Έλεγχος υποβάθμισης του εδάφους στο Δέλτα του Αιγυπτιακού Νείλου χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση και GIS
Από RemoteSensing Wiki
Land degradation monitoring in the Egyptian Nile Delta, using remote sensing and GIS
Συγγραφείς: A. Gad1, R. R. Ali2 and A. Shalaby1
1-Natonal Authority for Remote Sensing and Space Science
2- Soils and Water Use Dept., National Research Centre
Πηγή: http://www.aag.org/galleries/gisum_files/Gad__Shalaby_Urban_Sprawl.pdf
1) Αντικείμενο Εφαρμογής
Αντικείμενο της παρούσας εφαρμογής είναι η υποβάθμιση των καλλιεργήσιμων εδαφών και ειδικότερα αυτών που βρίσκονται κοντά στο δέλτα των ποταμών. Οι κύριοι λόγοι της υποβάθμισης είναι η αστική εξάπλωση και το αύξηση του αλατιού στα εδάφη. Με συνέπειες οικονομικές και κοινωνικές. Η διάβρωση και η υποβάθμιση δεν μειώνουν μόνο την παραγωγικότητα της γης αλλά και οδηγούν σε μεγαλύτερη ζημιά, αυτή της απώλειας εδάφους. Τα δελταϊκά εδάφη, παγκοσμίως, θα μπορούσαν να θεωρηθούν προβληματικές περιοχές λόγω της πολύ λεπτής υφής τους, την κακή αποστράγγιση όπως και την εισβολή θαλασσινού νερού στον υδροφόρο ορίζοντα της περιοχής. Έτσι, τα εδάφη αυτά απειλούνται από διαδικασίες υποβάθμισης περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο αλλούβιο έδαφος.
2) Σκοπός Εφαρμογής
O κύριος στόχος τη μελέτη αυτής είναι να υπολογίσει τον κίνδυνο προσβολής των εδαφών από το αλάτι, τα πλεονάζοντα νερά και την αστική εξάπλωση χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση και δεδομένα εδάφους. Η συγκεκριμένη έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Δέλτα του ποταμού Νείλου στην Αίγυπτο. Ο Αιγυπτιακός αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει μεγάλα προβλήματα , όπως η έλλειψη αρόσιμης γης και υδάτινων πόρων όπως επίσης και περιβαλλοντική υποβάθμιση. Επιπλέον, η υψηλή πληθυσμιακή ανάπτυξη, ο τεμαχισμός των αγρών και η κακή διαχείριση κάποιων αγροτικών προγραμμάτων προκαλούν επιπλέον προβλήματα στην αγροτική παραγωγή. Από τη δεκαετία του 1980 η κυβέρνηση της Αιγύπτου έχει ξεκινήσει σχέδια για να ρυθμίσει την κατάσταση αυτή με το να επανα-κατανείμει τον πληθυσμό μέσω της εφαρμογής μιας αποδοτικής οριζόντιας αστική εξάπλωσης κατά μήκος των ερημικών περιοχών και κοντά στις παρυφές του Δέλτα. Η πολιτική αυτή αποσκοπεί στη μείωση της πίεσης που δέχεται η παλιά και πολύ παραγωγική αγροτική γη, τη μείωση της πυκνότητας του πληθυσμού στις κατοικημένες περιοχές και τη μείωση των πηγών μόλυνσης εγκαθιστώντας τις βιομηχανικές περιοχές έξω από την κοιλάδα και το δέλτα του Νείλου. Έτσι, ο υπολογισμός τη τάσης και του ρυθμού της μετατροπής κάλυψη γης είναι απαραίτητα για τον αναπτυξιακό σχεδιασμό ώστε να καθιερωθεί μια λογική πολιτική χρήσης γης (Shalaby και Tateishi, 2007). Η συνολική καλλιεργήσιμη περιοχή στο Δέλτα του Νείλου είναι 4.3554.382 feddans, αποτελώντας το 55,5% του καλλιεργήσιμου εδάφους