Δημιουργία επιφάνειας δεδομένων χρήσης γης για το μοντέλο SWAT με βάση την τηλεπισκοπική εικόνα 1111

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Establishing the Data Layers of Land Use for SWAT Model Based on Remote Sensing Image

Συγγραφείς: Jianzhong Yin, Fenqin He

Πηγή: Multimedia Technology (ICMT), 2010 International Conference

I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι υδρολογικές διεργασίες στη λεκάνη απορροής αποτελούν μια ανακατανομή των βροχοπτώσεων στο χρόνο και το χώρο στη γη. Πρόκειται για μια υδρολογική απόκριση της λεκάνης απορροής στις βροχοπτώσεις. Η δημιουργία ενός κατανεμημένου υδρολογικού μοντέλου για τη λεκάνη απορροής προσομοιώνει την υδρολογική απόκριση της λεκάνης στις βροχοπτώσεις, που είναι ένα από τα θέματα έρευνας στις υδρολογικές επιστήμες. Η θεώρηση άνισης κατανομής της επιφάνειας του εδάφους της λεκάνης απορροής στο χώρο είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του υδρολογικού μοντέλου. Υπάρχουν πολλά κατανεμημένα υδρολογικά μοντέλα στον κόσμο, αλλά το πιο ώριμο κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο είναι το εργαλείο αξιολόγησης νερού και εδάφους (Soil and Water Assessment Tool, SWAT) που έχει αναπτυχθεί από την Υπηρεσία Γεωργικής Έρευνας του Υπουργείου Γεωργίας των ΗΠΑ (USDA-ARS) και που μπορεί να εφαρμοστεί σε σύνθετα και μεγάλης κλίμακας λεκάνη.

Το μοντέλο SWAT μπορεί να χρησιμοποιηθεί για προβλέψεις παραγωγής νερού, ιζημάτων, διάβρωσης του εδάφους, μεταφοράς θρεπτικών συστατικών και μη σημειακών πηγών ρύπανσης, που επηρεάζονται από τους διαφορετικούς τύπους εδάφους, τη φυτοκάλυψη, τη χρήση της γης και τη διαχείριση των συνθηκών καλλιέργειας. Το τρέξιμο του μοντέλου SWAT απαιτεί μεγάλο αριθμό χωρικών δεδομένων για την επιφάνεια της λεκάνης απορροής, όπως ο τύπος του εδάφους, η φυτοκάλυψη, η χρήση της γης κλπ. Εφαρμόζοντας το μοντέλο SWAT στην αλλαγή των απορροών, είναι δύσκολο να συλλεχθούν πολλά χωρικά δεδομένα της υποκείμενης επιφάνειας. Γενικά, τα δεδομένα της εφαρμογής είναι τα δεδομένα των γενικών παρατηρήσεων που λήφθηκαν από τα υπουργεία. Τα δεδομένα των γενικών παρατηρήσεων έχουν ελλείψεις και ο πραγματικός χρόνος και η ακρίβεια της χωρικής κατανομής μειώνεται, εξαιτίας των περιορισμών των σημείων παρατήρησης στο χρόνο και τον χώρο της κατανομής. Ειδικά σε δύσκολες τοπογραφίες η παρατήρηση είναι πιο δύσκολη.

Η ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης, και κυρίως η ψηφιακή τεχνολογία, παρέχει τεχνική υποστήριξη για την επίλυση του προβλήματος της άνισης κατανομής των βροχοπτώσεων και της επιφάνειας του εδάφους της λεκάνης απορροής στο χώρο. Η τηλεπισκόπηση είναι μια μεγάλης κλίμακας, σύντομου χρονικού διαστήματος μέθοδος συλλογής δεδομένων για χωρικά δεδομένα. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να λάβει τα δεδομένα της επιφάνειας της λεκάνης απορροής, όπως τη βλάστηση, τη χρήση γης, το έδαφος, γεωλογικές πληροφορίες κοκ. Τα στοιχεία που προκύπτουν από την τηλεπισκόπηση δεν είναι μόνο πραγματικού χρόνου, αλλά επίσης εμφανούς υπεροχής και ακρίβειας, ειδικά για σύνθετη τοπογραφία. Η δημιουργία ενός υδρολογικού μοντέλου βασισμένο στην τηλεσκοπική εικόνα θα συμβάλλει στην ανάπτυξη των υδρολογικών επιστημών. Το άρθρο αυτό επικεντρώνεται στην δημιουργία μιας επιφάνειας δεδομένων των χρήσεων γης για το μοντέλο SWAT με τηλεσκοπική εικόνα.

II. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται 26 ° 0'-26 ° 49 ' N και 101 ° 7'- 102 ° 48' E, καταλαμβάνει 15410,09km2 και περιλαμβάνει τις επαρχίες Panzhihua - Huili - Huidong. Τα κυριότερα ποτάμια που διαρρέουν την περιοχή αποτελούν τμήματα των ποταμών Jinsha και Yalong.

