REMOTE SENSING OF WATER COLOR TO ASSESS WATER QUALITY IN A CHANGING CLIMATE
Από RemoteSensing Wiki
REMOTE SENSING OF WATER COLOR TO ASSESS WATER QUALITY IN A CHANGING CLIMATE / ΤΗΛΕΠΙΣΚΌΠΗΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΛΌΓΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΌΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΎ, ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΟ ΧΡΩΜΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ,ΣΕ ΈΝΑ ΜΕΤΑΒΑΛΛΌΜΕΝΟ ΚΛΊΜΑ
Συγγραφέας:CAMERON MURRAY
Περίληψη: Αυτή η μελέτη, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και της τηλεπισκόπησης, προκειμένου να αξιολογήσει την ποιότητα του νερού μέσα από φασματικές εικόνες οι οποίες αποδίδουν κάποια χαρακτηρίστηκα του όπως η ανάπτυξη των φυκιών, η όξινη αποστράγγιση ορυχείων και τα αιωρούμενα ιζήματα. Μέσα από έναν μεγάλο όγκο πληροφοριών που έχουν συλλεχθεί τα προηγούμενα έτη από δορυφόρους, καθιστούν δυνατή την παρακολούθηση αλλαγών στην ποιότητα των υδάτων.
Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή
Το νερό είναι το βασικότερο αγαθό χωρίς το οποίο κανένα πλάσμα δεν μπορεί να ζήσει. Η πρόσβαση στο γλυκό νερό δεν είναι για όλους η ίδια καθώς λιγότερο από το 1% αυτού είναι προσβάσιμο από τον άνθρωπο και μέχρι το 2050 η ζήτηση αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά. Η αλλαγή στην ποιότητα του νερού μόνο επιζήμιες επιπτώσεις μπορεί να έχει σε όλους τους τομείς. Αν συμπεριληφθεί και η κλιματική αλλαγή η οποία φέρνει μαζί της αυξημένες θερμοκρασίες και έντονες καταιγίδες, τότε τα προγράμματα για την παρακολούθηση των υδατικών πόρων είναι αναγκαία.
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης, μέσα απο την δυνατότητα για συχνές επανεπισκέψεις, ανάλυση χρονοσειρών και ιστορικά δεδομένα για αναδρομική ανάλυση, αποτελεί ένα πολύτιμο εργαλείο, το οποίο μπορεί να βοηθήσει αποτελεσματικά σε αυτήν την παρακολούθηση περιοχών με προβλήματα ποιότητας νερού.
Ωστόσο, υπάρχει ακόμη χώρος βελτίωσης και αποτελεί μεγάλη πρόκληση η χρήση της τηλεπισκόπησης σε πολύπλοκα υδάτινα συστήματα για την αναγνώριση των οποίων χρειάζεται η κατάλληλη επιλογή αισθητήρων και αλγορίθμων ταξινόμησης και αξιολόγησης. Διαφορετικοί αισθητήρες συλλαμβάνουν ακτινοβολία σε διάφορα μήκη κύματος, μετρώντας διαφορετικούς δείκτες ποιότητας νερού.
Επίσης, μέσα από την αλλαγή των χρωμάτων από τις φασματικές εικόνες η τηλεπισκόπηση μπορεί να τεκμηριώσει αυτές τις αλλαγές και να βοηθήσει στον εντοπισμό της μιας μολυσμένης περιοχής. Αναφέρονται γενικότερα τα οφέλη χρήσης της τηλεπισκόπησης όπως η πρόληψη επιβλαβούς ανάπτυξης φυκών καθώς και η εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος, μέσα από την παρακολούθηση της όξινης αποστράγγισης και αιωρούμενων ιζημάτων στο νερό, από ορυχεία.
Κεφάλαιο 2: Τεχνολογία δορυφόρων
Η τηλεπισκόπηση περιλαμβάνει δύο κατηγορίες:
i)τους εναέριους αισθητήρες, οι οποίοι είναι τοποθετημένοι σε πλατφόρμες εντός της γήινης ατμόσφαιρας, και τους διαστημικούς αισθητήρες, οι οποίοι μεταφέρονται σε δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Οι αερομεταφερόμενοι αισθητήρες προσφέρουν μια ευέλικτη προσέγγιση στην τηλεπισκόπηση, με υψηλότερη φασματική και χωρική ανάλυση, και μπορούν να διαμορφωθούν ανάλογα με την τοποθεσία της έρευνας. Είναι χρήσιμοι για την έρευνα της ποιότητας των υδάτων, αλλά είναι πολύπλοκοι και δαπανηροί σε σύγκριση με τις διαστημικές έρευνες.
ii)Οι διαστημικοί αισθητήρες είναι χρήσιμοι για πολύχρονες μελέτες και παρακολούθηση των τάσεων στην ποιότητα των υδάτων, αλλά έχουν πιο μικρή φασματική ανάλυση, περιορισμένη νεφοκάλυψη και δυσκολία στην ανάλυση των εικόνων, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε υπερεκτίμηση ή υποεκτίμηση των παραμέτρων της ποιότητας των υδάτων.
Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στη δορυφορική τηλεπισκόπηση, με τρεις αισθητήρες να χρησιμοποιούνται συχνότερα: Landsat 8, Sentinel-2 MultiSpectral Instrument (MSI) και Terra & Aqua MODIS. Ο Landsat-8, που εκτοξεύθηκε το 2013, παρέχει εποχιακή κάλυψη του πλανήτη στο ορατό, εγγύς υπέρυθρο, υπέρυθρο μικρού μήκους κύματος και θερμικό υπέρυθρο φάσμα.
[ [ Εικόνα: Pic_4.jpg | thumb | center | Table 1: Landsat 8 Bands, πηγή:https://digitalcommons.uri.edu/theses/2142/ ] ]
Οι Landsat 9 και Sentinel-2 είναι δύο δορυφόροι που εκτοξεύονται για να συλλέγουν εικόνες της Γης κάθε 8 ημέρες. Ο Landsat 9 σε συνδυασμό με τον Landsat 8 μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να λάβουν επιστημονικά τεκμηριωμένες αποφάσεις για βασικά ζητήματα όπως η χρήση του νερού, οι επιπτώσεις των πυρκαγιών, η υποβάθμιση των κοραλλιογενών υφάλων, η υποχώρηση των παγετώνων και η αποψίλωση των τροπικών δασών.
Ο Sentinel-2, που εκτοξεύτηκε το 2015, διαθέτει οπτικοηλεκτρονικό πολυφασματικό αισθητήρα για την αποτύπωση σε ορατές, κοντινές υπέρυθρες και υπέρυθρες φασματικές ζώνες μικρού μήκους κύματος. Η αποστολή επιτρέπει χρόνο επανέλεγχου 5 ημερών στον ισημερινό και 2-3 ημερών στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη. Οι δορυφόροι Terra και Aqua χρησιμοποιούν το φασματικής απεικόνισης μέτριας ανάλυσης (MODIS) για να βλέπουν την επιφάνεια της Γης κάθε 1-2 ημέρες, λαμβάνοντας δεδομένα σε 36 φασματικές ζώνες. Παρόλο που το MODIS δεν είναι τόσο ακριβές όσο τα σύνολα δεδομένων Landsat και Sentinel, η ευρεία διαθεσιμότητά του και τα χαμηλά ποσοστά επανεπισκέψεων το καθιστούν πολύτιμο για πολλές μελέτες.
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μέτρηση της ποιότητας του νερού. Το Aquasat, ένα πρόγραμμα που αναπτύχθηκε το 2019, χρησιμοποιεί εικόνες Landsat και in situ δείγματα από την πύλη ποιότητας νερού των Ηνωμένων Πολιτειών για να κάνει ακριβείς προβλέψεις της παγκόσμιας ποιότητας του νερού. Οι 600.000 αντιστοιχίσεις επιτρέπουν πιο αξιόπιστες προβλέψεις με βάση μόνο τις εικόνες Landsat.
Το AquaSat επικεντρώνεται στη χλωροφύλλη, τα ιζήματα, τον διαλυμένο άνθρακα και το βάθος του δίσκου Secchi. Η ομάδα σχεδιασμού, πρόκειται να ενσωματώσει περισσότερα σύνολα δορυφορικών δεδομένων, όπως το MODIS, για να δημιουργήσει ένα πιο ισχυρό εργαλείο για την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων. Αυτό το εργαλείο θα μπορούσε να είναι απαραίτητο για όλες τις μελέτες αξιολόγησης της ποιότητας του νερού.
