Ανασκόπηση: Η τηλεπισκόπηση στην έρευνα και παρακολούθηση των λιμνών – Πρόσφατες εξελίξεις.
Από RemoteSensing Wiki
Ανασκόπηση: Η συμβολή της τηλεπισκόπησης στην έρευνα και την παρακολούθηση των λιμνών – Πρόσφατες εξελίξεις.
Review: Remote sensing for lake research and monitoring – Recent advances. (2016)[1]
Συγγραφείς: Katja Dörnhöfer and Natascha Oppelt
Στην παρούσα εργασία γίνεται συνοπτική αναφορά στον τρόπο με τον οποίο η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμβάλλει στην έρευνα και την παρακολούθηση των χαρακτηριστικών των λιμνών όπως είναι: η διαφάνεια του νερού (διαλυμένα αιωρούμενα στερεά, διαλυμένα οργανικά συστατικά, βάθος του δείκτη Secchi, συντελεστής εξασθένησης της ανακλώμενης ακτινοβολίας στα 490nm, θολότητα), τα βιολογικά χαρακτηριστικά (φυτοπλαγκτόν, κυανοβακτήρια, υδρόβια βλάστηση), η βαθυμετρία, η θερμοκρασία του νερού (επιφανειακή θερμοκρασία) και η φαινολογία πάγου (κάλυψη παγωμένων επιφανειών). Γίνεται ανασκόπηση των διαθέσιμων αισθητήρων και μεθόδων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Τα εσωτερικά ύδατα και ειδικότερα οι λίμνες κατέχουν σημαντική θέση στη λειτουργία του περιβάλλοντος. Παρέχουν ενδιαίτημα για μια μεγάλη ποικιλία ειδών και αποτελούν βασικά συστατικά των υδρολογικών κύκλων, των κύκλων των θρεπτικών συστατικών και του κύκλου του άνθρακα. Ο άνθρωπος επωφελείται σημαντικά από εσωτερικά ύδατα, όπως οι λίμνες, που δεν επικοινωνούν άμεσα με θαλασσινό νερό, καθώς είναι πηγές πόσιμου νερού, νερού άρδευσης, παραγωγής ενέργειας, μεταφοράς, αλιείας και εξυπηρετούν σκοπούς αναψυχής. Όμως, η ανθρώπινη εκμετάλλευση και άλλοι παράγοντες ασκούν πίεση στην καλή οικολογική κατάσταση των εσωτερικών υδάτων σε παγκόσμιο επίπεδο. Οι πιέσεις αφορούν τον ευτροφισμό, ανόργανους και οργανικούς ρυπαντές, μορφολογικές μεταβολές και επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής όπως η όξυνση ή η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν μέχρι σήμερα εφαρμοστεί με επιτυχία για την παρακολούθηση των γήινων οικοσυστημάτων και ειδικότερα της οικολογικής κατάστασης και της ποιότητας του νερού των λιμνών. Οι περισσότερο χρησιμοποιούμενοι δέκτες ήταν οι MERIS και MODIS με χωρική ανάλυση ≥300μ. Πρόσφατα, οι δορυφόροι της NASA Landsat 8 και της ESA Sentinel-2, παρέχουν χωρική και ραδιομετρική ανάλυση που είναι κατάλληλη για εφαρμογές στην παρακολούθηση των εσωτερικών υδάτων. Στον πίνακα 1 αναφέρονται οι δείκτες με την παρακολούθηση των οποίων η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμβάλλει στην παρακολούθηση και την έρευνα λιμνών.
Πίνακας 1. Ιδιότητες λιμνών, μεταβλητές και οι σχετικοί δείκτες τηλεπισκόπησης.
| Ιδιότητες λιμνών | Μεταβλητές | Δείκτες τηλεπισκόπησης | Συντομογραφία |
|---|---|---|---|
| Διαφάνεια | Διαλυμένος οργανικός άνθρακας (DOC) | Έγχρωμη διαλυμένη οργανική ύλη | CDOM |
| Θολότητα | Διαλυμένα αιωρούμενα στερεά | SPM | |
| Θολότητα | |||
| Δείκτης θολότητας (Kd490nm) | Kd | ||
| Βάθος δίσκου Secchi | Βάθος δίσκου Secchi | zSD | |
| Βάθος ευτροφικής ζώνης | Zeu | ||
| Βιολογία | Εξάρσεις αλγών | Χλωροφύλλη-a (φυτοπλαγκτόν) | Chl-a |
| Φυκοκυανίνη (κυανοβακτήρια) | Cyano | ||
| Φαινολογία | Ανάλυση χρονοσειρών Chl-a | ||
| Σύσταση ειδών | Βλάστηση | ||
| Ίζημα στον πυθμένα | SAV | ||
| Υδρολογία | Επίπεδο νερού | Βαθυμετρία | zB |
| Θερμοκρασία | Θερμοκρασία επιλίμνιου | Επιφανειακή θερμοκρασία | Tsurf |
| Φαινολογία πάγου | Έναρξη περιόδου τήξης πάγου (ice-out) | Ice-out; ανάλυση χρονοσειρών | Ice |
| Διάρκεια παρουσίας πάγου στην επιφάνεια των λιμνών | Κάλυψη πάγου - ανάλυση χρονοσειρών | Ice |
Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί εμπειρικές και ημι-αναλυτικές προσεγγίσεις. Οι εμπειρικές προϋποθέτουν την πραγματοποίηση δειγματοληψιών στο πεδίο και την ανάλυση των δειγμάτων στο εργαστήριο ώστε οι τιμές ακτινοβολίας που καταγράφονται στους αισθητήρες των δορυφόρων να συσχετιστούν με τα αποτελέσματα των δειγματοληψιών και να προκύψει η μεταξύ τους σχέση, δηλαδή ένα μοντέλο ανάμεσα στα στοιχεία της δορυφορικής απεικόνισης (π.χ. εικονοστοιχείο) και στην ποιότητα του νερού. Οι ημι-αναλυτικές προσεγγίσεις απαιτούν ένα μεγάλο όγκο δεδομένων τηλεπισκόπησης και επιτόπιων μετρήσεων για να γίνει στατιστική ανάλυση, καθώς και γνώση των φασματικών χαρακτηριστικών των παραμέτρων που μελετώνται. Παρόλα αυτά, εξαιτίας της φυσικής τους βάσης, οι ημι-αναλυτικές προσεγγίσεις είναι ευρέως εφαρμόσιμες. Επίσης, από μεθόδους ταξινόμησης, όπως την επιβλεπόμενη και μη – επιβλεπόμενη ταξινόμηση των δορυφορικών εικόνων, μπορούν να προκύψουν χρήσιμες πληροφορίες για την βλάστηση και το ίζημα του πυθμένα των λιμνών. Οι δορυφορικοί αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση των παραμέτρων των λιμνών είναι πολυφασματικοί και υπερφασματικοί (πίνακας 2). Οι πολυφασματικοί καταγράφουν την ανακλώμενη ή εκπεμπόμενη ακτινοβολία σε περιορισμένα φασματικά κανάλια που όμως καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι υπερφασματικοί δίνουν δεδομένα μικρού εύρους φάσματος παραμέτρων όπως για την χλωροφύλλη – α το κανάλι ≈670nm.
Πίνακας 2. Δορυφορικοί αισθητήρες κατάλληλοι για την παρακολούθηση λιμνών.
| Αισθητήρας | Φασματικά κανάλια (400–1000 nm) | Χωρι-κή ανά-λυση [m] | Χρονική ανάλυση | Διαθεσιμό- | Έναρξη | Δείκτες | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| τητα | Λειτουρ- | ||||||||||||||
| γίας | |||||||||||||||
| CDOM | SPM | zSD Θολότητα | Kd | Chl-a | Cyano | SAV | zB | Tsurf | Ice | ||||||
| Αισθητήρες σε λειτουργία | |||||||||||||||
| ASTER | 3 | 15 | Καθημερινά | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 1999 | x | |||||||||
| AVHRR | Θερμικό | 1000 | Καθημερινά | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 2005 | x | x | ||||||||
| Landsat ETM | 4 | 30 | 16 ημέρες | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 1999 | x | x | x | x | x | |||||
| Landsat OLI | 5 | 30 | 16 ημέρες | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 2013 | x | x | ||||||||
| Landsat TIRS | Θερμικό | 100 | 16 ημέρες | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 2013 | x | |||||||||
| MODIS | 2–9 | 250–1000 | Καθημερινά | Δωρεάν στο διαδίκτυο | 1999 | x | x | x | x | x | x | ||||
| Proba-1 CHRIS | 18–63 | 18–36 | Όταν απαιτείται | Επιστημονική χρήση | 2001 | x | |||||||||
| Quickbird | 4 | 2.6 | Όταν απαιτείται | Κόστος απόκτησης | 2001 | x | |||||||||
| RapidEye | 5 | 6.5 | Καθημερινά | Κόστος απόκτησης | 2008 | x | x | ||||||||
| Sentinel-2 | 9 | 10–60 | 5–10 ημέρες | Κόστος απόκτησης | 2015 | x | x | x | x | x | x | x | x | ||
| WorldView-2 | 8 | 2 | Όταν απαιτείται | Κόστος απόκτησης | 2009 | x | x |
Συμπεράσματα Η μεγάλη ποικιλία των μελετών περίπτωσης που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, τονίζει ότι η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στην παρακολούθηση των λιμνών και την οικολογική έρευνα. Επιπλέον, η πρόσφατη ανάπτυξη της τεχνολογίας της τηλεπισκόπησης, η ελεύθερη διάθεση των δεδομένων και των λειτουργικών προγραμμάτων και εργαλείων, επιτρέπουν την απόκτηση ιστορικών πληροφοριών για λίμνες οι οποίες δεν είχαν στο παρελθόν μελετηθεί ή η πρόσβαση σε αυτές ήταν δύσκολη. Όμως, απαιτείται ακόμη η τηλεπισκόπηση να ενσωματωθεί πλήρως σε νομοθετικά πλαίσια όπως την οδηγία Water Framework Directive και το πρόγραμμα Clean Water Act. Βέβαια, η τηλεπισκόπηση δεν μπορεί να δώσει πληροφορίες για όλους τους δείκτες της λιμνολογίας ή να αναγνωρίσει λεπτομέρειες με την ίδια ακρίβεια που δίνουν οι επιτόπιες μετρήσεις, μπορεί όμως να στηρίξει τις έρευνες που χρησιμοποιούν σποραδικά κατανεμημένες επιτόπιες μετρήσεις παρέχοντας μεγαλύτερης συχνότητας χωρικά και χρονικά δεδομένα. Η συνεργατική χρήση των αισθητήρων όπως π.χ. των Landsat 8 και Sentinel-2, μπορεί να συμβάλει στην αντιμετώπιση των περιορισμών του ενός μόνο συστήματος.
