Till innehåll på sidan

Sensitivity, Variation, and Application of Least-Cost Path Models in Landscape Connectivity Analysis and Corridor Planning

Tid: Fr 2022-06-10 kl 13.00

Plats: D31, Lindstedtsvägen 5, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/64031810573

Språk: Engelska

Ämnesområde: Geodesi och geoinformatik, Geoinformatik

Respondent: Rachel Mundeli Murekatete , Geoinformatik, GIS

Opponent: Privatdozent Gerhard Navratil, Technische Universität Wien

Handledare: Docent Takeshi Shirabe, Geoinformatik; Associate Professor Gyözö Gidofalvi, Geoinformatik; Associate professor Jean Pierre Bizimana, University of Rwanda

QC 20220518

Abstract

Under de senaste decennierna har Rwanda drabbats av fragmentering och förlust av naturliga livsmiljöer för inhemska arter av djur och växter. Som en följd av detta har landskapets konnektivitet—det vill säga i vilken grad ett landskap underlättar eller försvårar förflyttning av organismer mellan livsmiljöer—avsevärt försvagats eller till och med helt förlorats, vilket orsakar negativa effekter på den biologiska mångfalden, särskilt i form av minskning av populationer av inhemska nyckelarter. För att motverka detta problem undersöks för närvarande en potentiell lösning av lokala planerare i Rwanda genom att upprätta bevarandekorridorer för organismer att förflytta sig säkert mellan sina livsmiljörester. Specifikt, denna avhandling inspirerats av ett projekt som har initierats av Dian Fossey Gorilla Fund International, en icke-statlig bevarandeorganisation (NGO) baserad i Rwanda, som består av att upprätta en bevarandekorridor för pollinatörer.

Geografiska informationssystem (GIS) har blivit alltmer populära bland naturvårdsbiologer och utövare för sin förmåga att lagra, bearbeta och visualisera landskapsdata. Av särskild relevans för anslutningsanalys och korridorplanering är den s.k. minsta-kostnad väg-modellen. Denna modell används typisk så att man först uppskattar kostnaden för en viss åtgärd (t.ex. förflyttning av en organism eller ett förvärv av en regering) vid varje plats i ett givet landskap och representerar resultaten i form av en rasteryta. Sedan mäter man graden av anslutning mellan fläckar av intresse i termer av effektiva avstånd, vilka likställs med minsta-kostnads vägavstånd över rasterkostnadsytan. Medan den minsta-kostnad vägmodellen är enkel att använda och tillgänglig i praktiskt taget alla kommersiella rasterbaserade GIS, observerar vi att användare av den ofta förbiser några viktiga antaganden, vars överträdelse i hög grad kan påverka giltigheten av modellens resultat.

Målet med denna avhandling är att tillhandahålla ett vetenskapligt bidrag till landskapskonnektivitetsanalys och bevarandekorridorplanering genom att 1) undersöka potentiellt missbruk eller missbruk av den konventionella modellen med lägsta kostnadsvägar när tillräcklig information inte finns tillgänglig om den underliggande kostnadsytan, 2) föreslå en alternativ modell under en sådana omständigheter och 3) visa dess relevans för bevarandepraxis.

Mer specifikt, för att modellen ska fungera, antas det generellt att en vägs optimalitet utvärderas som summan av de kostnadsviktade längderna för alla dess segment-kostnads—viktade, dvs multiplicerat med deras underliggande kostnadsvärden. Giltigheten av detta antagande måste dock ifrågasättas om kostnadsvärden mäts på en skala—t.ex. en ordinal skala i Stevens typologi—som inte tillåter aritmetiska operationer. I en typisk praxis för landskapsanslutningsanalys och korridorplanering skapas rasterkostnadsytan genom att omvandla en eller flera uppsättningar värden (t.ex. marktäckestyp, markägande och höjd) som tillskrivs celler till en annan uppsättning sådana värden (som representerar kostnad) genom en funktion som återspeglar ett eller flera kriterier. En fråga uppstår: hur säker kan man vara på riktigheten av en sådan kostnadsuppskattningsfunktion?