Κεφάλαιο 3: Επιβλαβής ανάπτυξη φυκών
Η επιβλαβής ανάπτυξη των φυκών (HABs) είναι ένα σημαντικό περιβαλλοντικό ζήτημα στα εσωτερικά υδάτινα σώματα, το οποίο προκαλείται από φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που απαιτούν ηλιακό φως και θρεπτικά συστατικά. Αυτές οι μεγενθύσεις, συμβαίνουν την άνοιξη, όταν οι μεγαλύτερες ημέρες παρέχουν ισχυρότερο ηλιακό φως, οδηγώντας σε ευτροφισμό, διαταράσσοντας τον φυσικό κύκλο των βασικών θρεπτικών συστατικών. Καθώς οι οργανισμοί αναπτύσσονται, σχηματίζεται ένα παχύ στρώμα άλγης, που εμποδίζει το ηλιακό φως και αναστέλλει την ανάπτυξη των φωτοσυνθετικών οργανισμών. Η διαδικασία αποσύνθεσης καταναλώνει οξυγόνο, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται "νεκρές ζώνες" όπου η υδρόβια ζωή δεν μπορεί να επιβιώσει. Τα κυανοβακτήρια, ο πιο κοινός τύπος HAB, περιέχουν τοξίνες, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν μόλυνση του πόσιμου νερού και των υδατοκαλλιεργειών.
Οι HABs έχουν επίσης οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις, κοστίζοντας στο έθνος σχεδόν 4,8 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως. Η παγκόσμια αύξηση του μεγέθους και της συχνότητας των HABs (Hydrogenous Algae Blooms) καθιστά αναγκαία την έγκαιρη ανίχνευση και την ολοκληρωμένη παρακολούθηση για την αποτελεσματική διαχείριση και τον μετριασμό των επιπτώσεων. Η κατανόηση της χωρικής και χρονικής κατανομής των HABs είναι ζωτικής σημασίας για αποτελεσματικές τεχνικές μετριασμού. Οι χρωστικές της χλωροφύλλης, οι οποίες αντανακλούν κυρίως το πράσινο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικές υπογραφές των ανθίσεων των φυκών.
Οι δορυφορικές μετρήσεις μπορούν να ανιχνεύσουν τα πράσινα μήκη κύματος, παρέχοντας έναν αποτελεσματικό τρόπο παρακολούθησης των HABs. Η τηλεπισκόπηση, η οποία καταγράφηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1970, έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό σωματιδιακών ρύπων, γεγονότων λευκής θάλασσας και χλωροφύλλης.
Ωστόσο, οι περιορισμοί της τηλεπισκόπησης, όπως η νεφοκάλυψη και η αραιή συχνότητα των εικόνων, μπορούν να εξισορροπήσουν με την ενσωμάτωση της υδροδυναμικής και της οικολογικής παρακολούθησης. Μελέτες που χρησιμοποιούν δεδομένα Landsat έχουν δείξει ελπιδοφόρα αποτελέσματα, με αλγορίθμους που βασίζονται στο χρώμα να δείχνουν αξιοπιστία.
Οι Klemas et al. (2012) χρησιμοποίησαν ένα οριακό σημείο για τον εντοπισμό κυανοβακτηρίων στο νερό, αλλά η μέθοδος αυτή αμφισβητείται λόγω των ασαφών ορίων. Άλλοι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει αισθητήρες όπως τα σύνολα δεδομένων MODIS, Meris και Sentinel, με τους Binding et al. (2018) να χρησιμοποιούν τον δείκτη μέγιστης χλωροφύλλης (MCI) του MERIS για την ποσοτικοποίηση της μέγιστης ακτινοβολίας κοντά στα 700 nm. Ωστόσο, η ανάμιξη που προκαλείται από τον άνεμο μπορεί να παραμορφώσει τα δορυφορικά δεδομένα, επηρεάζοντας τις μετρήσεις των HABs.
Πρόσφατες μελέτες έχουν αρχίσει να δοκιμάζουν προσεγγίσεις πολλαπλών αισθητήρων για την ανίχνευση των HABs, με τους Coffer et al. (2020), Ma et al. (2021) και Page et al. (2018) να παρουσιάζουν ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Οι Coffer κ.ά. χρησιμοποίησαν το MERIS και το Sentinel-3A με έναν αλγόριθμο φασματικού σχήματος, ενώ οι Ma κ.ά. (2021) συνδύασαν το Terra/Aqua Modis, το Landsat 8 OLI και το Sentinel-2A/B MSI, με αποτέλεσμα την αποδοτικότερη και ακριβέστερη επεξεργασία δεδομένων.
