificati utilizzando il software GIS o Geographical Information Systems. Il GIS consente un'ampia raccolta e gestione dei dati, che è un quadro ideale per la compilazione di dati sulla silvicoltura urbana. Il GIS consente agli utenti di combinare dati geografici e di rilevamento degli alberi per produrre mappe accurate delle foreste urbane.

Questo video illustrerà il processo di raccolta dei dati di rilevamento degli alberi, incorporando questi dati in una piattaforma GIS e valutando il valore ambientale degli alberi di interesse.

Le indagini sulle foreste urbane possono essere condotte in una varietà di luoghi. Comunemente, vengono registrati alberi di parkway piantati tra marciapiedi e cordoli. I dati vengono in genere raccolti per isolato e registrano la posizione degli alberi, le specie, la salute, l'uso del suolo e il diametro all'altezza del seno o DBH.

La condizione dell'albero è una valutazione visiva basata su sei categorie. Queste sono le condizioni del tronco, che tiene conto di fattori tra cui corteccia mancante o decadimento; tasso di crescita, esaminando l'allungamento del ramoscello e la durata della crescita dell'anno in corso; e struttura, prendendo nota di arti morti o rotti. Si notano insetti e malattie; sviluppo della corona, che valuta gli alberi per un aspetto equilibrato di rami, foglie e strutture riproduttive; e infine l'aspettativa di vita, basata sull'aspettativa di vita per la specie, meno il danno presente.

Ogni categoria ha un sistema di valutazione, basato sulla quantità di caratteristiche dell'albero malsane sommate insieme, che combinate danno un punteggio complessivo delle condizioni per un albero. Questo può essere attribuito a una misurazione categorica della salute degli alberi che va da eccellente in giù a molto buono, buono, giusto, scarso, a molto povero.

Un ricevitore GPS, che utilizza il posizionamento satellitare trasmesso al portatile consente all'utente di registrare coordinate geodetiche di latitudine e longitudine. La posizione è anche indicata dall'indirizzo postale. Una volta raccolti, i dati possono essere inseriti in un programma software GIS, che consente l'analisi statistica spaziale e geospaziale degli alberi e delle caratteristiche degli alberi. Sono disponibili diversi programmi di questo tipo, tra cui ArcGIS o Google Earth.

Il National Tree Benefits Calculator è uno strumento software online gratuito che viene utilizzato per fornire una stima economica dei benefici monetari forniti dagli alberi urbani e suburbani. Qui, gli utenti possono selezionare la loro regione di indagine e scegliere da un elenco di alberi in quell'area. Inserendo alcuni semplici dettagli tra cui il diametro del tronco d'albero e il tipo di utilizzo del suolo, si otterrà una stima del valore dell'albero in diverse aree chiave, tra cui il valore della proprietà, la qualità dell'aria e il controllo delle acque piovane.

Ora che abbiamo familiarità con il concetto di indagini forestali urbane e i principi alla base di esse, diamo un'occhiata a come queste vengono svolte sul campo.

Per iniziare il sondaggio, selezionare una posizione esterna adatta e accendere il ricevitore GPS. Attendi che si colleghi ai satelliti e rilevi la posizione. Procedere all'inizio dell'area di indagine selezionata per la raccolta dei dati. Esamina un segmento di isolato alla volta. Ad ogni albero incontrato, registra la specie usando il video di questa raccolta sull'identificazione degli alberi. Registra anche la longitudine e la latitudine fornite dal ricevitore GPS e l'indirizzo postale.

Quindi, misurare il diametro di ciascun albero a 4,5 piedi dal suolo, che viene preso come diametro all'altezza del seno, o DBH. Assegna a ciascun albero un numero, reimpostando la numerazione all'inizio di ogni segmento di blocco.

Osserva le condizioni di ogni albero stimando visivamente e classificando in base ai criteri presentati nella tabella mostrata. Sommare i punti per ottenere un punteggio complessivo per ogni albero e assegnare a ciascuno una categoria di salute corrispondente.

Due programmi che possono essere utilizzati per compilare dati GIS sono Google Earth o ArcGIS. Utilizzando questi programmi, gli alberi possono essere contrassegnati individualmente o le loro coordinate sono state rispettate in un singolo file e caricate.

Per utilizzare il programma GIS di Google Earth, digita le coordinate dell'albero e seleziona un nuovo segnaposto, utilizzando la funzione "Aggiungi segnaposto". Assegna un nome a ciascun albero in base al nome della specie e, una volta che tutti i punti dati dell'albero sono stati salvati come segnaposto, fai clic con il pulsante destro del mouse sull'etichetta "I miei luoghi", seleziona "Salva con nome", quindi salva in qualsiasi posizione.

Per utilizzare il programma ArcGIS, durante l'importazione dei dati tutte le intestazioni di colonna sono prive di spazi. Al suo posto è possibile utilizzare i caratteri di sottolineatura. Se le coordinate sono in formato latitudine e longitudine, devono essere convertite in formato gradi decimali prima di importare in ArcGIS.

Salvare i dati come file CSV delimitato da virgole. Quindi, creare un layer aggiungendo il file CSV ad ArcMap utilizzando lo strumento Aggiungi dati, in File: Aggiungi dati o facendo clic sullo strumento "Aggiungi dati" sulla barra degli strumenti standard.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nuovo livello e scegliere "Visualizza dati XY". Assicurarsi che i campi X, o longitudine, e Y, o latitudine, siano stati selezionati correttamente da ArcMap.

Quindi, fai clic su "Modifica", quindi su "Seleziona" per evidenziare il sistema di coordinate per i punti, quindi su "Aggiungi" e "OK". Il sistema di coordinate corretto da utilizzare può essere ottenuto dall'unità GPS stessa.

