Αξιολόγηση της διακύμανσης της ποιότητας των υδάτων της ενδοχώρας με χρήση ατμοσφαιρικά διορθωμένων δορυφορικών εικόνων
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Assessment of temporal variations of water quality in inland water bodies using atmospheric corrected satellite remotely sensed image data
Συγγραφείς: Diofantos G. Hadjimitsis, Chris Clayton
Πηγή: http://www.springerlink.com/content/x757527g68438nu6/
Σκοπός
Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να παρέχει έναν απλό τρόπο για τη παρακολούθηση και την αξιολόγηση της διακύμανσης της ποιότητας του νερού σε ένα σύνολο υδάτινων σωμάτων (λίμνες, φράγματα, δεξαμενές) της ενδοχώρας χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση η οποία στηρίζεται στη παρατήρηση της γης (earth observation). Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στην ανάλυση της εικόνας βάσει ενός αλγορίθμου και ο οποίος αποτελείται από την επιλογή της περιοχής μελέτης πάνω στην εικόνα, εφαρμογή της μεθόδου συγκάλυψης, συνέλιξη της εικόνας μέσω φίλτρων και εφαρμογή ατμοσφαιρικής διόρθωσης στα πιο σκοτεινά pixel.
Εισαγωγή
Η τεχνική της δορυφορικής τηλεπισκόπησης παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους δειγματοληψίας, όσον αφορά μελέτες ποιότητας νερού. Πρώτον, η συνεχής γεωγραφική κάλυψη του δορυφόρου παρέχει συνεχή ενημέρωση σχετικά με τη ποιότητα του νερού. Δεύτερον, η τηλεπισκόπηση επιτρέπει τη λήψη πληροφοριών σε δυσπρόσιτες ή απρόσιτες θέσεις ενώ παρέχει ιστορικές εικόνες του δορυφόρου συμβάλλοντας στη παρακολούθηση της χρονικής εξέλιξης της ποιότητας του νερού. Τα δορυφορικά συστήματα τηλεπισκόπησης που έχουν χρησιμοποιηθεί για τη παρακολούθηση και την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων είναι ιδιαίτερα χρήσιμα λόγω του σχετικά χαμηλού κόστους, των χρονικών καλύψεων και τη διαθεσιμότητα των δορυφορικών δεδομένων (Landsat). Θα ήταν αξιοσημείωτο να αναφερθεί ότι η χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης μπορεί να αντικαταστήσει τις εκστρατείες του εδάφους μόνο μετά από συνεχείς δοκιμές και τη βαθμονόμηση των εικόνων, δεδομένου ότι θα ληφθούν ακόμη υπόψη οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις στη λήψη σήματος από το δορυφόρο. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι πολλές μελέτες της ποιότητας του νερού που χρησιμοποίησαν μη βαθμονομημένα και μη ατμοσφαιρικά διορθωμένα στοιχεία, παράγουν αποτελέσματα που δεν είναι συγκρίσιμα χωρικά και χρονικά.
Περιοχή μελέτης
Στη συγκεκριμένη μελέτη η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε σε δυο διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές, στη περιοχή του αεροδρομίου Heathrow στο Ηνωμένο Βασίλειο και στο φράγμα που βρίσκεται στη Λεμεσό της Κύπρου. Η περιοχή μελέτης στο αεροδρόμιο Heathrow στο Λονδίνο περιλαμβάνει αρκετά επιφανειακά ύδατα, όπως δεξαμενές, ποτάμια και λίμνες. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις δεξαμενές νερού του Lower Thames Valley, όπου το νερό χαρακτηρίζεται ευτροφικό και χρησιμοποιείται για διάφορους σκοπούς όπως για αποθήκευση, για κατανάλωση ως πόσιμο νερό αλλά και για ψυχαγωγικούς σκοπούς (εικόνα 1). Στη συγκεκριμένη περιοχή η χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης και ιδιαίτερα των Landsat TM εικόνων είναι ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για τη παρακολούθηση της ποιότητας του νερού, λόγω της έντονης νεφοκάλυψης στη περιοχή. Η δεύτερη περιοχή μελέτης είναι το φράγμα Κούρρη, που βρίσκεται στη Κύπρο, στην επαρχία Λεμεσού κοντά στο χωριό Άλασσα(εικόνα 2). Το νερό που συλλέγεται και αποθηκεύεται στο φράγμα Κούρρη χρησιμοποιείται για άρδευση και ύδρευση. Προκειμένου το νερό να ανταποκρίνεται στα απαιτούμενα πρότυπα, η Ανάπτυξη Υδάτων της Κύπρου παίρνει περιοδικά επί τόπου δείγματα στο φράγμα, ιδίως κατά τη καλοκαιρινή περίοδο όπου η παρουσία των αλγών είναι έντονη. Ωστόσο, τα μόνα εργαλεία που υπάρχουν για τη παρακολούθηση της ποιότητας του νερού είναι η άμεση φυσική δειγματοληψία, η οποία απαιτεί σημαντικούς πόρους.