Η βιβλιογραφία υποδεικνύει ότι οι καλύτεροι αισθητήρες για την ανίχνευση της άνθισης των φυκών είναι εκείνοι με περισσότερα κανάλια των οποίων τα μήκη κυμαίνονται μεταξύ 550 και 700 nm για την μέγιστη ανάκλαση. Η ατμοσφαιρική διόρθωση είναι ζωτικής σημασίας για ακριβείς μετρήσεις και ο δείκτης επιπλέουσας άλγης (FLI) για το MODIS είναι ανεξάρτητος από τον αισθητήρα.
Μια προσέγγιση πολλαπλών αισθητήρων μπορεί να παρέχει υψηλότερη συχνότητα παρατήρησης και λεπτομερέστερες χωρικές πληροφορίες, αλλά απαιτείται περισσότερη έρευνα για την εξεύρεση κατάλληλων αλγορίθμων. Οι δοκιμές επί τόπου είναι ζωτικής σημασίας για την επικύρωση των αποτελεσμάτων και την πρόοδο των τεχνικών τηλεπισκόπησης.
Κεφάλαιο 4: Όξινες αποστραγγίσεις ορυχείων
Η όξινη αποστράγγιση ορυχείων (AMD) είναι ένας σημαντικός περιβαλλοντικός κίνδυνος, δεύτερος μετά την υπερθέρμανση του πλανήτη και την καταστροφή του όζοντος. Οι εξορυκτικές δραστηριότητες προκαλούν ζημιές στην επιφάνεια της γης και στο υπέδαφος, επηρεάζοντας περίπου 19.300 χιλιόμετρα ρεμάτων, ποταμών και λιμνών παγκοσμίως. Στις ΗΠΑ, χιλιάδες εγκαταλελειμμένα ανθρακωρυχεία έχουν μολύνει ποτάμια και ρέματα για δεκαετίες. Το όξινο νερό από τις εξορυκτικές δραστηριότητες αντιδρά με τις θειικές ενώσεις, προκαλώντας τη διάλυση βαρέων μετάλλων και προκαλώντας υψηλά επίπεδα ολικών διαλυμένων στερεών και μόλυνσης από μέταλλα.
«Η χημική εξίσωση για αυτές τις αντιδράσεις φαίνεται παρακάτω:
4FeS2 + 15O2 + 14H2O → 4Fe(OH)3 + 4SO4-2 + 16H+
Τα αντιδρώντα αυτής της εξίσωσης αντιπροσωπεύονται από τον πυρίτη, από την εξορυκτική δραστηριότητα (FeS2) που έρχεται σε επαφή με το οξυγόνο του αέρα (O2) και το νερό (H2O). Η αντίδραση μεταξύ αυτών των τριών στοιχείων παράγει υδροξείδιο του σιδήρου Fe(OH)3, θειικό άλας (SO4-2) και υδρογόνο (H+). Το υδροξείδιο του σιδήρου είναι το ίζημα που συμβάλλει στο έντονο πορτοκαλί χρώμα του AMD.»
Αυτό το τοξικό νερό καθιστά το νερό και, τα ιζήματα των ρεμάτων, ακατάλληλα για πόση και αναψυχή, επηρεάζοντας αρνητικά τον εξοπλισμό εξόρυξης και τα υδάτινα οικοσυστήματα.
Η επεξεργασία της AMD είναι πολύπλοκη, δαπανηρή και δύσκολη, καθώς οι συνθήκες της περιοχής, η σύνθεση του όξινου νερού των ορυχείων και οι μέθοδοι επεξεργασίας ποικίλλουν. Το 2021, η Γερουσία ενέκρινε νομοσχέδιο υποδομών ύψους 11,3 δισεκατομμυρίων δολαρίων για τον καθαρισμό των εγκαταλελειμμένων ανθρακωρυχείων, με προτεραιότητα σε αυτά που ενέχουν κινδύνους για την ασφάλεια και το πόσιμο νερό. Υπολογίζοντας 10,6 δισεκατομμύρια δολάρια σε κόστος κατασκευής, υπάρχει ανάγκη για αποτελεσματική ανίχνευση των υδάτινων σωμάτων προτεραιότητας.
Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να συμβάλουν στη βελτίωση της περιβαλλοντικής παρακολούθησης των περιοχών εξόρυξης, και η φασματική επισκόπιση εικόνας μπορεί να αποτελέσει έναν αποτελεσματικό τρόπο εκτίμησης της μόλυνσης που σχετίζεται με την AMD.
