ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΟ-ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΥΕΤΙΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ ΚΑΙ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΡΑΔΙΟΒΟΛΙΣΕΩΝ

Από RemoteSensing Wiki

1. ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Στην εργασία αυτή επιχειρήθηκε η εκτίμηση της χωρο-χρονικής κατανομής του υετίσιμου νερού (PW) στην ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας με βάση καταγραφές του ραδιομέτρου AVHRR στο θερμικό υπέρυθρο. Το PW προέκυψε ως συνάρτηση της διαφοράς θερμοκρασίας λαμπρότητας (ΔT) των δύο θερμικών καναλιών του AVHRR. Η σχέση PW – ΔT προσδιορίστηκε με τη βοήθεια δεδομένων PW από ατμοσφαιρικό προϊόν του ραδιομέτρου MODIS. Χρησιμοποιήθηκαν οι χωρικές μέσες τιμές των παραμέτρων PW και ΔT σε έναν κάνναβο φατνίων 5 x 5 km. Επιπλέον οι προερχόμενες από το MODIS τιμές του PW προσαρμόστηκαν στην ώρα λήψης του AVHRR. Για την προσαρμογή χρησιμοποιήθηκε ο ρυθμός μεταβολής του PW στην περιοχή μελέτης ο οποίος εκτιμήθηκε με χρήση δεδομένων ραδιοβολίσεων από τους σταθμούς ανώτερης ατμόσφαιρας της Αθήνας, της Θεσσαλονίκης, του Ηρακλείου και της Σμύρνης. Η εκτιμηθείσα σχέση PW – ΔΤ εφαρμόστηκε σε δεδομένα AVHRR της χρονικής περιόδου 2001-2005 για την αποτύπωση της ενδοετήσιας και της χωρικής μεταβλητότητας του PW στην περιοχή μελέτης. Για την αξιολόγηση της απόδοσής της χρησιμοποιήθηκαν επίσης δεδομένα ραδιοβολίσεων από τους προαναφερθέντες μετεωρολογικούς σταθμούς. Παρατηρήθηκε πολύ καλή συμφωνία μεταξύ των εκτιμηθέντων από το AVHRR τιμών PW και των αντίστοιχων προσδιορισθέντων από τις καταγραφές των ραδιοβολίσεων τιμών PW (RMSE = 0.46 cm).

2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΠΡΟ-ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ

Περιοχή μελέτης είναι η ευρύτερη περιοχή της Ελλάδας. Τα πρωτογενή δεδομένα AVHRR και τα δεδομένα Επιπέδου-2 του MODIS που χρησιμοποιήθηκαν έχουν χωρική διακριτική ικανότητα της τάξης του 1 km. Τα δεδομένα AVHRR διορθώθηκαν γεωμετρικά με τη βοήθεια επίγειων σημείων ελέγχου και προβλήθηκαν στο ίδιο χαρτογραφικό σύστημα με τα δεδομένα MODIS (Geographic Lat/Lon με WGS84). Για 149 την εξάλειψη του πλανιμετρικού σφάλματος λόγω της επαναπροβολής των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε κάνναβος με φατνία μεγέθους 5 x 5 km, στον οποίο αναχθήκαν τα δεδομένα των δύο πηγών. Η μέθοδος των πλησιέστερων γειτόνων χρησιμοποιήθηκε για τη γεωμετρική διόρθωση. Για την αποτύπωση των χωρικών κατανομών του ΔΤ για την περίοδο 2001 – 2005, χρησιμοποιήθηκαν καταγραφές του AVHRR του NOAA 16 οι οποίες ήταν διαθέσιμες από τον επίγειο δορυφορικό σταθμό λήψης του ΙΤΕ και από το NOAA Satellite Active Archive (CLASS, 2005). Από τα πρωτογενή δεδομένα προέκυψαν τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας για τα κανάλια του θερμικού υπερύθρου με βαθμονόμηση (Chrysoulakis et al., 2007). Τα δεδομένα ήταν σε φορμά NOAA Level 1b και οι παράμετροι βαθμονόμησης καθώς και το ύψος πτήσης υπήρχαν στα μεταδεδομένα. Ο εντοπισμός των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούσαν σε νέφη πραγματοποιήθηκε με χρήση του αλγορίθμου που προτάθηκε από τους Chrysoulakis and Cartalis (2007). Κατόπιν εξήχθη η χωρική κατανομή του ΔΤ και πραγματοποιήθηκε γεωμετρική διόρθωση και προβολή στο προαναφερθέν γεωδαιτικό σύστημα. Το ύψος της πτήσης του δορυφόρου 150 χρησιμοποιήθηκε για τη διόρθωση της πανοραμικής παραμόρφωσης. Η γεωμετρική διόρθωση πραγματοποιήθηκε με χρήση περιορισμένου αριθμού επίγειων σημείων ελέγχου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αναγωγή της εξαχθείσας χωρικής κατανομής του ΔΤ στον κάνναβο φατνίων 5 x 5 km. Όπως και στην περίπτωση του PW από τις καταγραφές MODIS, ο μέσος όρος του ΔΤ σε κάθε φατνίο του καννάβου υπολογίστηκε με βάση τα αντιστοιχούντα εικονοστοιχεία που δεν περιείχαν νέφη. Τα δεδομένα ραδιοβολίσεων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κατακόρυφες κατανομές της θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας δρόσου από τους σταθμούς της Αθήνας (37.90 N, 23.73 E), της Θεσσαλονίκη (40.52 N, 22.97 E), του Ηρακλείου (35.33 N, 25.18 E) και της Σμύρνης (38.43 N, 27.17 E). Τα δεδομένα αυτά για τη χρονική περίοδο 2001- 2005 διατέθηκαν από το UK Meteorological Office (Met Office, 2006). Η εξαγωγή του PW από δεδομένα ραδιοβολίσεων πραγματοποιήθηκε με ακρίβεια 0.1 – 0.2 cm (Cartalis and Chrysoulakis, 1997; Chrysoulakis and Cartalis, 2000)