Δορυφορικές εικόνες
- Landsat 5 Thematic Mapper (TM)
Μεθοδολογία και διαδικασία
Η προτεινόμενη μεθοδολογία που έχει αναπτυχθεί για την αξιολόγηση της διακύμανσης των υδάτων περιλαμβάνει αρχικώς την προεπεξεργασία με την εφαρμογή της γεωμετρικής διόρθωσης και τη μετατροπή των πρώτων ψηφιακών αριθμών σε μονάδες ακτινοβολίας και ανάκλασης. Έπεται η διαδικασία συγκάλυψης ώστε χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο συγκάλυψης του λογισμικού ERDAS Imagine 7.3 τα μοναδικά υδάτινα σώματα που διακρίνονται να είναι υδάτινα σώματα (τάφροι, δεξαμενές, ταμιευτήρες) που βρίσκονται στην ενδοχώρα. Η συνολική μεθοδολογία της μελέτης παρουσιάζεται στην εικόνα 3. Η επόμενη διαδικασία είναι η εφαρμογή αυτόματου γραμμικού Stretching σε κάθε εικόνα, προκειμένου να πραγματοποιηθεί διακύμανση της φωτεινότητας στην εικόνα. Στη συνέχεια γίνεται ατμοσφαιρική διόρθωση στα πιο σκοτεινά pixel. Η επιλογή του σημείου δειγματοληψίας γίνεται μέσω της συγκάλυψης και της συνέλιξης φίλτρων. Τέλος, με την εφαρμογή του Stretching, της αντίθεσης και της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης, η χαρτογράφηση της ποιότητας του νερού είναι εφικτή. Πράγματι από την ανάκτηση των τιμών της ατμοσφαιρικής διορθωμένης ανάκλασης, γίνεται σύγκριση των τιμών ανάκλασης εικόνα προς εικόνα και με αυτό τον τρόπο η διακύμανση της ποιότητας του νερού μπορεί να γίνει για κάθε φασματικό κανάλι. Η συνολική μεθοδολογία παρουσιάζεται στην εικόνα 3.
Αποτελέσματα
Lower Thames Valley Area (UK)
Όταν εφαρμόστηκε το Stretching, οι διαφοροποιήσεις της φωτεινότητας (διακυμάνσεις) από εικόνα σε εικόνα ήταν πιο σημαντικές από τις διακυμάνσεις στη δεξαμενή. Πολύ αξιοσημείωτες διαφορές στη φωτεινότητα συνέβησαν χρονικά, αλλά όχι χωρικά, με τις φωτεινότερες εικόνες να αποκτήθηκαν στις 17/5/85 (εικόνα 4) και στις 04/07/85 (εικόνα 5). Αυτές οι διακυμάνσεις είναι αποτέλεσμα σημαντικών ατμοσφαιρικών επιρροών. Προκειμένου λοιπόν, να αποκτηθεί αληθής εικόνα των πραγματικών τιμών της ανάκλασης του νερού, η οποία θα είναι εργαλείο για την αξιολόγηση της διακύμανσης της ποιότητας των υδάτων, εφαρμόστηκε ατμοσφαιρική διόρθωση. Ο πίνακας 1 δείχνει τις τιμές ανάκλασης στο δορυφόρο Landsat TM στο κανάλι 1 και στο κανάλι 2 πριν και μετά την εφαρμογή της ατμοσφαιρικής διόρθωσης για τη δεξαμενή Queen Mary. Είναι προφανές ότι τα μη ατμοσφαιρικά διορθωμένα στοιχεία μπορούν να οδηγήσουν σε ανεπαρκή αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων, όπως άλλωστε φαίνεται στον πίνακα 1 αφού οι τιμές πριν την ατμοσφαιρική διόρθωση είναι υπερεκτιμημένες.