Προηγούμενες μελέτες:
Οι Davies και Calvin (2017) διεξήγαγαν προσομοιώσεις της AMD σε εργαστηριακή κλίμακα για να μελετήσουν τη μοναδική φασματική απόκρισή της σε υδάτινα σώματα ορυχείων. Χρησιμοποίησαν μήκη κύματος ορατού έως μικρού μήκους κύματος υπέρυθρου για να αναλύσουν την ποιότητα του νερού σε λίμνες ορυχείων.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι φασματικές υπογραφές Fe+3 ήταν κυρίαρχες και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για διαγνωστική ταυτοποίηση. Τα μήκη κύματος μεταξύ 350 και 625 nm ήταν ιδιαίτερα χρήσιμα για τον ποσοτικό προσδιορισμό των συγκεντρώσεων Fe+3.
Η μελέτη διαπίστωσε ότι τα AMD και τα τεχνογενή ιζήματα που σχηματίστηκαν κατά την όξυνση είχαν υψηλότερη φασματική ανάκλαση στις περιοχές μηκών κύματος 650-750 nm από τα ουδέτερα νερά. Οι δορυφορικές απεικονίσεις, όπως οι Landsat και Sentinel, παρείχαν υψηλή χρονική ανάλυση και 10 φασματικές ζώνες στην ορατή κοντινή υπέρυθρη περιοχή, γεγονός που τις καθιστά πολύτιμες για τον εντοπισμό της ρύπανσης των υδάτων που σχετίζεται με την AMD.
Οι Blahwar κ.ά. (2012) διαπίστωσαν ότι η καλύτερη εικόνα για την ανάδειξη των ιζημάτων σιδήρου σε ξηρές κοίτες ρευμάτων ήταν ο συνδυασμός των αναλογιών της κόκκινης, πράσινης και μπλε ζώνης.
Η Kopackova (2019) εισήγαγε έναν νέο δείκτη για τα δεδομένα του Sentinel-2, τον Ds-2(AMD), ο οποίος επιτρέπει τη χαρτογράφηση των AMD και τη διαφοροποίηση μεταξύ δευτερογενών ορυκτών όπως ο ιαροσίτης και άλλα οξυϋδροξείδια.
Οι Seifi et al (2019) χρησιμοποίησαν δεδομένα Sentinel-2A και δεδομένα πεδίου για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση σιδηρούχων ορυκτών για τον προσδιορισμό της παραγωγής AMD.
Η μέθοδος της φασματικής παραμέτρου γωνίας εφαρμόστηκε σε εικόνες Sentinel-2α για τον εντοπισμό ορυκτών AMD και την ταξινόμηση της περιοχής μελέτης. Η συνολική ακρίβεια της χαρτογράφησης με τη χρήση της μεθόδου φασματικής γωνιακής παραμέτρου ήταν 75%. Ωστόσο, οι περιορισμοί της χρήσης δορυφορικών συνόλων δεδομένων, όπως η χωρική ανάλυση και η νέφωση, μπορούν να περιορίσουν την αξιοπιστία των δορυφορικών δεδομένων.
Η υπερφασματική απεικόνιση έχει επεκτείνει τις δυνατότητες τηλεπισκόπησης για την AMD, παρέχοντας υψηλότερη χωρική και φασματική ανάλυση. Αισθητήρες όπως το HyMap μπορούν να ανιχνεύσουν ορυκτά AMD στο νερό, χρησιμεύοντας ως υποκατάστατα για χαμηλό pH, όξινα νερά ορυχείων και υποπροϊόντα αποβλήτων ορυχείων. Τα δεδομένα RGB με drone μπορούν να εντοπίσουν δευτερογενή ορυκτά AMD όπως ο ιαροσίτης και ο γκετίτης, και η τοπογράφηση με drone είναι μια γρήγορη, μη επεμβατική και φθηνή τεχνική για την χρόνια περιβαλλοντική παρακολούθηση.
Οι βιβλιοθήκες αναφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση φασμάτων και την αξιολόγηση μιγμάτων ορυκτών. Ωστόσο, τα αερομεταφερόμενα υπερφασματικά δεδομένα έχουν περιορισμούς, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε τοπικές περιοχές, σε αντίθεση με τις δορυφορικές παρατηρήσεις της γης που μπορούν να παρακολουθούν μεγάλες γεωγραφικές περιοχές.
