Εκτίμηση της θερμοκρασίας ποταμών με τη χρήση αερομεταφερόμενου θερμικού αισθητήρα
Από RemoteSensing Wiki
Εισαγωγή
Η θερμοκρασία του νερού των ποταμών αποτελεί δείκτη της ποιότητας του νερού και της κατάστασης των ποτάμιων οικοσυστημάτων. Ωστόσο η παρακολούθησή της είναι δύσκολη και πολυδάπανη λόγω του μεγάλου μήκους των ποταμών, ή και της πρόσβασης σε αυτά. Οι συμβατικές μέθοδοι μέτρησης της θερμοκρασίας περιλαμβάνουν εγκατάσταση σταθμών με αισθητήρες θερμοκρασίας, οι οποίες έχουν το πρόβλημα ότι είναι σημειακές και δεν αφορούν όλο το μήκος του ποταμού. Τα προβλήματα/μειονεκτήματα αυτά αντιμετωπίζονται με εφαρμογή μεθόδων τηλεπισκόπησης και συγκεκριμένα εναέριας θερμικής απεικόνισης.
Μεθοδολογία
Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει ένα αισθητήρα θερμικής ακτινοβολίας (μέσου και μεγάλου μήκους κύματος) που ανιχνεύει την εκπεμπόμενη ακτινοβολία από το πάνω 0,1mm της επιφάνειας του νερού. Οι τιμές θερμικής ακτινοβολίας, μετατρέπονται σε τιμές θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας τον νόμο του Planck και καμπύλες βαθμονόμησης του αισθητήρα. Η συσχέτιση της τηλεπισκοπικά μετρούμενης θερμοκρασίας Tr γίνεται με την πραγματική θερμοκρασία ροής του νερού Τκ, μετρούμενη στο πεδίο, σε συγκεκριμένες θέσεις, την ίδια περίοδο με την εναέρια θερμική απεικόνιση, 10cm κάτω από την επιφάνεια. Η συσχέτιση αυτή είναι αποδεκτή όταν δεν υπάρχει θερμική στρωμάτωση της στήλης νερού (συνθήκες τυρβώδους ροής) όπου η θερμοκρασία της επιφάνειας του νερού είναι και η θερμοκρασία όλης της στήλης. Για την αξιολόγηση του φαινομένου της θερμικής στρωμάτωσης γίνονται μετρήσεις θερμοκρασίας, στην επιφάνεια και τον πυθμένα των ποταμών, σε επιλεγμένες θέσεις με μεγάλο βάθος ροής ώστε να υπολογιστεί η θερμικλινής καμπύλη. Μια μέθοδος για τον εντοπισμό περιοχών με θερμική στρωμάτωση και την εμφάνιση συνεπώς αποκλίσεων της τηλεπισκοπικά μετρούμενης θερμοκρασίας Tr από την πραγματική, είναι με τον υπολογισμό του αριθμού Reynolds. Αριθμοί Re >2000 υποδηλώνουν τυρβώδη ροή και συνεπώς καλή ανάμιξη της στήλης νερού.
Οι παράγοντες που επηρεάζουν την τηλεπισκοπική μέτρηση είναι η ατμοσφαιρική απορρόφηση, η ανάκλαση της αέριας θερμικής υπέρυθρης ακτινοβολίας, την ικανότητα εκπομπής ακτινοβολίας του υδάτινου σώματος και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του υδάτινου σώματος (δημιουργία κυματισμών ή στροβίλων ή επίπεδη και ήρεμη επιφάνεια).
Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας προσαρτήθηκε ένα σύστημα θερμικής απεικόνισης σε μήκος κύματος 8-12μm, μαζί με μια ψηφιακή μηχανή βίντεο (0,4-0,7μm) σε ένα ελικόπτερο. Η πτήσεις έγιναν σε ποταμούς του ανατολικού Oregon των ΗΠΑ και διήρκησαν τέσσερα χρόνια. Η ψηφιακές φωτογραφίες χρησιμοποιήθηκαν για την διακριτοποίηση του ποταμού από την στεριά στις θερμικές εικόνες και την αναγνώριση της γεωμορφολογίας και κάλυψης του ποταμού, ώστε να εντοπιστούν και να αιτιολογηθούν ορισμένες αποκλίνουσες μετρήσεις θερμοκρασίας Τr των θερμικών εικόνων (Σχήμα 1). Οι μετρήσεις τηλεπισκοπικά μετρούμενης θερμοκρασίας Tr, έγιναν με συνθήκες καθαρού ουρανού (μείωση ανακλάσεων) και χαμηλής παροχής (βάθος ροής 0,5m) για την αποφυγή του φαινομένου θερμικής στρωμάτωσης.