3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Οι συντελεστές της εξίσωσης που συνδέει τα PW και ΔΤ είναι διαφορετικοί για κάθε περιοχή. Αυτό οφείλεται στη διαφοροποίηση του ΔT ανάλογα με την κατάσταση της ατμόσφαιρας και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Στην παρούσα εργασία, οι προερχόμενες από τις καταγραφές MODIS τιμές PW χρησιμοποιήθηκαν ως ανεξάρτητο σύνολο δεδομένων, το οποίο προσαρμόστηκε για τη χρονική υστέρηση μεταξύ των περασμάτων Terra/MODIS και NOAA16/AVHRR από την περιοχή μελέτης. Για την προσαρμογή αυτή χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα ραδιοβολίσεων. Πιο συγκεκριμένα, αν η λήψη AVHRR πάνω από την περιοχή ενδιαφέροντος γίνεται σε χρόνο t = t0, το PW στο φατνίο (x,y) σε χρόνο t0, PW(x,y,t0), μπορεί να υπολογιστεί σαν γραμμική συνάρτηση του ΔΤ(x,y,t0): PW(x, y, t ) = aΔΤ(x, y, t ) + b 0 0 (1) όπου ΔΤ = T4 – T5 η θερμοκρασία λαμπρότητας για τα κανάλια 4 και 5 του AVHRR στο φατνίο (x, y). για το φατνίο (x,y) η εξίσωση (1) μπορεί να διατυπωθεί και ως: PW *(x, y, t ) = aΔΤ(x, y, t ) + b 0 0 (4) Οι συντελεστές a και b στην (4) μπορούν να εκτιμήθηκαν, σε επίπεδο φατνίου 5 x 5 km, με γραμμική παλινδρόμηση του PW* και του ΔΤ,. Στη συνέχεια η παραχθείσα εξίσωση εφαρμόστηκε στα δεδομένα AVHRR ώστε να προκύψει η χωρική κατανομή PW για την περίοδο 2001–2005 για την περιοχή μελέτης. Η μέθοδος ευσταθούς γραμμικής παλινδρόμησης (Robust Regression Analysis) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των παραμέτρων a και b της παραπάνω σχέσης με στόχο να μη ληφθούν υπόψη οι ακραίες δειγματικές παρατηρήσεις (outliers). Η προκύπτουσα σχέση PW*- ΔT εφαρμόστηκε στα δεδομένα AVHRR για την εκτίμηση της χωρικής κατανομής PW. Χρησιμοποιήθηκαν ημερήσιες λήψεις του NOAA 16 για τους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο, Οκτώβριο με αποτέλεσμα τη δημιουργία χωροχρονικής κατανομής. Για τη μελέτη της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας υπολογίστηκε ο μέσος όρος για κάθε μήνα (Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο, Οκτώβρη) για τη χρονική περίοδο 2001 – 2005.