Πρόταση: Η έρευνα σχετικά με τα δεδομένα τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση των επιπτώσεων της ρύπανσης των υδάτων που σχετίζονται με τα ορυχεία είναι περιορισμένη, ενώ οι μέθοδοι ποικίλλουν μεταξύ δορυφόρων και UAS. Υπάρχει ανάγκη για περισσότερη έρευνα σχετικά με αποτελεσματικές τεχνικές τηλεπισκόπησης για την κατανόηση της παραγωγής ανθρακωρυχείων, τη συλλογή δειγμάτων εδάφους και νερού και την ενσωμάτωση υπερφασματικών εικόνων με δεδομένα πεδίου. Η τακτική παρακολούθηση της όξινης αποστράγγισης ορυχείων και της ποιότητας των υδάτων είναι απαραίτητη για τον εντοπισμό των αναδυόμενων προβλημάτων και την αποκατάσταση των χώρων των ορυχείων. Οι συστάσεις περιλαμβάνουν την αποφυγή επιρροών όπως το φυτικό υλικό ή η ατμόσφαιρα, τη χρήση κορυφών ανάκλασης μεταξύ 570 και 700 nm και την εξέταση των μολυσματικών μετάλλων της ξηρής περιόδου για πιο ακριβή υδατογραφήματα.
Κεφάλαιο 5: Αιωρούμενα Ιζήματα
Η διαφάνεια των υδάτων είναι ζωτικής σημασίας για την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων και της υγείας των οικοσυστημάτων, καθώς δείχνει τη διαπερατότητα του φωτός. Τα αιωρούμενα ιζήματα,κυρίαρχο συστατικό στα εσωτερικά και παράκτια ύδατα, επηρεάζουν σημαντικά τη διαύγεια του νερού.
Καθώς οι αστικοί πληθυσμοί αυξάνονται, η παρακολούθηση των υδάτινων οικοσυστημάτων, όπως οι λίμνες, οι λιμνοθάλασσες και οι εκβολές ποταμών, καθίσταται απαραίτητη. Οι ανθρωπογενείς πιέσεις, όπως η ρύπανση, η συσσώρευση ιζημάτων, διαταράσσουν την οικολογική ισορροπία. Τα αιωρούμενα ιζήματα μειώνουν την αποθηκευτική ικανότητα, τον έλεγχο των πλημμυρών και τη διείσδυση του φωτός, επηρεάζοντας τις υδάτινες κοινότητες.
Η τακτική παρακολούθηση των διακυμάνσεων των αιωρούμενων στερεών είναι απαραίτητη για την κατανόηση των επιπτώσεών τους στα υδάτινα οικοσυστήματα και τον μετριασμό του προβλήματος. Οι δίσκοι Secchi είναι μέθοδος μέτρησης της διαφάνειας των υδάτων που απαιτούν πολύ εργασία και είναι χαμηλής απόδοσης, αλλά η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων των αιωρούμενων ιζημάτων. Η τεχνική αυτή μπορεί να εντοπίσει αποτελεσματικότερα περιοχές μεγάλης κλίμακας και υδάτινα σώματα με ποιοτικά προβλήματα. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει συνοπτικές παρατηρήσεις από τις ορατές έως τις κοντινές υπέρυθρες φασματικές περιοχές, επιτρέποντας τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των αιωρούμενων ιζημάτων. Οι πληροφορίες αυτές είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της δυναμικής της ποιότητας των υδάτων και τη διαχείριση των υδάτινων οικοσυστημάτων.
Προηγούμενες μελέτες:
Οι οπτικά ενεργές παράμετροι του νερού αξιολογούνται με τη χρήση της συμπεριφοράς του φωτός στα νερά. Η μοριακή σκέδαση του καθαρού νερού ακολουθεί μια παραβολική τάση, με την απορρόφηση να είναι υψηλότερη στο φάσμα από το ερυθρό έως το υπέρυθρο. Το σχήμα και το μέγεθος του νερού επηρεάζονται από το μέγεθος, το σχήμα και τη σύνθεση των σωματιδίων. Η διαφάνεια του δίσκου Secchi συσχετίζεται στενά με τη δορυφορική φασματική-ακτινομετρική παρατήρηση σε λίμνες.
Τα φάσματα κόκκινου έως εγγύς υπέρυθρου είναι καταλληλότερα για την παρακολούθηση των συγκεντρώσεων αιωρούμενων ιζημάτων, καθώς παρέχουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την οριζόντια κατανομή. Πηγές δορυφορικών δεδομένων όπως ο Landsat χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανάκτηση της συνολικής συγκέντρωσης αιωρούμενων ιζημάτων.