Τα χαρακτηριστικά της τοπογραφίας της υπό μελέτη περιοχής είναι: βαθιά κοιλάδα, λεκάνη απορροής, με μεγαλύτερο υψόμετρο στα βορειοδυτικά και μικρότερο στα νοτιοανατολικά με χαμηλότερο υψόμετρο 937m και υψηλότερο 4195,5m. Ο ποταμός Jinsha διαρρέει την περιοχή από τη Δύση με κατεύθυνση προς Ανατολή, ενώνεται με τον ποταμό Yalong και συνεχίζει με κατεύθυνση προς το Νότο. Στο νοτιότερο άκρο της υπό μελέτη περιοχής ρέει με κατεύθυνση βορειοδυτική και στη συνέχεια διαρρέει την περιοχή. Το κλίμα είναι νότιο υποτροπικό, με μεγάλη συγκέντρωση βροχοπτώσεων, περιόδους ξηρασίας και βροχών. Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 800-1100mm, έως και 1600mm. Οι βροχοπτώσεις από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο αποτελούν το 85,96% των ετήσιων. Στο μεσοδιάστημα υπάρχουν μεγάλες περίοδοι ηλιοφάνειας, έντονη ηλιακή ακτινοβολία, πολύ μεγάλη διαφορά στη θερμοκρασία ημέρας, άφθονη ζέστη, εξάτμιση μεγάλης ποσότητας νερού. Έτσι, η απόκριση των βροχοπτώσεων και της απορροής στην επιφάνεια του εδάφους της μελετώμενης περιοχής είναι ένα σημαντικό έργο στα άνω τμήματα του ποταμού Yangtze για την ανάπτυξη, χρησιμοποίηση και προστασία των υδάτινων πόρων.

Οι πληροφορίες που συλλέχθηκαν αποτελούν κυρίως τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat-7 ETM + (orbit number 130-41/42) σε τοπογραφικούς χάρτες με κλίμακα 1:250000.

III. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Η διαδικασία και οι μέθοδοι εξαγωγής στοιβάδας δεδομένων των χρήσεων της γης για το μοντέλο SWAT με βάση την τηλεπισκοπική εικόνα φαίνονται στην Εικόνα 1 και παρουσιάζονται παρακάτω: (1) Προεπεξεργασία των ανεπεξέργαστων δεδομένων εικόνων τηλεπισκόπησης. (2) Επιλογή του κατάλληλης καναλιού 741, σύνθεση της εικόνας των τηλεπισκοπικών δεδομένων, παραγωγή συνθετικής εικόνας τηλεπισκόπησης για την υπό μελέτη περιοχή. (3) Κατασκευή χάρτη ταξινόμησης της χρήσης της γης των τηλεπισκοπικών εικόνων με επεξεργασία και ταξινόμηση των εικόνων. (4) Μετατροπή των χαρτών ταξινόμησης της χρήσης της γης των τηλεπισκοπικών εικόνων σε δεδομένα σημειωμένα υπό μορφή πίνακα του ERSI Grid format στην πλατφόρμα ARCGIS. (5) Έξοδος των χαρτών ταξινόμησης της χρήσης της γης εφαρμόζοντας τον κώδικα του μοντέλου SWAT.

A. Επεξεργασία και Ταξινόμηση Εικόνων

Χάρη στο φασματικό προφίλ της λειτουργικής μεθόδου του λογισμικού ERDAS, η καμπύλη των φασματικών χαρακτηριστικών της χρήσης της γης αναλύθηκε για την περιοχή μελέτης με ΕΤΜ 1, 2, 3, 4, 5, 7. Το άρθρο αυτό επιλέγει το κανάλι 7, 4, 1. Με τη βοήθεια της ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας, δημιουργήθηκε και βελτιώθηκε η σύνθεση της εικόνας (Εικόνα 2). Στη συνέχεια υποβλήθηκε σε επεξεργασία με ταξινόμηση εικόνας. Ο τύπος του χάρτη της χρήσης γης εξήχθη για την περιοχή μελέτης (Εικόνα 3). Συνδυασμός κατευθυνόμενης ταξινόμησης με μη κατευθυνόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιήθηκε για τη διαδικασία ταξινόμησης. Τα βήματα είναι τα εξής: (1) Σύνθεση εικόνων επεξεργάστηκε με μη κατευθυνόμενη ταξινόμηση (ISOCLASS clustering), η οποία δημιουργεί το αρχικό πρότυπο. (2) Σύμφωνα με την καμπύλη φασματικών χαρακτηριστικών του τύπου των αντικειμένων του εδάφους, Σύνθεση εικόνων επεξεργάστηκε με κατευθυνόμενη ταξινόμηση. Εν τω μεταξύ, τα πρότυπα (Signature Set) που παράγονται από το σύμπλεγμα ISOCLASS αξιολογήθηκαν και επεξεργάστηκαν, μέχρι ο εντοπισμός του προτύπου να πληροί τις απαιτήσεις. (3) Μια αρχική κατάταξη έγινε χάρη στη μέθοδο μέγιστης πιθανότητας για ταξινόμηση εικόνας. (4) Η υιοθέτηση της μεθόδου δέντρου ταξινόμησης και εξαγωγής χαρακτηριστικών, συνδυάζοντας τοπογραφικές πληροφορίες με εξειδικευμένες γνώσεις, διορθώθηκαν τα αποτέλεσμα της ταξινόμησης. Και έτσι τελικά επιτεύχθηκε η ταξινόμηση της χρήσης γης για την υπό μελέτη περιοχή.