Det finns minst fyra frågor i tillämpningen av modellen med minsta-kostnads väg på landskapskonnektivitetsanalys och korridorplanering under osäkerhet. För det första, även om det allmänt antas att olika kostnadsuppskattningsfunktioner leder till olika minsta-kostnadsvägar (därav till olika effektiva avstånd eller olika korridorlägen), är lite känt om hur sådana skillnader uppstår (eller inte uppstår). För det andra, även om det är allmänt erkänt att platsen och längden av en minsta-kostnads väg båda är känsliga för den rumsliga upplösningen av rasterkostnadsytan, är lite känt om de alltid är känsliga på samma sätt och i samma grad och om inte, vad som gör dem mer (eller mindre) känsliga. För det tredje, när det är svårt att etablera en helt sammankopplad korridor mellan målhabitatområden (t.ex. på grund av omgivande antropogen verksamhet), kanske den billigaste vägen (som per definition är helt sammankopplad) inte är användbar, åtminstone i sin ursprungliga form. Slutligen - även om den konventionella modellen för lägsta kostnadsväg kan ha inkonsekventa resultat i teorin, kan den mycket väl fortsätta att användas i praktiken, om det inte finns ett bra alternativ till den.

Ovanstående frågor behandlas genom fyra studier motsvarande fyra respektive artiklar som bifogas denna avhandling. Medan de tre första studierna använder artificiella landskapsdata genererade av datorer med varierande rumsliga och icke-spatiala egenskaper, använder den fjärde studien data om ett verkligt landskap. 

Den första studien (Papper 1) utvärderar hur placeringen och längden av minsta-kostnads vägar (av vilka de senare kallas lägsta kostnadsavstånd) varierar med förändringar i kostnadsuppskattningsparametrar. Detta görs genom en serie beräkningsexperiment, där vart och ett av de artificiella landskapen omvandlas till olika kostnadsytor genom att systematiskt variera parametrar för en kostnadsuppskattningsfunktion, på vilka lägsta kostnadsvägar genereras. Platserna och längderna för dessa vägar analyseras statistiskt för att hitta källor till deras variation. Den andra studien (Paper 2) undersöker hur det lägsta kostnadsavståndet påverkas av den rumsliga upplösningen av motsvarande kostnadsyta. Detta görs också genom en serie beräkningsexperiment, där vart och ett av de artificiella landskapen omvandlas till en kostnadsyta, som i sin tur omvandlas till olika kostnadsytor (olika, d.v.s. endast i sina rumsliga upplösningar) genom att systematiskt aggregera rutnätsceller. Sedan analyseras det statistiska beteendet för förhållandet mellan det lägsta kostnadsavståndet uppmätt på en kostnadsyta med lägre upplösning och det som uppmätts på en kostnadsyta med högre upplösning. Den tredje studien (Paper 3) föreslår mini-max-vägmodellen som ett alternativ till lägsta-kostnads vägmodellen. Till skillnad från den konventionella modellen (där optimala värdet för en väg baseras på summan av dess längd multiplicerad med de underliggande kostnadsvärdena), bestämmer den alternativa modellen optimum för en väg genom att använda längden på ett segment av vägen som skär cellerna som har det maximala kostnadsvärdet (med en speciell tie-breaking-regel). De två modellernas prestanda testas i ett av följande två antaganden åt gången: kostnadsvärdena mäts på en ordinal skala eller på en kvotskala. Den fjärde studien (Paper 4) tillämpar modellen som föreslagits i den tredje studien på ett pågående bevarandeprojekt av Dian Fossey Gorilla Fund International som planerar att designa en ”språngbräda”-korridor – som inte är helt ansluten utan har formen av en sekvens av fragmenterade skogsfläckar – mellan två kärnhabitatområden för pollinatorfåglar mellan två skyddade områden i Rwanda. Projektet har inte fullständig information om undersökningsområdet och målarterna och därför kan projektpersonalen endast rangordna marktäckningstyper utifrån deras lämplighet/kostnad för att ingå i korridoren. Användbarheten av modellen testas med olika antaganden om fåglarnas beteende (t.ex. minsta språngbrädes storlek) såväl som på kostnaden förknippad med implementeringen av korridoren (t.ex. kostnaden för att plantera buskar längs korridoren för att uppmuntra fåglar att använda det).