Φράγμα Κούρρη
Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε σε μια σειρά από εικόνες Landsat TM/ETM για τις ημερομηνίες 11/9/1198, 11/5/2000, 30/1/2001, 30/5/2004, 7/6/2004. Οι τιμές θολερότητας που ήταν διαθέσιμες για τις παραπάνω ημερομηνίες αποκτήθηκαν ύστερα από επιτόπια έρευνα στην έξοδο του φράγματος. Όταν η ατμοσφαιρικά διορθωμένη ανάκλαση του καναλιού 3 του Landsat TM συσχετίστηκε με τις τιμές θολερότητας πριν την ατμοσφαιρική διόρθωση, ο συντελεστής συσχέτισης ήταν R=0.46 και μετά την ατμοσφαιρική διόρθωση έγινε R=1. Αυτό συνεπάγεται ότι η χρήση της βαθμονόμησης και της ατμοσφαιρικής διόρθωσης των δεδομένων αυξάνει το συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των δορυφορικών δεδομένων και της θολερότητας, συνεπώς η αξιολόγηση των διακυμάνσεων της ποιότητας του νερού μπορεί να γίνει πιο αποτελεσματική.
Συμπεράσματα
Η συγκεκριμένη μελέτη αποδεικνύει τη χρησιμότητα των δορυφορικών δεδομένων τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση της ποιότητας των υδάτων με χρήση της ατμοσφαιρικής διόρθωσης των δεδομένων της εικόνας.
Για τη περιοχή του Τάμεση στο Ηνωμένο Βασίλειο, αποδείχθηκε ότι οι υψηλές τιμές ανακλαστικότητας μετά την εφαρμογή της ατμοσφαιρικής διόρθωσης αντιστοιχούν σε υψηλές τιμές θολότητας, όπως συνέβη στις 24 Οκτωβρίου 1985 (πίνακας 1), οπότε το νερό δε θα μπορεί να αντληθεί από το εργοστάσιο επεξεργασίας υδάτων. Για τη περίοδο Μαρτίου – Σεπτεμβρίου οι τιμές παραμένουν εντός των ορίων του ευτροφισμού, ενώ από τον Οκτώβριο μέχρι τον Νοέμβριο πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή. Πολύ σημαντική κρίθηκε επίσης η διαφοροποίηση της φωτεινότητας μέσω του Stretching. Η εφαρμογή του φίλτρου συνέλιξης συνέβαλε στην επιλογή της καταλληλότερης θέσης δειγματοληψίας.
Για το φράγμα Κούρρη στη Κύπρο, η εφαρμογή της ατμοσφαιρικής διόρθωσης στο δορυφόρο Landsat αύξησε το συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των τιμών ανακλαστικότητας και των δεδομένων θολερότητας, συνεπώς η αξιολόγηση της ποιότητας του νερού έγινε πιο αποτελεσματική.
Συνοψίζοντας, έχει διαπιστωθεί ότι η ατμοσφαιρική διόρθωση είναι σημαντική σε μελέτες αξιολόγησης των υδάτινων πόρων μέσω της χρήσης δορυφορικών εικόνων, δεδομένου ότι βελτιώνει σημαντικά την ανάκλαση του νερού. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η ποιοτική αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων από τις ίδιες εικόνες. Η παραγωγή εικόνων συγκάλυψης αποδεικνύονται χρήσιμες στη διαχείριση υδατικών πόρων για τη κατανομή της ποιότητας του νερού.
