Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων
Από RemoteSensing Wiki
Luciana Rossato, Luciana Rossato, Regina C. S. Alvala, Regina C. S. Alvala, Nelson Jesus Ferreira, Nelson Jesus Ferreira, Javier Tomasella, Javier Tomasella, } "Evapotranspiration estimation in the Brazil using NDVI data", Proc. SPIE 5976, Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology VII, 59761G (19 October 2005); doi: 10.1117/12.626793; https://doi.org/10.1117/12.626793
[Πηγή]
Πίνακας περιεχομένων |
Περίληψη
Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι η ανάλυση της μηνιαίας μέσης χωρικής και χρονικής διακύμανσης της εξατμισοδιαπνοης (ΕΤ) για την περίοδο 1981 – 2000 στην Βραζιλία με την χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Μεθοδολογικά, αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε μια συσχέτιση μεταξύ της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και του δείκτη NDVI. H ΕΤ εκτιμήθηκε για τους κύριους τύπους βιομάζας της Βραζιλίας, βάσει της μεθόδου Penman – Monteith και με την χρήση δεδομένων 194 μετεωρολογικών σταθμών της χώρας, για την περίοδο 1961 – 1990. Τα δεδομένα NDVI για την περίοδο Ιούλιος 1981 – Ιούλιος 2000 λήφθηκαν από τον αισθητήρα AVHRR ( Advanced Very High Resolution Radiometer) του δορυφόρου NOAA. Η μέσες ετήσιες τιμές των χρονοσειρών των μεταβλητών NDVI και ΕΤ παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση κατά τύπο βλάστησης. Επίσης, εκτιμήθηκε η μέση μηνιαία τιμή της ΕΤ σε όλη την επικράτεια της Βραζιλίας, βάσει των δεδομένων NDVI. Ο βαθμός στον οποίο καθορίστηκε ικανοποιητικά ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ με την εφαρμογή του δείκτη NDVI διαφέρει μεταξύ των γεωγραφικών περιοχών, συνολικά, όμως, παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση για περιοχές που κλιματικά χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Η μελέτη υποδεικνύει ότι η ο δείκτης NDVI είναι μια σημαντική μεταβλητή για την έμμεση παρακολούθηση της ΕΤ σε εκτενής περιοχές, και μάλιστα με πολλές προοπτικές σε γεωπονικές και κλιματικές εφαρμογές.
Εισαγωγή
Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς στο συνεχές έδαφος – φυτό – ατμόσφαιρας. Διαφορετικές μέθοδοι ακολουθούνται για την εκτίμηση ή την μέτρηση της, μεταξύ των οποίων και εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Για παράδειγμα, δεδομένα από αισθητήρες σε θερμικά υπέρυθρα φασματικά κανάλια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην εκτίμηση της ΕΤ για τον χαρακτηρισμό του υδρολογικού κύκλου και της επίδρασης στην βλάστηση σε καθορισμένες περιοχές. Οι μέθοδοι παρέχουν ακριβείς εκτιμήσεις χάριν στην διαθεσιμότητα δεδομένων χωρικά κατανεμημένων, αφού η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα είναι μεγάλη, ειδικά στην περίπτωση των δορυφόρων Landsat και ΝΟΑΑ. Η κατανομή της ΕΤ σε εκτενής περιοχές μπορεί να εκτιμηθεί βάσει του δείκτη NDVI με την χρήση δεδομένων από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο από τους δορυφόρους Landsat και ΝΟΑΑ/AVHHR. Πολλές έρευνες έχουν επισημάνει τα πλεονεκτήματα των δεικτών βλάστησης στην εκτίμηση της ΕΤ, καθώς τα θερμοκρασιακά δεδομένα από δορυφορικούς αισθητήρες ενσωματώνουν την επίδραση της τοπογραφίας, των επιφανειακών υδάτων και του ανέμου που άμεσα ή έμμεσα μεταβάλλουν την ροή της ΕΤ. Μελέτες περίπτωσης έχουν δείξει αξιόλογη συσχέτιση μεταξύ του NDVI και της ΕΤ.