Ora dovrebbe esserci un livello di punti nella parte superiore del sommario con lo stesso nome del file CSV e la parola "Eventi" alla fine del nome. Questo è un "tema evento" ed è un livello temporaneo. Per creare una copia permanente, fare clic con il pulsante destro del mouse sul livello e scegliere "Dati", quindi "Esporta dati". Scegli un percorso di output e inserisci un nome file. Cambia il nome dall'impostazione predefinita "Esporta output" a "Urban_Forestry_Survey" e fai clic su "OK".

I dati inseriti nel programma ArcGIS produrranno una mappa dei dati della silvicoltura urbana. Queste mappe possono essere utilizzate in diversi modi, tra cui l'identificazione di modelli di dimensioni DBH o la determinazione se gli alberi in una particolare area non raggiungono l'aspettativa di vita.

Apri lo strumento software iTree for Education. Per ogni albero, inserisci i dati pertinenti e registra i benefici ambientali per ogni albero. I benefici stimati degli alberi urbani possono essere calcolati e assegnati valori monetari. Ciò include i benefici annuali di un albero per la gestione delle acque piovane, il valore della proprietà, l'efficienza energetica e il sequestro del carbonio.

I risultati dell'analisi con il National Tree Benefit Calculator possono fornire un riepilogo del valore economico e ambientale degli alberi esaminati. Ciò può consentire agli urbanisti di decidere su eventuali rimozioni di alberi o piantagioni supplementari che potrebbero avvantaggiare l'area rilevata.

Le mappe forestali urbane possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni e alcune di queste sono esplorate qui.

Nelle aree urbane residenziali o suburbane, la silvicoltura urbana avrà spesso requisiti diversi dagli alberi rispetto a quelli delle aree commerciali o commerciali. Gli alberi possono essere protetti o selezionati per la semina in base a proprietà ecologiche simili come le barriere al vento o al rumore o problemi di gestione delle acque. Tuttavia, il valore estetico può svolgere un ruolo maggiore nella silvicoltura residenziale.

I sistemi informativi geografici possono anche essere utilizzati per mappare molti altri fenomeni, naturali o artificiali. Le mappe GIS delle misurazioni naturali dei livelli di piombo nel suolo possono anche essere compilate e utilizzate per determinare i livelli di contaminazione o regioni sicure rispetto a quelle non sicure per la semina di colture alimentari.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla silvicoltura urbana utilizzando GIS. Ora dovresti capire l'importanza della silvicoltura urbana, come utilizzare il GIS per creare mappe per lo studio degli alberi urbani e come utilizzare il National Tree Benefit Calculator per accertare il valore degli alberi rilevati. Grazie per l'attenzione!

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Results

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La Figura 1 mostra i risultati rappresentativi per gli alberi stradali trovati su un isolato e una mappa dei dati forestali urbani inseriti nel GIS può essere vista nella Figura 4.

I risultati per l'utilizzo del Tree Benefit Calculator sono disponibili nella Tabella 2. Questo calcolatore fornisce una stima dei vantaggi offerti dai singoli alberi sul lato della strada. Una volta inseriti i dati dell'indagine sul campo, inclusi codice postale, specie, diametro e uso del suolo, è possibile vedere il beneficio ambientale ed economico fornito da ciascun albero.

Figure 3
Figura 4. Mappe dai dati forestali urbani inseriti nel GIS.

Numero di esempio dell'albero Beneficio complessivo Gestione delle acque piovane
(galloni)
Valore della proprietà Efficienza energetica
(kW/ora)
Sequestro del carbonio
(libbre)
1 20 dollari 173 4 dollari 38 109
2 24 dollari 217 8 dollari 41 133
3 22 dollari 161 11 dollari 27 113
4 11 dollari 69 2 dollari 22 74
5 46 dollari 356 22 dollari 56 169

Tabella 2. Risultati del Tree Benefit Calculator.

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Applications and Summary

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Una volta inseriti in un GIS, i dati forestali possono essere analizzati utilizzando statistiche geospaziali. Ad esempio, un test statistico geospaziale moran's I è una statistica ampiamente utilizzata che analizza per un significativo raggruppamento geografico di variabili sanitarie. Moran's I può essere utilizzato per i dati forestali per riportare valori di dbh localizzati in aree particolari, indicando diversi tassi di crescita degli alberi in diverse posizioni della foresta. Se il clustering è significativo, un test statistico geospaziale General G può inoltre rivelare se sono i valori alti o bassi che sono geograficamente raggruppati segnalando quale estremità dei valori di clustering sono concentrati in un'area geografica (Figura 5). I cluster significativi di Moran sono mostrati con i punteggi G generali, che indicano alti valori di dbh raggruppati per gli alberi buoni e per ogni specie. I valori dbh sono rappresentati da simboli di dimensioni proporzionali per illustrare il raggruppamento di valori alti (cerchi grandi) e valori bassi (diamanti piccoli) (Figura 6). Le caratteristiche possono essere abbinate nelle mappe per cercare modelli significativi, come dbh e specie, per identificare quali specie tendono a crescere fino alla maturità con maggiore successo in un ambiente urbano. I cluster con valori elevati di dbh indicano alberi più vecchi che potrebbero presentare esigenze prossime per la rimozione degli alberi o un'area a più alto rischio per i danni agli alberi causati dalle tempeste. I cluster ad alto dbh possono anche indicare aree in cui gli alberi sopravvivono più a lungo e regioni di una città che ricevono maggiori benefici del servizio ecosistemico.

Figure 4
Figura 5. Gruppi di dimensioni dbh per buoni alberi su una mappa.

Figure 5
Figura 6. Cluster ad alto dbh identificati su una mappa.

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Transcript

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