της Αιγύπτου. Δορυφορικές εικόνες Landsat TM του 1992, ΕΤΜ+ του 2004 χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθούν διαφορετικές διαδικασίες υποβάθμισης εδάφους και τον αντίκτυπο που έχουν στην αγροτική γη στο Δέλτα του Νείλου (33856,06 km2). Τεχνικές ταξινόμησης (Maximum likelihood supervised classification and post-classification) χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της αστικής ανάπτυξης. Έχει υπολογιστεί η μορφολογική περιγραφή και ο δειγματισμός 42 διαφορετικών τύπων εδάφους. Το ποσοστό προσβολής των εδαφών από το αλάτι και το πλεονάζον νερό υπολογίστηκαν σύμφωνα με τη μεθοδολογία του FAO για τον υπολογισμό της υποβάθμισης εδάφους. Καθώς η αστική εξάπλωση είναι μια σημαντική διαδικασία υποβάθμισης χρησιμοποιήθηκαν πολυ-χρονικές δορυφορικές εικόνες για την ανίχνευσή της. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας δείχνουν ότι η ολική εξάπλωση της αστικής περιοχής έφτασε στα 202,61km2 την περίοδο 1992 -2004, σχεδόν 37,41km2 μετατράπηκαν από τα προσχωματικά γόνιμα εδάφη, ενώ τα 165,2 km2 από καλλιεργημένες παρυφές ερήμου. Το ετήσιο ποσοστό συσσώρευσης άλατος στα εδάφη είναι 0,10 dS/m , όπου μια περιοχή 3103,17 km2 (π.χ. 10,78% της συνολικής περιοχής) έχει υψηλό κίνδυνο τέτοιας προσβολής. Ο υδροφόρος ορίζοντας μειώνεται σε ποσοστό 1,85 cm το χρόνο στα Typic Aquisalids εδάφη και 0,37 cm το χρόνο στα Typic Calcigypsids εδάφη. Οι πλημμυρισμένες περιοχές υπολογίζονται σε 7461,27 km2 (π.χ. 25,92% της συνολικής περιοχής) συγκεντρωμένο στο Βορειότερο κομμάτι του Δέλτα. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η αστική εξάπλωση και η προσβολή των εδαφών από το αλάτι είναι η κυρίαρχη διαδικασία υποβάθμισης στο Δέλτα του Νείλου. Η εφαρμογή GIS αποδεικνύεται επιτυχής τεχνική για τους υπολογισμούς δεικτών υποβάθμισης και για τον έλεγχο χωρική κατανομής όπως επίσης και για την στήριξη αποφάσεων.
3) Υλικά και Μέθοδος που ακολουθήθηκε
3.1. Χάρτες εδάφους
Οι χάρτες εδάφους της Αιγύπτου είναι τα κύρια υλικά που συλλέχτηκαν και μετατράπηκαν σε ψηφιακή μορφή. Οι συλλεγόμενοι χάρτες εδάφους καλύπτουν την αλλουβική καλλιεργήσιμη γη και την παρεμβολή της με τις παρυφές της Ερήμου. Οι χάρτες αυτοί χρησιμοποιούν ένα σύνολο 12 φύλλων χάρτη σε μια κλίμακα 1: 100.000 σε αναλογική μορφή, καλύπτοντας όλη την περιοχή του Δέλτα του Νείλου.
3.2 Τοπογραφικοί χάρτες
Τοπογραφικοί χάρτες σε κλίμακα 1 : 50.000 οι οποίοι καλύπτουν όλη την επιφάνεια του Δέλτα του Νείλου κι οι οποίοι παρήχθησαν από την Αιγυπτιακή Γενική Υπηρεσία Χαρτογράφησης (EGSA) και μετατράπηκαν σε ψηφιακή μορφή.
3.3. Δορυφορικά Δεδομένα
Ένας αριθμός 7 δορυφορικών εικόνων του ΕΤΜ του 2004, που καλύπτουν ολόκληρη την περιοχή του Δέλτα του Νείλου συλλέχτηκαν. Οι εικόνες επιδέχθηκαν επεξεργασία ώστε να περιληφθούν στην τράπεζα δεδομένων των GIS εδαφικών πόρων και να χρησιμοποιηθούν σε αναλυτικούς θεματικούς χάρτες.
