Εκτίμηση κάλυψης γης και ποιότητας εδάφους με τηλεπισκόπηση και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών
Από RemoteSensing Wiki
Assessing land cover and soil quality by remote sensing and geographical information systems (GIS)
Συγγραφείς: Vincent de Paul Obade, Rattan Lal
Πηγή: Catena, 2012, http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2012.10.014, article in press
Εισαγωγή
Η ποιότητα εδάφους αναφέρεται στην ποιότητα του εδαφικού αέρα και νερού, στην παρουσία οργανισμών
Χρήσεις γης
Καλλιεργήσιμες εκτάσεις: Οι διάφορες τεχνικές μέτρησης της χωρικής και διαχρονικής συγκέντρωσης οργανικού άνθρακα παρουσιάζουν μεγάλη ανακρίβεια διότι η συγκέντρωση εξαρτάται από το βάθος, από τις αλλαγές στη χρήση γης, της καλλιέργειας, του κλίματος και της εδαφικής δομής.
Βοσκοτόπια: Η έλλειψη σαφούς περιγραφής της εδαφικής κάλυψης αυτών των περιοχών δυσχεραίνει και τον υπολογισμό του εδαφικού οργανικού άνθρακα. Προτείνεται ο χαρακτηρισμός μιας περιοχής ως βοσκότοπος με βάση το ζωϊκό κεφάλαιο και προβλέπεται η αυξημένη συγκέντρωση οργανικού άνθρακα λόγω των ζωϊκών αποβλήτων.
Δάση: Τα δάση παίζουν σημαντικό ρόλο στον κύκλο του άνθρακα, απορροφώντας CO2 από την ατμόσφαιρα μέσω της φωτοσύνθεσης και επιστρέφοντας C μέσω της αναπνοής. Ωστόσο αξιόπιστες τιμές συγκέντρωσης SOC προς το παρόν δεν υπάρχουν.
Απεκατεστημένα εδάφη: Εδάφη τα οποία έχουν υποστεί πχ εξόρυξη παρουσιάζουν εξαιρετικές μεταβολές στη συγκέντρωση SOC τόσο ως προς το βάθος όσο και ως προς την περιοχή.
Αστικά εδάφη: Η ετερογένεια στις χρήσεις γης δυσκολεύει τον υπολογισμό του SOC.
Ανάπτυξη μεθόδων για τον υπολογισμό του SOC
Εργαστηριακές μέθοδοι: Οι συγκεκριμένες μέθοδοι είναι ευαίσθητες με την αλλαγή βάθους, τη δομή και τη χρήση του εδάφους. Ωστόσο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βαθμονόμηση των αεροφωτογραφιών και των δορυφορικών εικόνων υπολογίζοντας μια σχέση ανάμεσα στη συγκέντρωση SOC και την ανακλαστικότητα του εδάφους.
Μέθοδοι πεδίου: Αφορούν κυρίως φασματοσκοπία και με κατάλληλη στατιστική βαθμονόμηση δίνουν ίδιας ακρίβειας αποτελέσματα με τις εργαστηριακές μεθόδους.
Αέριες και δορυφορικές μετρήσεις: Διάφορες παράμετροι επηρεάζουν την ακρίβεια αυτών των δεδομένων όπως: η συννεφοκάλυψη, οι ατμοσφαιρικές και οι γεωμετρικές διορθώσεις, η εδαφική υγρασία, η ορυκτολογική σύσταση και το μέγεθος των κόκκων του εδάφους. Επί της ουσίας μετράται η επιφανειακή αντανάκλαση και ανάγεται σε συγκέντρωση SOC και κατόπιν με χρήση μοντέλων υπολογίζεται έμμεσα η υπόγεια συγκέντρωση SOC.
Ταξινόμηση δεδομένων και διαταξινόμηση
Χωρική παρεμβολή: Με διάφορες μεθόδους παρεμβολής γενικεύονται τα δεδομένα από τα σημεία δειγματοληψίας σε μια ευρύτερη περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη τη διακύμανση και την απόσταση.
Εκπαίδευση μηχανών: Είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την κατηγοριοποίηση δεδομένων που βασίζεται σε κάποια τάση που παρουσιάζουν τα δεδομένα. Η επιβλεπόμενη ή μη-επιβλεπόμενη ταξινόμηση είναι η κύρια τεχνική για την παραγωγή χαρτών που βασίζεται στη λογική της εκπαίδευσης και χρησιμοποιεί δορυφορικά δεδομένα. Τελικά οι φασματικές κατηγορίες σχετίζονται με μετρημένες τιμές σε μια περιοχή.
Παραμετρικές τεχνικές: Οι τεχνικές αυτές υποθέτουν ότι τα δείγματα είναι ομαλά κατανεμημένα, έχουν μια ομοιογένεια και τα δεδομένα είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, όπως στην κανονική κατανομή (πχ ταξινόμηση μέγιστης πιθανοφάνειας, παραλληλεπιπέδου, ελάχιστης απόστασης).
Μη παραμετρικές τεχνικές: Οι τεχνικές αυτές δεν κάνουν καμία στατιστική παραδοχή κατά τη μοντελοποίηση και χαρακτηρίζουν μη-γραμμικές σχέσεις (πχ νευρωνικά δίκτυα, ιεραρχική κατηγοριοποίηση).
Γενική μοντελοποίηση: Βιογεωχημικά μοντέλα που βασίζονται στα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών για την ποσοτικοποίηση του SOC σε διάφορες κλίμακες είναι το General Ensemble biogeochemical Modeling System (GEMS), το CENTURY, το DayCent (Daily Century model), το Rothamsted Carbon Model (RothC), και το Erosion Depositional Carbon Model(EDCM).