Για πιο αξιόπιστα αποτελέσματα απαιτούνται πιο εξειδικευμένα μοντέλα. Αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος για την εξ αποστάσεως εκτίμηση των συγκεντρώσεων αιωρούμενων στερεών με βάση δείγματα από λίμνες και ταμιευτήρες σε όλη τη λιμναία ζώνη της Ανατολικής Πεδιάδας στην Κίνα.
Οι Jally et al. ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο για την ανάκτηση δεδομένων συγκέντρωσης αιωρούμενων ιζημάτων με χρήση του Landsat 8 OLI και επιτόπιων μετρήσεων. Το μοντέλο έδειξε ένα παρόμοιο πρότυπο μεταξύ της εκτιμώμενης μέσω δορυφόρου και της παρατηρούμενης in situ SSC, και το Landsat 8 OLI αποτύπωσε την εποχιακή μεταβλητότητα σε όλους τους τομείς της λίμνης. Το μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης πολλαπλών ζωνών με ένα νέο συντελεστή για κάθε τοποθεσία βρέθηκε να είναι το καταλληλότερο για την εκτίμηση της SSC.
Οι Liu κ.ά. (2017) ανέπτυξαν μοντέλα για τη συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών χρησιμοποιώντας το Sentinel-2 MSI, διαπιστώνοντας ότι τα μοντέλα που βασίζονται στο B7 στα 783 nm ήταν τα πιο ακριβή.
Οι Cui et al. (2022) χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση πολλαπλών αισθητήρων, χρησιμοποιώντας δεδομένα τόσο από το Landsat 8 OLI όσο και από το Sentinel-2 MSI για να καθορίσουν τις καλύτερες μεθόδους ανάκτησης. Διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο σημειοκεντρικής παλινδρόμησης με συνελικτικό νευρωνικό δίκτυο (PSRCNN) είχε την καλύτερη απόδοση με μεγαλύτερη ακρίβεια και ευρωστία, αλλά ήταν λιγότερο σταθερό λόγω των περιορισμών των δειγματων.
Πρόταση:
Η τακτική παρακολούθηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων ιζημάτων με τη χρήση του Landsat 8 OLI μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση περιβαλλοντικών προβλημάτων στις λίμνες, όπως η συσσώρευση ιζημάτων, η αποτελεσματικότητα της εκβάθυνσης, η ανάπτυξη των φυκών, η επίδραση των ιζημάτων στα θαλάσσια χόρτα, η διαφάνεια του νερού και η παραγωγικότητα των λιμνών. Τα δορυφορικά δεδομένα μπορούν να μειώσουν το κόστος των εργασιών πεδίου και να βελτιώσουν την κατανόηση των αντιδράσεων του οικοσυστήματος στις περιβαλλοντικές αλλαγές. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για την ανάπτυξη αλγορίθμων για πιο αξιόπιστα δεδομένα και η μηχανική μάθηση θα μπορούσε να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο. Μια προσέγγιση πολλαπλών αισθητήρων θα μπορούσε να βελτιώσει τη συχνότητα επανεπισκέψεων στα δεδομένα Landsat, με χρόνο επανεπισκέψεων 2,9 ημέρες.
Κεφάλαιο 6: Συζήτηση
Το χρώμα του νερού επηρεάζεται από τα αιωρούμενα και διαλυμένα σωματίδια και τους ρύπους, με την άνθιση των φυκιών να εμφανίζεται πράσινη λόγω της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη, την όξινη αποστράγγιση ορυχείων να εμφανίζεται κόκκινη ή πορτοκαλί λόγω της συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων και τα αιωρούμενα ιζήματα να εμφανίζονται καφέ ή μαυρισμένα. Το χρωματισμένο νερό αποτελεί ένδειξη κακής ποιότητας νερού, η οποία μπορεί να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και στο υδάτινο περιβάλλον. Οι επί τόπου μετρήσεις είναι περιορισμένες και υπόκεινται σε σφάλματα.
Η δορυφορική τηλεπισκόπηση προσφέρει μια οικονομικά αποδοτική και προσιτή πλατφόρμα για την παρακολούθηση των γεγονότων ποιότητας του νερού. Ωστόσο, υπάρχουν περιορισμοί, όπως η χαμηλή ανάκλαση του μπλε φωτός και η υψηλή ανάκλαση του κόκκινου φωτός, που υποδηλώνουν κακή ποιότητα νερού. Η ατμοσφαιρική διόρθωση και οι αλγόριθμοι για την απομάκρυνση των επιδράσεων της βλάστησης είναι ουσιώδεις για την επεξεργασία των δεδομένων. Τα Landsat και Sentinel είναι τα πιο αξιόπιστα σύνολα δεδομένων, αλλά το Landsat 9 θα μπορούσε να συμβάλει στη μείωση του χρόνου επανάληψης σε 8 ημέρες. Το AquaSat, μια πλατφόρμα για τη συσχέτιση δεδομένων in situ με δεδομένα Landsat, θα μπορούσε να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για την ανάλυση της ποιότητας των υδάτων.