3.4. Κωδικοποίηση των διαφορετικών τύπων εδάφους
Για να εισαχθούν οι χάρτες εδάφους στην τράπεζα δεδομένων γεωγραφικών πληροφοριών κωδικοποιήθηκαν. Βρέθηκε ότι ο αριθμός εδαφικών ομάδω φτάνει τις 20. Οι μονάδες αυτές ανήκουν σε τρεις τάξεις εδάφους: (π.χ. Entisoil, Vertisols και Aridisols), οι οποίες υποδιαιρούνται στο σύμφωνα με της χαρτογράφηση Εδάφους, 1975.
3.5 Τηλεπισκόπηση
Εκτελέστηκαν διαδικασίες επεξεργασίας δορυφορικών εικόνων χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα ENVI 4.7 . Οι προ-επεξεργασίας χειρισμοί είχαν σα σκοπό τη μείωση ανεπιθύμητων διακυμάνσεων / θορύβων και την αύξηση άλλων επιθυμητών χαρακτηριστικών. Τεχνικές βελτίωσης εικόνας (π.χ. contrast stretching, Gray-level threshold, Level slicing και spatial stretch) δοκιμάστηκαν για να βελτιωθεί η οπτική ερμηνευτικότητα των χρησιμοποιούμενων εικόνων. Οι διαδικασίες εικόνας συνήθως αποτελούν μια σειρά συνεχόμενων διαδικασιών, συμπεριλαμβανομένων της καταγραφής εικόνας, γεωμετρικής διόρθωσης, ταξινόμησης, masking και ανίχνευσης αλλαγής.
3.6. GIS
Η ψηφιακή εξειδίκευση των χαρτών ορίστηκε σύμφωνα με τα διαθέσιμα θέματα. Ένας αριθμός 12 θεματικών στρωμάτων , επιπλέον του γεωγραφικού στρώματος δικτύου ορίστηκαν ώστε να συμπεριληφθούν στη γεωγραφική τράπεζα δεδομένων. Κάθε θέμα υποδιαιρέθηκε σε υπο-θέματα, τα οποία κωδικοποιήθηκαν για χάρη του GIS modellling. Οι διαφορετικοί ψηφιακοί χάρτες διορθώθηκαν από διαφορετικά σφάλματα και συνδυάστηκαν με την τεχνική edge-match, σύμφωνα με τον Tomlin, 1990. Τα περιγραφικά θεματικά δεδομένα, που σχετίζονταν με κάθε στρώμα , προσκολλήθηκαν ως επιπλέον πίνακες χαρακτηριστικών, κατά τον Bonham-Carter,1994. Χρησιμοποιήθηκαν καλά καταγεγραμμένοι τοπογραφικοί χάρτες και σωστά γεωαναφερόμενες δορυφορικές εικόνες για να διεξαχθεί η διαδικασία μεταμόρφωσης ώστε να ξεπεραστεί η απόκλιση ανάμεσα στους παραγόμενους θεματικού χάρτες και στους καταγεγραμμένους τοπογραφικούς χάρτες. Τα εργαλεία του συστήματος ArcGIS φάνηκαν πολύ αποδοτικά στην εκτέλεση της χωρικής ρύθμισης των χαρτών εδάφους (Burrough, 1986 και Tomlin, 1990).