Β. Μετατροπή της μορφής των δεδομένων

Καθώς το μοντέλο SWAT συνδυάζεται με την πλατφόρμα ARCGIS χρησιμοποιεί χωρικά δεδομένα με δεδομένα σημειωμένα υπό μορφή πίνακα του ESRI gird. Μετά την ταξινόμηση χρήσης της γης, η μορφή των δεδομένων μετατράπηκε από μορφή ERDAS σε μορφή ESRI grid στην πλατφόρμα ARCGIS. Στη συνέχεια, τα δεδομένα σημειωμένα υπό μορφή πίνακα της χρήσης γης παράχθηκαν σε 30m x 30m και εξήχθη ο χάρτης χρήσης της γης. Η ταξινόμηση της χρήσης της γης της υπό μελέτη περιοχής έχει ως εξής: δασικές εκτάσεις, θαμνώδεις δασικές εκτάσεις, διάσπαρτες δασικές εκτάσεις, χορτολίβαδα, καλλιεργούμενες εκτάσεις, ξηρές εκτάσεις, γυμνές εκτάσεις, κατοικημένες περιοχές, περιοχές νερού, κοκ.

Γ. Ανακατάταξη GIS

Ως επιφάνεια δεδομένων χρήσης της γης εξήγαγε τα δεδομένα σημειωμένα υπό μορφή πίνακα της χρήσης της γης στο μοντέλο SWAT, ο κώδικας των δεδομένων σημειωμένων υπό μορφή πίνακα της χρήσης της γης πρέπει να μετατραπεί σε κώδικα που αναγνωρίζεται από το μοντέλο SWAT. Με άλλα λόγια, έγινε η ανακατάταξη της χρήσης γης και δημιουργήθηκε πίνακας- ευρετήριο της χρήσης γης στο ARCGIS. (Πίνακας 1)

Πίνακας 1: Πίνακας μετατροπής κώδικα της ανακατάταξη χρήσης γης

IV. ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Χάρη στην ταξινόμηση των τηλεπισκοπικών εικόνων και με τη βοήθεια του ARCGIS, ESRI grid format δημιουργήθηκε η ταξινόμηση της στοιβάδας δεδομένων χρήσης γης για την υπό μελέτη περιοχή της λεκάνης απορροής, ως δεδομένα εισόδου για το μοντέλο SWAT. Η ταξινόμηση της χρήσης της γης της υπό μελέτη περιοχής έχει ως εξής: δασικές εκτάσεις, θαμνώδεις δασικές εκτάσεις, διάσπαρτες δασικές εκτάσεις, χορτολίβαδα, καλλιεργούμενες εκτάσεις, ξηρές εκτάσεις, γυμνές εκτάσεις, κατοικημένες περιοχές, περιοχές νερού, κοκ. Η περιοχή της ταξινόμηση της χρήσης της γης είναι: 90,15km2, 4150,28km2, 4535,13km2, 5742,98km2, 420,24km2, 205,32km2, 45,77km2, 169,43km2 και 50,81km2 αντίστοιχα (Πίνακας 2).

Πίνακας 2: Ταξινόμηση των χώρων χρήσης γης

Η τυπική απόκλιση της κατάταξης σε κάθε ζώνη τηλεπισκόπησης παρουσιάζεται στον Πίνακα 3. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η επιλογή του καναλιού 741 είναι αποτελεσματική.

Πίνακας 3: Τυπική απόκλιση της ταξινόμησης για κάθε κανάλι

Μέσω αυτής της μελέτης, επιτεύχθηκε απευθείας εξαγωγή στοιβάδων δεδομένων εισόδου για το μοντέλο SWAT από τα δεδομένα τηλεπισκόπησης. Αποτελεί αναφορά για τη σύζευξη κατανεμημένων υδρολογικών μοντέλων για τη λεκάνη απορροής και την τεχνολογίας της τηλεπισκόπησης.