Η τηλεπισκόπηση για την παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτων περιλαμβάνει τη χρήση συγκεκριμένων ζωνών και μηκών κύματος για την ανίχνευση διαφορετικών γεγονότων. Για την ανάπτυξη των φυκών, οι πολλαπλές ζώνες είναι ιδανικές, με κορυφές ανάκλασης γύρω στα 665 και 709 nm. Η μόλυνση που σχετίζεται με την όξινη αποστράγγιση ορυχείων απαιτεί φασματικές ζώνες κόκκινου και κόκκινου άκρου, με μήκη κύματος που κυμαίνονται μεταξύ 570 και 700 nm.
Η ξηρή περίοδος μπορεί να παρέχει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα για τον προσδιορισμό των υδάτινων σωμάτων ύψιστης προτεραιότητας. Τα φάσματα κόκκινου έως εγγύς υπέρυθρου είναι τα καλύτερα για τα αιωρούμενα ιζήματα, με μήκη κύματος που κυμαίνονται μεταξύ 700 και 800 nm. Η θερμοκρασία του νερού είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των φυσικών και βιοχημικών διεργασιών εντός ενός υδάτινου σώματος, επηρεάζοντας τη διαλυτότητα και τα επίπεδα διαλυμένου οξυγόνου.
Η χρήση γης και η κάλυψη γης που περιβάλλουν ένα υδάτινο σώμα παίζουν επίσης ρόλο στον υδρολογικό κύκλο, με την επιφανειακή απορροή να αποτελεί σημαντική πηγή ρύπανσης. Τα πρότυπα του τοπίου μεταβάλλονται συνεχώς και η κλιματική αλλαγή αποτελεί σοβαρή απειλή για τα σημερινά τοπία. Η ποσοτικοποίηση αυτών των χωρικών προτύπων είναι μόνο η αρχή της κατανόησης των οικολογικών διεργασιών, και η καλύτερη κατανόηση και πρακτική μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη αποτελεσματικών αιτιών για την ποιότητα των υδάτων και στρατηγικών μετριασμού.
Η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην έρευνα για την ποιότητα των υδάτων από τη δεκαετία του 1970, αλλά η χρήση της για την τακτική ποιότητα των υδάτων δεν είναι συνηθισμένη. Οι κύριες προκλήσεις περιλαμβάνουν το κόστος, την ακρίβεια των προϊόντων δεδομένων, τη συνέχεια της δορυφορικής αποστολής και την έγκριση της διοίκησης. Οι ερευνητές πήραν συνεντεύξεις από ενδιαφερόμενους φορείς και περιβαλλοντικούς διαχειριστές για να κατανοήσουν γιατί δεν αποτελεί κοινή πρακτική. Το κόστος δεν είναι ευρέως γνωστό και η ακρίβεια αποτελεί σημαντική πρόκληση.
Η αξία της τηλεπισκόπησης έγκειται στη συνοπτική και συχνή κάλυψη πολυάριθμων υδάτινων σωμάτων, ανιχνεύοντας σχετικές αλλαγές και ανώμαλα γεγονότα. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στη δημιουργία εργαλείων για την παρακολούθηση και τις τεχνικές συλλογής δεδομένων, στην αντιμετώπιση των κενών γνώσης και στην προώθηση της χρήσης πλατφορμών όπως το Google Earth Engine. Η δημιουργία ενός εργαλείου για την όξινη αποστράγγιση ορυχείων μπορεί να παρέχει δεδομένα για την ιεράρχηση της κατανομής ομοσπονδιακής χρηματοδότησης. Η NASA έχει σημειώσει πρόοδο στην τυποποίηση των μεθόδων για επιτυχημένες αποστολές, αλλά η χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης εξαρτάται από το ενδιαφέρον του εργατικού δυναμικού. Η επικοινωνία και η εκπαιδευτική προβολή είναι απαραίτητες για την επέκταση του τομέα και τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των τεχνικών τηλεπισκόπησης.