3.7 Επί τόπου εργασία και ανάλυση στο εργαστήριο
Επί τόπου αποστολές διεξήχθησαν ώστε να εκπροσωπηθούν οι διαφορετικές μονάδες εδάφους. Ένας αριθμός 42 προφίλ εδάφους μελετήθηκε επί τόπου σύμφωνα με τις οδηγίες του FAO, (FAO, 2006). Το χρώμα του εδάφους ορίστηκε από Χρωματικούς Χάρτες Munssel (Soil Survey Staff, 1975). Οι εργαστηριακές αναλύσεις εδάφους (π.χ. υφή εδάφους, περιεκτικότητα σε CaCO3, CEC, EC, ESP, pH, διαλυτά κατιόντα και ανιόντα και περιεκτικότητα σε οργανική ύλη) διεξήχθησαν σε 95δείγματα εδάφους, που αντιπροσώπευαν ορίζοντες διαφορετικών εδαφικών προφίλ, χρησιμοποιώντας το εγχειρίδιο εργαστηριακών μεθόδων έρευνας εδάφους (USDA, 2004). Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών έχουν συγκεντρωθεί στην τράπεζα δεδομένων και μετά ενσωματώθηκαν στους πίνακες χαρακτηριστικών των ψηφιακών χαρτών εδάφους GIS (Nguyen Quec Dinh, 2001 και Pavasovic, 1993).
4. Αποτελέσματα και Ανάλυση
4.1. Τα εδάφη του Δέλτα του Νείλου
Ο χάρτης εδάφους του Δέλτα του Νείλου εξήχθη από τον χάρτη εδάφους της Αιγύπτου (ASRT, 1982), ο οποίος ταξινομήθηκε σύμφωνα με την Αμερικανική Ταξινόμηση Εδάφους (USDA, 1975). Το σχ. 1 δείχνει τις περιοχές και τα αντιπροσωπευτικά προφίλ εδάφους των διαφορετικών εδαφών στην χαρτογραφημένη περιοχή.
4.2 Ποσοστό Υποβάθμισης και Αξιολόγηση Κινδύνου
Δεκατέσσερα προφίλ εδάφους επιλέγχθηκαν από τα 42 προφίλ που μελετήθηκαν και που αντιπροσώπευαν διαφορετικά εδάφη του Δέλτα του Νείλου. Οι εργαστηριακές αναλύσεις εδάφους χρησιμοποιήθηκαν για να αξιολογήσουν το ποσοστό και τον κίνδυνο υποβάθμισης του εδάφους για κάθε μία από τις ομάδες. Το ποσοστό των κυρίαρχων διαδικασιών υποβάθμισης εδάφους (π.χ.water logging και αλάτι) υπολογίστηκε από τη σύγκριση ανάμεσα στα κύρια χαρακτηριστικά εδάφους του (1982) και (2009). Συνεπώς τα ποσοστά της υποβάθμισης εδάφους για κάθε τύπο, ταξινομήθηκαν σε ελαφρά, μέση ή υψηλή. Ο κίνδυνος water logging και αλάτωσης των εδαφών του Δέλτα του Νείλου ως αποκτώμενα στοιχεία επικολλήθηκαν στον πίνακα χαρακτηριστικών του ψηφιακού χάρτη εδάφους του Δέλτα του Νείλου για να χαρτογραφηθούν οι κίνδυνοι water logging και προσβολής των εδαφών από αλάτι. Τα σχήματα 2&3 εκπροσωπούν την χωρική κατανομή και τι περιοχές τάξεων κινδύνου water logging και προσβολής των εδαφών από αλάτι πάνω από την περιοχή του Δέλτα.
