Εκτίμηση της υδατικής διάβρωσης του εδάφους με τη χρήση τηλεπισκόπησης: Ανασκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος πρωτοτύπου: Satellite remote sensing for water erosion assessment: A review

Πηγή:ScienceDirect[1]

Συγγραφέας: Anton Vrieling

Λέξεις κλειδιά: Ανασκόπηση, Υποβάθμιση της γης, Διάβρωση του εδάφους, Τηλεπισκόπηση,

Περίληψη

Η διάβρωση που προκαλεί το νερό στο έδαφος έχει αρνητικές επιπτώσεις στην αγροτική παραγωγή και την ποιότητα του νερού σε όλο τον κόσμο. Η εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης σε τοπικό επίπεδο είναι σημαντική, αλλά υπάρχουν περιορισμένα στοιχεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να συμβάλλει στις μελέτες εκτίμησης, παρέχοντας χωρικά δεδομένα. Τα τελευταία 30 χρόνια πολλές μελέτες που στηρίζονται σε δεδομένα τηλεπισκόπησης έχουν δημοσιευτεί. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η ανασκόπηση των μεθοδολογιών που έχουν χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης από το νερό με τη χρήση της τηλεπισκόπησης.

Πρώτα, γίνεται ανασκόπηση των μελετών εντοπισμού της διάβρωσης. Αυτό περιλαμβάνει μελέτες εντοπισμού των παραγόντων διάβρωσης των διαβρωμένων περιοχών, καθώς και των επιπτώσεων της διάβρωσης όπως η απόθεση ιζημάτων και η ποιότητα του νερού των εσωτερικών λιμνών. Επίσης, περιγράφονται οι τεχνικές χαρτογράφησης των οποίων τα δεδομένα προέρχονται από δορυφόρους. Οι τεχνικές αυτές περιλαμβάνουν μοντέλα διάβρωσης και ποιοτικές μεθόδους. Τέλος, γίνεται αναφορά σε μεθόδους επαλήθευσης που χρησιμοποιούνται για να εκτιμήσουν την ακρίβεια των χαρτών που παράγονται με δεδομένα δορυφόρων. Το συμπέρασμα είναι ότι λείπουν δεδομένα επαλήθευσης. Η επαλήθευση είναι μεγάλης σημασίας για την επιτυχία των τοπικών λειτουργικών συστημάτων ελέγχου, και για το λόγο αυτό απαιτείται στενή συνεργασία ανάμεσα στην επιστημονική κοινότητα που ασχολείται με την τηλεπισκόπηση και των επιστημόνων που ασχολούνται με τη διάβρωση στο πεδίο.

Εισαγωγή

Η διάβρωση του εδάφους από το νερό είναι το πιο σημαντικό πρόβλημα υποβάθμισης της γης παγκοσμίως. Έχει επιπτώσεις στην αγροτική παραγωγή, τις υποδομές και την ποιότητα του νερού. Επιπλέον, η διάβρωση έχει ως συνέπεια τις εκπομπές εδαφικού οργανικού άνθρακα στην ατμόσφαιρα με τη μορφή CO2 και CH4 συνεισφέροντας στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Από την άλλη πλευρά, η υπερθέρμανση του πλανήτη αναμένεται να αυξήσει το βαθμό διάβρωσης. Η υδατική διάβρωση εξαρτάται από: κλιματικούς παράγοντες, την τοπογραφία, τις ιδιότητες του εδάφους και τη διαχείριση της γης. Η αποκόλληση του εδαφικού υλικού οφείλεται στην βροχόπτωση και στη δύναμη ροής του τρεχούμενου νερού. Τα σωματίδια που έχουν αποκολληθεί, παρασύρονται με την επιφανειακή απορροή και αποτίθενται σε διάφορες θέσεις όταν μειωθεί η ταχύτητά του. Η εκτίμηση της υδατικής ρύπανσης είναι δύσκολη εξαιτίας της απουσίας δεδομένων. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην εκτίμηση της υδατικής διάβρωσης μιας περιοχής καθώς παρέχει ομογενοποιημένα στοιχεία που αφορούν μεγάλες περιοχές, τα οποία τακτικά επανεξετάζονται.

Οι δορυφόροι και οι αισθητήρες για την έρευνα της υδατικής διάβρωσης Από τους δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη γη, για την εκτίμηση της υδατικής διάβρωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα οπτικά δορυφορικά συστήματα των οποίων οι αισθητήρες καλύπτουν τα εξής τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: το ορατό και εγγύς υπέρυθρο (VNIR) από 0,4 μέχρι 1,3μm, το μικροκυματικό υπέρυθρο (SWIR) από 1,3 μέχρι 3,0μm και το θερμικό υπέρυθρο από 3,0 μέχρι 15,0 μm