Den första studien finner att samma par terminalceller mycket väl kan vara sammankopplade med olika billigaste vägar på olika kostnadsytor även om de härrör från samma landskapsdata. Variationen mellan dessa banor är mycket känslig för formerna av rumsliga och icke-spatiala fördelningar av landskapselement (som inte kan kontrolleras av användare av modellen med lägsta kostnadsväg) såväl som för kostnadsvärden som härrör från dem (som kan vara, åtminstone indirekt, kontrollerad av användarna av modellen). Den andra studien finner att de lägsta kostnadsavstånden mätt på kostnadsytor med lägre upplösning i allmänhet är starkt korrelerade med - och användbara prediktorer för - effektiva avstånd mätt på kostnadsytor med högre upplösning. Detta förhållande tenderar att försvagas när linjära hinder för anslutning (t.ex. vägar och floder) existerar, men förstärks när avstånden ökar och/eller när linjära barriärer (om några) upptäcks av andra förmodligen mer tillgängliga och överkomliga källor som linjedata i vektorform . Den tredje studien bekräftar effektiviteten av den konventionella modellen med lägsta kostnad på kvotskalade kostnadsytor men finner att den alternativa mini-max-vägmodellen är matematiskt sundare om kostnadsvärdena mäts på en ordinal skala och praktiskt användbar om problemet är handlar inte om att minimera kostnaderna utan om att maximera något önskvärt tillstånd, såsom lämplighet. Den fjärde studien visar användbarheten av mini-max-vägmodellen genom att effektivt gjuta språngstenskorridorproblemet som ett specialfall av det. Modellen möjliggör en snabb första avgränsning av kandidatvägar för trappstegskorridorer och underlättar de tidiga undersökande stadierna av bevarandeprojekt.

De viktigaste konsekvenserna av denna avhandling för forskning och praktik inom analys av landskapets konnektivitet och planering av bevarandekorridorer med rasterbaserad GIS sammanfattas enligt följande.

  • När tillräcklig information finns tillgänglig för kvantifiering av kostnadsvärden är den konventionella modellen för lägsta kostnadsväg ett rimligt tillvägagångssätt att använda.
  • Det är dock värt att pröva eller åtminstone erkänna alternativ som inte förlitar sig på antagandet om kvantitativ kostnad om värdet av varje cell endast anger den ordinära kostnadskategorin för att skära den cellen. Observera särskilt att information som används för kostnadsuppskattning i praktiken (t.ex. expertutlåtanden eller offentliga undersökningar) ofta är av subjektiv och kvalitativ karaktär.
  • Data med högst upplösning kanske inte alltid är mest effektiva – mycket mindre, mest kostnadseffektiva – för den uppgift som utförs. Valet av rumslig upplösning för inmatade rasterdata kan avsevärt påverka utdata från den billigaste vägmodellen. Den bör därför överensstämma med mängden rumsliga detaljer som behövs, vilka bör uppskattas baserat på adekvat ekologisk och geografisk kunskap om landskapet och arterna som studeras.
  • Det är inte alltid självklart att en given fysisk planeringsuppgift effektivt kan gjutas som en instans av en befintlig rumslig optimeringsmodell. Därför är kunskapsutbyte och samarbete viktigt mellan bevarandebiologi och GIScience.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-312288