Τα αποκτηθέντα δεδομένα αποκαλύπτουν τα ακόλουθα:
4.2.1 Water Logging
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το βάθος των εδαφών της μελετημένης περιοχής ποικίλλει από 50 εως 130 cm . Τα εδάφη των Aquic Torrifluvents, Typic Aquisalids, Typic Calcigypsids, Typic Haplocalcids, Typic Haplogypsids, Typic Petrogypsids χαρακτηρίζονται από ένα βάθος εδάφους που διαφέρει από 50 ως 90 cm , τα εδάφη αυτά απειλούνται από μέσο ως υψηλό κίνδυνο water logging. Τα υπόλοιπα εδάφη έχουν ένα βάθος που κυμαίνεται ανάμεσα σε 100 ως 130 cm, και χαρακτηρίζονται αντίστοιχα από χαμηλό κίνδυνο water logging. Η ετήσια μείωση του υδροφόρου ορίζοντα φτάνει την ανώτατη τιμή της στα Typic Aquisalids και Typic Quartizpsamments (1,85 cm/έτος), ενώ καταγράφονται 1,48 cm/έτος στα Aquic Torrifluvents και 1,11 cm/έτος στα εδάφη Vertic Torrifluvents, Typic Haplocalcids και Typic Quartizpsamments/Typic Torrionthents.Τα εδάφη μέσου ποσοστού και πολύ υψηλού κινδύνου water logging (M,4) κάλυπταν μια περιοχή 1928,73 km2, (π.χ. 6,70%) που αντιπροσωπεύουν εδάφη Typic Aquisalids στα Βόρεια του Δέλτα του Νείλου. Τα εδάφη των Aquic Torrifluvents, Typic Haplocalcids και Typic Quartizpsamments χαρακτηρίζονται από μέσο ποσοστό και υψηλό κίνδυνο water logging(Μ,3) καλύπτοντας μιια περιοχή 5532,54 km2 (π.χ. 19,22%). Τα εδάφη αυτά βρίσκονται κυρίως στις δυτικές και ανατολικές περιοχές του Δέλτα, και επίσης μια μικρή λωρίδα βρίσκεται στα Βόρεια του Δέλτα του Νείλου κοντά στη Λίμνη El Borlolus. Τα περισσότερα από τα αλλουβικά αποθέματα του Δέλτα χαρακτηρίζονται από μέσο ποσοστό και κίνδυνο water logging σε σχέση με τα εδάφη Vertic Torrifluvents, Typic Quartizpsamments/Typic Torrionthents και Typic Torripsamments/Typic Torrionthents που αντιπροσωπεύουν το 47,63% της συνολικής περιοχής. Τα ελαφρά ποσοστά water logging εντοπίζονται σε σχέση με τα εδάφη Typic Hapsosalids, Typic Torrifluvents, Typic Torrionthents και Typic Torripsamments, έχουν επίσης μέσο κίνδυνο (S,2) water logging παρουσιάζοντας μια περιοχή 6457,90 km2 (π.χ. 22,43%). Από την άλλη πλευρά τα εδάφη Typic Haplogypsids και Typic Petrogypsids έχουν μικρό ποσοστό water logging αλλά υψηλό κίνδυνο (S,3) και βρίσκονται μόνο στις ανατολικές και δυτικές ερημικές παρυφές του Δέλτα, καλύπτοντας μια περιοχή 1157,47 km2 (π.χ. 4,02%).
4.2.2 Προσβολή του εδάφους από αλάτι
Οι τιμές ηλεκτρικής αγωγιμότητας (EC) ποικίλλουν ευρέως στην περιοχή μελέτης, όπου οι τιμές EC ποικίλλουν ανάμεσα σε 0,459 – 19,35 dS/m, το οποίο υποδεικνύει διαφορετικά επίπεδα κινδύνου από αλάτι. Από την άλλη πλευρά, το ποσοστό αύξησης EC σε διαφορετικά εδάφη είναι γενικά χαμηλό (π.χ. λιγότερο από 0,5dS/m ανά έτος) το οποίο οφείλεται στην ύπαρξη τεράστιου αριθμού αποτελεσματικών αποστραγγίσεων. Αυτό δείχνει ότι ο κίνδυνος αυτός στο Δέλτα του Νείλου σχετίζεται κυρίως με την παρούσα κατάστασή του. Το πολύ υψηλό ποσοστό αλατιού (S,4) βρίσκεται στα βορειότερα τμήματα του Δέλτα του Νείλου, και σχετίζεται με τα θαλάσσια και λιμναία αποθέματα. Η τάξη αυτή αποτελεί τα εδάφη Typic Hapsosalids, τα οποία καλύπτουν μόνο 166,91 km2 (π.χ. 0,58%). Τα εδάφη υψηλού κινδύνου (S,3) καλύπτουν μια περιοχή 2936,26 km2 (π.χ. 10,20%) που βρέθηκε ότι σχετίζονται με εδάφη Typic Aquisalids, /typic Haplogypsids και Typic Torripsamments/Typic Torriorthents. Τα εδάφη Typic Calcigypsids, Typic Petrogypsids, Typic Torriorthents και Typic Torripsamments χαρακτηρίζονται από μέσο κίνδυνο προσβολής από αλάτι. Καλύπτουν μια περιοχή 4301,13 km2 14,94%) και βρίσκονται στις ανατολικές και δυτικές ερημικές παρυφές και τα λιμναία αποθέματα στα Βόρεια του Δέλτα του Νείλου. Τα εδάφη χαμηλού κινδύνου κυριαρχούν σε όλα τα αλούβια αποθέματα του Δέλτα, καλύπτοντας μια περιοχή 16905,89 km2, (π.χ. 58,72%). Οι τάξεις αυτές κινδύνου βρίσκονται στα εδάφη Aquic Torrifluvents, Typic Torrifluvents, Vertic Torrifluvents, Typic Haplocalcids και Typic Quartizpsamments.