Το ύψος πτήσης και συνεπώς και του θερμικού αισθητήρα, καθορίζεται από την επιθυμητή ανάλυση επί του εδάφους, των θερμικών εικόνων (όσο πιο μικρό το ύψος τόσο μεγαλύτερη ανάλυση). Μεγαλύτερη ανάλυση απαιτείται στις περιπτώσεις ποταμών στενής διατομής, ώστε να λαμβάνονται τουλάχιστο 10 κελιά (pixel) που περιέχουν μόνο νερό. Για την αντιμετώπιση των σφαλμάτων από την ατμοσφαιρική απορρόφηση, λαμβάνονταν μετρήσεις θερμοκρασίας αέρος, υγρασίας, ταχύτητας ανέμου και νεφοκάλυψης κατά τη διάρκεια και μετά τις πτήσεις.
H τηλεπισκοπικά μετρούμενη θερμοκρασία του νερού διορθώθηκε για την ατμοσφαιρική μεταβιβαστικότητα και τις ανακλάσεις του περιβάλλοντος χρησιμοποιώντας το ατμοσφαιρικό μοντέλο προσομοίωσης LOWTRAN-7. Οι μετασχηματισμένες εικόνες τελικά αποθηκεύονται σε μορφή στην οποία κάθε pixel περιέχει μια τιμή θερμοκρασίας με ακρίβεια 0,1 ° C.
Η επεξεργασία και ανάλυση των ψηφιακών και θερμικών εικόνων έγινε σε σύστημα GIS. Από κάθε θερμική εικόνα επιλέχθηκαν 10 σημεία κατά μήκος της κύριας κοίτης και υπολογίστηκε η διάμεσος τιμή αυτών Τrs. Επίσης υπολογίστηκε και ο διάμεσος όλων των σημείων κάθε θερμικής εικόνας Trp. Και οι δύο παράμετροι συγκρίθηκαν με τις επί τόπου μετρημένες τιμές Tk για την εξαγωγή μιας συσχέτισης, μέσω γραμμικής παλινδρόμησης. Οι τιμές του Trs παρουσίασαν καλή συσχέτιση με τις μετρημένες Tk (r2=0.99) και είχαν απόκλιση συστηματικά εως ±0,5ο C. Οι τιμές του Τrp ταυτίζονταν με αυτές της παραμέτρου Τrs εκτός των περιπτώσεων ποταμών με στενή κοίτη, όπου το Trp ήταν μεγαλύτερο από την μετρημένη θερμοκρασία Τk κατά 0,8 ο C λόγω της συμμετοχής των pixel με σημαντική έκταση στεριάς.
Αποτελέσματα
Κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, παρατηρήθηκε πως οι τραχείες επιφάνειες νερού λόγω στροβίλων, τύρβης, κυματισμών, κ.α. έχουν μικρότερη ένταση εκπομπής ακτινοβολίας και παρουσιάζονται ελαφρώς πιο θερμές από τις ήρεμες επιφάνειες, με ίδια μετρημένη θερμοκρασία. Αυτό οφείλεται στην εμφάνιση διάχυτων ανακλάσεων της ακτινοβολίας σε αντίθεση με την συγκεντρωμένη ανάκλαση από ήρεμες επίπεδες επιφάνειες που έχει μεγαλύτερη ένταση εκπομπής. Μια άλλη παράμετρος που επηρεάζει την ανακλαστικότητα της ακτινοβολίας είναι η γωνία θέασης του υδάτινου σώματος. Η ανακλαστικότητα σε ήρεμες επιφάνειες είναι μικρή για γωνίες θέασης <45ο, ενώ για τραχείες επιφάνειες για γωνίες <25ο σε σχέση με την κατακόρυφο. Επομένως για την ελαχιστοποίηση σφαλμάτων από την ανάκλαση της ακτινοβολίας θα πρέπει η γωνία λήψης των θερμικών εικόνων να διατηρείται κοντά στις 90ο.
Εν κατακλείδι η μέθοδος της τηλεπισκοπικής μέτρησης της θερμοκρασίας ποταμών μέσω θερμικής ακτινοβολίας, παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα σε όλο το μήκος του ποταμού, ενώ ο περιορισμός της χρονικής μεταβολής της θερμοκρασίας μπορεί να αντιμετωπιστεί με τον συνδυασμό επίγειων σταθμών μέτρησης της θερμοκρασίας.