4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Μετά από εκτίμηση των συντελεστών της εξίσωσης (4) με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, προέκυψαν μόνο 4 ακραίες παρατηρήσεις, στα 29861 ζευγάρια τιμών PW* - ΔΤ που περιέχονται στο σύνολο των δεδομένων. Ωστόσο, από την ανάλυση LTS το 0.77% των ζευγαριών PW* - ΔΤ ταξινομηθήκαν σαν ακραίες παρατηρήσεις, σύμφωνα με τη διαδικασία ευσταθών υπολοίπων και 0.14% των ζευγαριών ταξινομήθηκαν σαν ακραίες παρατηρήσεις έντονης επίδρασης (leverage points). Στο Σχήμα 1α) φαίνονται τα ζευγάρια τιμών PW* - ΔΤ και τα αποτελέσματα της παλινδρόμησης FWLS και LTS.

Εικ 1 Διαγράμματα διασποράς: α) PW* - ΔΤ όπου φαίνονται τα αποτελέσματα της μεθόδου ευσταθούς γραμμικής παλινδρόμησης. β) Εκτιμώμενο από καταγραφές AVHRR PW προς παρατηρούμενο από ραδιοβολίσεις PW, για τη χρονική περίοδο 2001–2005.

Στο Σχήμα 2 φαίνεται χωρική κατανομή των μέσων τιμών PW από δεδομέναAVHRR, όπου μπορεί να παρατηρηθεί η χρονική και η χωρική μεταβλητότητα. Είναι εμφανή τα καλοκαιρινά μέγιστα και τα χειμερινά ελάχιστα των χωρικών κατανομών, καθώς και η επίδραση της τοπογραφίας. Παρατηρούνται μέγιστες τιμές 1.60, 2.61, 3.96 και 2.50 cm για τον Ιανουάριο, τον Απρίλιο, τον Ιούλιο και τον Οκτώβρη αντίστοιχα. Ωστόσο, ιδιαίτερης σημασίας είναι και τα τοπικά μέγιστα που παρατηρούνται στη Θεσσαλία, την κεντρική Μακεδονία, την Ανατολική Θράκη, τη Δυτική Αλβανία και άλλες λιγότερο εκτεταμένες περιοχές της Δυτικής Ελλάδας και της Τουρκίας, ειδικά το καλοκαίρι. Οι παρατηρήσεις αυτές μπορούν να εξηγηθούν από το γεγονός ότι οι περιοχές αυτές είναι σχεδόν επίπεδες με μεγάλα ποσοστά, αρδευόμενης κυρίως, καλλιεργήσιμης γης. Η άρδευση συνεπώς, προκαλεί φαινόμενα εξάτμισης, που συμβάλουν στην αύξηση της υγρασίας της ατμόσφαιρας. Στο Σχήμα 1β) φαίνεται ένα διάγραμμα διασποράς του PW από ραδιοβολίσεις προς το PW από δεδομένα AVHRR για όλη τη χρονική περίοδο 2001–2005 (για τους τέσσερις προαναφερθέντες μήνες). Οι τιμές PW από ραδιοβολίσεις φαίνονται υψηλά συσχετιζόμενες με τις αντίστοιχες εκτιμήσεις από δεδομένα AVHRR. Ο συντελεστής συσχέτισης Pearson βρέθηκε ίσος με 0.812. Το RMSE υπολογίστηκε 0.46 cm, το οποίο υποδεικνύει μια πολύ καλή συμφωνία στις εκτιμώμενες και τις παρατηρούμενες τιμές.