Μελέτες εντοπισμού της διάβρωσης

Τα δορυφορικά δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον απευθείας εντοπισμό της διάβρωσης ή των επιπτώσεων που προκαλεί. 1) Απευθείας ανίχνευση των διαβρωμένων περιοχών: Οι δορυφόροι Landsat και SPOT μπορούν να δώσουν απεικονίσεις για τη διάκριση των μεγάλων και μεσαίου μεγέθους κοιλοτήτων του εδάφους. Με φωτοερμηνεία των σύνθετων απεικονίσεων των διαφόρων αισθητήρων των δορυφόρων, έχουν χαρτογραφηθεί εκτεταμένες περιοχές που έχουν υποστεί διάβρωση. Αντί των μεθόδων φωτοερμηνείας μπορεί να εφαρμοστεί η τεχνική της Αυτόματης Εξαγωγής των διαβρωμένων περιοχών από δορυφορικές εικόνες (automatic extraction) και ο αλγόριθμος μέγιστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood classifier). Επίσης, η απευθείας συσχέτιση μεταξύ της διάβρωσης και των τιμών ανακλαστικότητας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, επιτρέπει τον εντοπισμό των διαβρωμένων περιοχών, με εξαίρεση τα υγρά κλίματα. Τέλος, η τεχνική Συμβολομετρία SAR έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της υδατικής διάβρωσης. 2) Ανίχνευση των επιπτώσεων της διάβρωσης: οι περισσότερες μελέτες που χρησιμοποιούν δορυφορικές απεικονίσεις για την εκτίμηση των επιπτώσεων της διάβρωσης επικεντρώνονται στους ταμιευτήρες και τις λίμνες όπου τα ιζήματα προκαλούν σημαντικές οικονομικές και οικολογικές επιπτώσεις. Η ανακλαστικότητα της επιφάνειας του νερού στην περιοχή του ορατού και υπέρυθρου επηρεάζεται θετικά από την παρουσία αιωρούμενων ιζημάτων. Πολλές μελέτες διαπίστωσαν υψηλή συσχέτιση ανάμεσα στις συγκεντρώσεις αιωρούμενων ιζημάτων όπως μετρήθηκαν στο πεδίο και της φασματικής ανακλαστικότητας από δεδομένα του δορυφόρου Landsat και SPOT. Το βέλτιστο μήκος κύματος είναι μεταξύ 500 και 800nm.

Μελέτες εκτίμησης των παραγόντων διάβρωσης – Επαλήθευση της ακρίβειας της χαρτογράφησης

Οι μελέτες αυτές επικεντρώνονται κυρίως στην ανίχνευση των χαρακτηριστικών του εδάφους και στην κάλυψη βλάστησης και σε μικρότερο βαθμό στην τοπογραφία και τη διαχείριση γης. Δεν υπάρχουν στην βιβλιογραφία (μέχρι το 2006) μελέτες για την εκτίμηση της επίδρασης των βροχοπτώσεων στη διάβρωση του εδάφους με δορυφόρους. Σε πολλές περιπτώσεις, γίνεται η εκτίμηση ενός μόνο παράγοντα από δορυφορικά δεδομένα και οι υπόλοιποι παράγοντες υπολογίζονται από πρόσθετες πληροφορίες. Απαιτείται όμως να υπάρχει ένα πλαίσιο ώστε τα δεδομένα να ενοποιούνται με τη χρήση κάποιου μοντέλου ή άλλων περισσότερο ποιοτικών προσεγγίσεων. Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο για το σκοπό αυτό είναι το Universal Soil Loss Equation (USLE). Ένα μοντέλο που αναπτύχθηκε με σκοπό να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με δορυφορικά δεδομένα είναι το Soil Erosion Model για τις μεσογειακές περιοχές (SEMMED).

Για την επαλήθευση των μεθόδων χαρτογράφησης της διάβρωσης, γίνονται μετρήσεις στο πεδίο όπως με τη μέθοδο του καισίου-137, των διαστάσεων των αυλακιών ή με την ερμηνεία υψηλής ανάλυσης απεικονίσεων τηλεπισκόπησης όπως είναι οι αεροφωτογραφίες. Οι απεικονίσεις QuickBird χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό.

Συμπεράσματα

Η παρούσα εργασία έδειξε ότι η τηλεπισκόπηση μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην εκτίμηση της διάβρωσης του εδάφους. Η αποτελεσματικότητα των περισσότερων τεχνικών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της υπό-μελέτη περιοχής. Για τις ημι-άνυδρες περιοχές, εφαρμόστηκαν πολλές τεχνικές όπως είναι η συμβολομετρία SAR και η τεχνική Spectral unmixing of optical data (μίγμα φασματικών οπτικών δεδομένων). Όμως, οι τεχνικές αυτές είναι αποτελεσματικές μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες και δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε πιο υγρά περιβάλλοντα. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας των διαδικασιών διάβρωσης και των τοπικών συνθηκών, δεν αναμένεται ότι στο άμεσο μέλλον μπορεί να αναπτυχθεί ένα προτυποποιημένο σύστημα εκτίμησης της διάβρωσης με δορυφορικά δεδομένα.