4.3. Αστική Εξάπλωση
Η αστική εξάπλωση πάνω από το Δέλτα του Νείλου το 1984, 1992 και 2004 χαρτογραφήθηκε όπως φαίνεται στα σχήματα 4,5 και 6. Οι χτισμένες περιοχές στο Δέλτα του Νείλου αυξήθηκαν από 1134,71 km2 το έτος 1984 σε 1593,69 km2 το 1992 και σε 3671,04 km2 το έτος 2009 . Τα αποκτηθέντα στοιχεία δείχνουν ότι η αστική επέκταση κατά την περίοδο 1984-2006 έγινε εις βάρος των πιο γόνιμων εδαφών όπου η απωλεσθείσα περιοχή Vertic Torrifluvents είναι 797,94 km2, η Typic Torrifluvents έχασε 307,35 km2 και η Typic Torriorhents απώλεσε μια περιοχή 320,76 km2. Το μεγαλύτερο μέρος της αστικής επέκτασης συνέβη ανάμεσα στο 1992 και το 2006. Από το 1984 ως το 1992 τα εδάφη Vertic Torrifluvents απωλέσθεσαν σχετικά μικρές περιοχές (π.χ. 46,18 km2) σε σύγκριση με τα 751,76 km2 κατά την περίοδο 1992-2006. Οι περιοχές ορεινού ή βραχώδους εδάφους ήταν σταθερή κατά την περίοδο 1984-1992, όπου η απωλεσθείσα περιοχή ήταν μόλις 23,71 km2, σε σύγκριση με τα 383,95 km2 την περίοδο 1992-2006. Η πιο πρόσφατη αστική επέκταση στις παρυφές της ερήμου του Δέλτα του Νείλου ανάμεσα στο 1992 και το 2006 σχεδιάζεται αντίθετα με την αστική εξάπλωση ανάμεσα στο 1984 και το 1992. Η πρόσφατη νομοθέτηση που σκοπό έχει να ελέγξει την οικοδόμηση σε αγροτική γη δεν απέτρεψε την άνευ σχεδιασμού αστική εισβολή στην γόνιμη γη. Αυτού του είδους η άνευ σχεδιασμού αστική εξάπλωση έχει πολύ αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις προκαλώντας κυρίως κοινωνικά και προβλήματα υγείας. Αυτό συμβαίνει από την ακατάλληλη υποδομή συμπεριλαμβανομένων και των δρόμων και του αποχετευτικού συστήματος όπως και από τη μη διαθεσιμότητα καθαρού νερού.
5. Συμπέρασμα
Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η προσβολή των εδαφών από αλάτι και η αστική εξάπλωση είναι οι κυρίαρχες διαδικασίες υποβάθμιση της γης στο Δέλτα του Νείλου. Η εφαρμογή του GIS και η ανάλυση πολύ-χρονικών δορυφορικών εικόνων αποτελούν αναλυτικές τεχνικές για την αξιολόγηση της τρέχουσας κατάστασης και των δεικτών κινδύνου υποβάθμισης γης. To GIS αποτελεί μια αξιόλογη τεχνική για τον υπολογισμό του ποσοστού χωρικής κατανομής, όπως επίσης και για τη στήριξη λήψης αποφάσεων.