Μεθοδολογία
Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής από κλιματικά δεδομένα
Η μέθοδος Penman – Monteith αποτελεί πρότυπο εκτίμησης της ΕΤ αναφοράς βάσει κλιματικών παραμέτρων, λαμβάνοντας υπ’ όψιν και την τοποθεσία. Με την μέθοδο αυτή εκτιμήθηκε η μέση μηναία τιμή της δυνητικής ΕΤ σε όλη την έκταση της Βραζιλίας, την περίοδο 1961 – 1990 για διαφορετικά είδη βιομάζας. Σχέση μεταξύ ΕΤ και NDVI Η σχέση μεταξύ των μεταβλητών NDVI και εξατμισοδιαπνοής στην παρούσα μελέτη εκτιμήθηκε από την ανάλυση γραμμικής συσχέτισης, με συσχέτιση ανά κατηγορίες κάλυψης βλάστησης.
Δεδομένα
Δεδομένα εξατμισοδιαπνοής
Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της ΕΤ με την μέθοδο Penmann – Monteith προέρχονται από 194 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Ινστιτούτου Μετεωρολογίας – INMET. Η κατηγοριοποίηση της κάλυψης βλάστησης βασίζεται στον αισθητήρα AVHRR.
Δεδομένα NDVI
Τα δεδομένα NDVI παρήχθησαν από την GIMMS από το group της NASA/GSFS την περίοδο 1981 – 2000. Τα δεδομένα προέρχονται από τα κανάλια 1 και 2 του αισθητήρα AVHRR πάνω στον δορυφόρο NOAA (NOAA 7, 9, 11 και 14). Ο δείκτης NDVI υπολογίζεται ως ομαλοποιημένη διαφορά από την διορθωμένη ανάκλαση των καναλιών στο εγγύς υπέρυθρο (0.725 – 1.10 mm) και στο ορατό (0.58 – 0.68 mm) χρησιμοποιώντας δεδομένα AVHRR GAC (Global Area Coverage, διακριτικής ικανότητας 4 km). H μηναία απεικόνιση για περιοχές της Νοτίου Αμερικής διαθέτει χωρική διακριτική ικανότητα 8 km.
Αποτελέσματα
Προέκυψε ένας σχετικά υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μεταβλητών της ET και του δείκτη NDVI (R = 0.81), δείχνοντας μια σχεδόν γραμμική σχέση. Σημαντική συσχέτιση μεταξύ των ετήσιων μέσων των παρατηρημένων τιμών NDVI και της μέσης ετήσιας ET βρέθηκε για κάθε τύπο κάλυψης βλάστησης στην Βραζιλία. Η διαδικασία αφορούσε τους ακόλουθους έξι διαφορετικούς τύπους βλάστησης: πλατύφυλλα – αειθαλή δένδρα (τροπικά δάση), πλατύφυλλα – φυλλοβόλα δέντρα, πλατύφυλλα με εδαφοκάλυψη (σαβάνα), μόνο εδαφοκάλυψη (πολυετής), πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη και καλλιέργιες (κατ’ αντιστοιχία της βιομάζας 1,2,6,7,8 και 12). Η περίπτωση της βιομάζας 8, που δεν ακολουθεί την συσχέτιση αποδίδεται στο ότι ο τύπος βλάστησης δεν είναι αντιπροσωπευτικός των επιλεγμένων περιοχών. Κατά τα άλλα, υπάρχει καλή συσχέτιση στις εκτιμώμενες τιμές ET και NDVI ( r= 0.81, n=193, Student T test με p<0.0001 για σημαντικότητα 5%), που συμβαδίζει και με άλλες παρατηρήσεις στην βιβλιογραφία. Υιοθετείται η ακόλουθη γραμμική σχέση: ΕΤ = - 0.24898+0.00874NDVI όπου ET είναι σε mm/day και ο NDVI αδιάστατος και πολλαπλασιασμένος επί 1000 Η Εικόνα 3 δείχνει την χρονική και χωρική διασπορά της δυνητικής μέσης μηνιαίας ΕΤ, όπως προσδιορίσθηκε από την γραμμική συσχέτιση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου δεν είναι καλά καθορισμένη, γιατί οι υψηλότερες τιμές (5 -6 mm/day) σημειώνονται μετά την υγρή περίοδο. Αυτό το γεγονός αποδίδεται στην χαμηλή συσχέτιση για την βιομάζα 8 (πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη) και έχει παρατηρηθεί αντίστοιχα σε συσχέτιση του δείκτη NDVI με την βροχόπτωση. Για την Βόρεια Βραζιλία οι υψηλότερες τιμές λαμβάνουν χώρα κατά την υγρή περίοδο (μεταξύ Φεβρουαρίου και Μαΐου) και οι ελάχιστες μεταξύ Σεπτεμβρίου και Δεκεμβρίου. Ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ είναι καλύτερα καθορισμένος στην κεντρική περιοχή, με τις υψηλότερες τιμές ΕΤ την περίοδο Ιανουαρίου – Μαΐου και τις χαμηλότερες τον Σεπτέμβριο. Στην νοτιοανατολική Βραζιλία, παρατηρείται μια μείωση των τιμών της εξατμισοδιαπνοής μεταξύ Ιουνίου και Σεπτεμβρίου (περιόδος χαμηλών τιμών NDVI εξαιτίας της ξηρής περιόδου). Στην νότια Βραζιλία παρατηρείται ότι ο μέσος ρυθμός εξατμισοδιαπνοής δεν έχει μεγάλες αλλαγές, οι εκτιμώμενες τιμές είναι 3 – 6 mm/day. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλούς δείκτες εξάτμισης καθ’ όλη την διάρκεια του χρόνου. Ο ρυθμός ΕΤ είναι διακριτός σε μεγάλες περιοχές, εξαιτίας γεωγραφικών χαρακτηριστικών και μετεωρολογικών συστημάτων, όπως αναλύονται στην μελέτη. Γενικά παρατηρείται ότι η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής μέσω δεδομένων NDVI παρουσιάζει έναν καλά καθορισμένο ετήσιο κύκλο για περιοχές που χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Σε μελέτη εκτίμησης της μεταβλητότητας του NDVI μέσω ανάλυσης δεσμών, πολλοί τύποι φυτοκάλυψης σε περιοχές με καλά καθορισμένες υγρές και ξηρές περιόδους παρουσίασαν ανάλογη και ταχεία απόκριση σε επεισόδεια βροχόπτωσης. Άλλωστε, παρατηρήθηκε ότι η διακύμανση του δείκτη NDVI για πυκνότερη βλάστηση παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές στην κλιματική μεταβολή, και ειδικότερα θεωρείται ότι η παρουσία του φαινομένου El Nino την περίοδο 1981 – 2000 μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο μοτίβο του ετήσιου κύκλου της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου.
Συμπεράσματα
Η μηνιαία μέση τιμή της ΕΤ για όλη την επικράτεια της Βραζιλίας εκτιμήθηκε με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, με εφαρμογή γραμμικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων ΕΤ και NDVI/AVHRR. Τα δεδομένα είναι καλά συσχετισμένα για διαφορετικούς τύπους βιομάζας, παρά τις διαφορετικές χωρικές και χρονικές διακριτικές ικανότητες τους. Η συσχέτιση μπορεί να βελτιωθεί με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων επιφανειακής θερμοκρασία και λεπτομερέστερη θεώρηση της φυτοκάλυψης. Για την μέση μηνιαία διακύμανση της ΕΤ, αυτή συνδέεται με τον τύπο της βλάστησης της περιοχής, με εμφανής υγρές και ξηρές περιόδους. Παρόλα αυτά, επισημαίνεται ότι σε μελέτες μικροκλίματος, η συσχέτιση πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά και με μεγαλύτερη χωρική και χρονική διακριτότητα.