Έλεγχος εγκυρότητας
Αφορά την ποσοτικοποίηση της ακρίβειας συγκρίνοντας τα μετρήσιμα αποτελέσματα με αυτά που προβλέφθησαν (πίνακες λαθών ή συνάφειας, συντελεστής k, διασταύρωση κά).
Έλεγχος της ευαισθησίας της φασματικής απόκρισης σε σχέση με την εδαφική ποιότητα
Πάρθηκαν 72 εδαφικά δείγματα από δύο τύπους εδάφους (ιλυώδη-αργιλώδη και ιλυώδη) από δασική γη και από καλλιεργήσιμη με καλαμπόκι γη (με καλλιέργεια και χωρίς), από δύο βάθη (0-10εκ και 40-60εκ). Εργαστηριακά υπολογίστηκαν η εδαφική υγρασία και ο εδαφικός οργανικός άνθρακας, όπου με μοντελοποίηση σχετίστηκε με την ποιότητα εδάφους. Επίσης τα δείγματα σαρώθηκαν σε εξωτερικό περιβάλλον με τον ASD FieldSpec 3 Spectroradiometer και τα φάσματα που πάρθηκαν παρουσιάζονται στην Εικόνα 1. Τα δύο επιφανειακά δείγματα από γυμνό και υγρό έδαφος είχαν την μικρότερη αντανάκλαση σε όλα τα μήκη κύματος. Η αποτελεσματική μοντελοποίηση από φασματικά δεδομένα για τον προσδιορισμό εδαφικής ποιότητας ενδεχομένως να απαιτεί αυστηρούς στατιστικούς ελέγχους διάφορων παραμέτρων όπως η ορυκτολογική δομή, η σύσταση, η υφή, η ποσοστιαία συμμετοχή νερού-αέρα-στερεού για το πόσο τελικά επηρεάζουν την ανακλαστικότητα του εδάφους.
Έρευνητικές προτεραιότητες
Πέρα από τις χρήσεις γης και τη χαρτογράφηση του εδαφικού οργανικού άνθρακα μερικές σημαντικές ερωτήσεις όπως οι παρακάτω, μπορούν να κατευθύνουν μελλοντικές έρευνες που αφορούν την ποιότητα των εδαφών: • Ποιά είναι η σχέση ανάμεσα στις διαφορετικές πρακτικές χρήσεων γης και των αλλαγών στην ποσότητα του εδαφικού οργανικού άνθρακα που επιφέρουν; • Πώς ποσοτικοποιείται σε περιφερειακή κλίμακα η ποικιλότητα της τιμής του εδαφικού οργανικού άνθρακα με βάση το βάθος και σε περιοχές με διαφορετική εδαφική υγρασία; • Εφόσον η ποσότητα του εδαφικού οργανικού άνθρακα αλλάζει ποιά στρατηγική πρέπει να ακολουθηθεί και σε πόσο χρόνο θα επιτευχθεί μια νέα ισορροπία; • Πώς ελέγχεται η εγκυρότητα παλαιότερων χαρτών εδαφικής ποιότητας; • Προσομοίωση χρησιμοποιώντας τηλεπισκοπικά δεδομένα και τη σύνδεση της εδαφικής ποιότητας με κλιματολογικά πρότυπα.
Συμπεράσματα
Κατόπιν της παραπάνω ανασκόπησης υποστηρίζονται τα εξής συμπεράσματα: • Η προστασία του περιβάλλοντος και η αγροτική αειφορεία απαιτούν καινοτόμες προσεγγίσεις στην παρακολούθηση της εδαφικής ποιότητας, ιδιαίτερα σε μεγάλες κλίμακες. • Η εδαφική ποιότητα μπορεί να εκτιμηθεί με γεωστατιστικές προσεγγίσεις που δεν καλύπτουν μόνο τη χωρική ποικιλότητα αλλά είναι χρήσιμες και στον καθορισμό στρατηγικών βέλτιστης δειγματοληψίας. • Η τηλεπισκόπηση προσφέρει γρήγορα, επαναλαβανόμενα και φθηνά δεδομένα σε διαφορετικές κλίμακες. Ωστόσο η διαφορετική φασματική απόκριση με βάση το βάθος και τον τύπο εδάφους και η αναντιστοιχία χωρικής, φασματικής και διαχρονικής ανάλυσης των διαφορετικών αισθητήρων, ενδεχομένως να απαιτούν εντατική επεξεργασία δεδομένων και σύνθετη μοντελοποίηση. • Μια υβριδική προσέγγιση που συνδυάζει εργαστηριακά δεδομένα, δεδομένα πεδίου και δεδομένα τηλεπισκόπησης είναι μια βιώσιμη οπτική για τον προσδιορισμό της ποιότητας των εδαφών. • Η απουσία παλαιότερων δεδομένων μπορεί να δημιουργήσει επιπλέον ανακρίβεια σε θέματα προσέγγισης αλλαγών της εδαφικής ποιότητας. • Η δυναμική των ενεργών τηλεπισκοπικών οργάνων όπως τα RaDAR (radio detecting and ranging) και των LiDAR (light detecting and ranging) για την προσέγγιση της εδαφικής ποιότητας απαιτούν περαιτέρω έρευνα. Το RaDAR έχει διεισδυτική ικανότητα στο έδαφος, ενώ το LiDAR μπορεί να μετρήσει ύψη βλάστησης σε μικρή χωρική κλίμακα.