Εικ 2 Χωρική κατανομή του PW με βάση καταγραφές του AVHRR. Για κάθε φατνίο 5 x 5 km έχει υπολογιστεί η μέση τιμή για την περίοδο 2001 - 2005 για Ιανουάριο (α), Απρίλιο (β), Ιούλιο (γ) και Οκτώβριο (δ). Είναι εμφανής η χωρική μεταβλητότητα, καθώς και εποχιακή.

5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Στην παρούσα εργασία, εξήχθη η χωρική κατανομή του PW, με βάση δορυφορικές καταγραφές του AVHRR στο θερμικό υπέρυθρο. Η εξίσωση υπολογισμού του PW βαθμονομήθηκε με τη μέθοδο ευσταθούς γραμμικής παλινδρόμησης, με χρήση δορυφορικών δεδομένων MODIS και ελέγχθηκε με χρήση μετρήσεων ραδιοβολίσεων. Χρησιμοποιήθηκε δείγμα μεγάλου μεγέθους (29861 ζεύγη), και ο συντελεστής συσχέτισης Pearson υπολογίστηκε ίσος με 0.91. Η προαναφερθείσα εξίσωση εφαρμόστηκε σε καθημερινά δεδομένα ΔΤ για τους μήνες Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιο και Οκτώβριο των ετών 2001 - 2005. Με αυτό τον τρόπο, προέκυψε η χωροχρονική κατανομή PW και εκτιμήθηκε η χωρική και χρονική του μεταβλητότητά. Τέλος, εκτιμήθηκε η αξιοπιστία των εξαγόμενων τιμών PW με χρήση μετρήσεων ραδιοβολίσεων, όπου παρατηρήθηκε πολύ καλή συμφωνία (RMSE=0.46 cm). Παρατηρήθηκε αντιστοιχία των χωρικών κατανομών του προερχόμενου από το MODIS PW και του προερχόμενου από το AVHRR ΔΤ. Η επίδραση της τοπογραφίας ήταν εμφανής, αφού παρατηρήθηκαν χαμηλότερες τιμές PW και ΔΤ στο δυτικό κομμάτι της κεντρικής και νότιας Ελλάδας, στη κεντρική Πελοπόννησο, στις οροσειρές της Κρήτης, όπως και στης Τουρκίας, της Αλβανίας, της Βουλγαρίας και της FYROM. Σε ότι αφορά στη χωροχρονική μεταβλητότητα του PW, παρατηρήθηκαν σε επίπεδο φατνίου τα αναμενόμενα θερινά μέγιστα και χειμερινά ελάχιστα των τιμών του PW, καθώς η επίδραση της τοπογραφίας. Επιπλέον, τοπικά μέγιστα παρατηρήθηκαν στην περιοχή της Θεσσαλίας, της Κεντρικής Μακεδονίας, της Ανατολικής Θράκης, της Δυτικής Αλβανίας και σε άλλες λιγότερο εκτεταμένες περιοχές της Δυτικής Ελλάδας και της Δυτικής Τουρκίας, ιδιαίτερα το καλοκαίρι. Συνοψίζοντας, η συμβολή της παρούσας εργασίας μπορεί να εντοπιστεί κυρίως: o Στη μεθοδολογία για το συνδυασμό των καταγραφών MODIS και AVHRR. o Στη βαθμονομημένη σχέση PW – ΔT για την περιοχή μελέτης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση PW με την ανάλυση χρονοσειρών καταγραφών του ραδιομέτρου AVHRR στο θερμικό υπέρυθρο. o Στην παραχθείσα χωρική κατανομή του PW για τον Ιανουάριο, Απρίλιο, Ιούλιοκαι Οκτώβριο για τη χρονική περίοδο 2001-2005, σε επίπεδο φατνίου 5 x 5 km. o Στην εφαρμογή ευσταθών μεθόδων παλινδρόμησης για τη σχέση PW – ΔT. o Στη χρήση ενός εκτενούς συνόλου δεδομένων ελέγχου.

Πηγή:Ζ. ΜΗΤΡΑΚΑ, Ν. ΧΡΥΣΟΥΛΑΚΗΣ ΚΑΙ Ι. ΚΑΜΑΡΙΑΝΑΚΗΣ, ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΟ-ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΥΕΤΙΣΙΜΟΥ ΝΕΡΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ ΚΑΙ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΡΑΔΙΟΒΟΛΙΣΕΩΝ