Εκτίμηση του εκ του εδάφους εκπεμπόμενου αζώτου σε παρόχθιες περιοχές με σύζευξη διαδικασιών απλών μοντέλων και δεδομένων τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Εκτίμηση του εκ του εδάφους εκπεμπόμενου αζώτου σε παρόχθιες περιοχές με σύζευξη διαδικασιών απλών μοντέλων και δεδομένων τηλεπισκόπησης
Evaluation of soil nitrogen emissions from riparian zones coupling simple process-oriented models with remote sensing data
Συγγραφείς:Xuelei Wang, C.M. Mannaerts, Shengtian Yang, Yunfei Gao, Donghai Zheng
Πηγή: Science of the Total Environment 408, 3310–3318, 2010
Στόχος Εφαρμογής
Τα παρόχθια οικοσυστήματα είναι γνωστά για τον ιδιαίτερο ρόλο τους στον έλεγχο των μη σημειακών πηγών ρύπανσης και στη διατήρηση της περιβαλλοντικής υγιεινής των υδατικών οικοσυστημάτων. Οι αέριες εκπομπές αζώτου από το έδαφος είναι διαδικασίες οι οποίες χαρακτηρίζονται ως ιδιαίτερα πολύπλοκες ως προς την δυνατότητα παρακολούθησης και τις τελευταίες δεκαετίες πολυάριθμες εργαστηριακές και επί τόπου μελέτες προσανατολίστηκαν προς την μέτρηση του εκ του εδάφους εκπεμπόμενου αζώτου σε διάφορα οικοσυστήματα. Εκ των ήδη ολοκληρωμένων μελετών προκύπτει ότι οι βασικές διεργασίες οι οποίες συνδέονται με την εκπομπή αζώτου περιλαμβάνουν διαδικασίες απονιτροποίησης, νιτροποίησης, χημικής απονιτροποίηση και αεριοποίησης της αμμωνίας. Η παρούσα μελέτη επιχειρεί την ολοκλήρωση απλών μοντέλων, βασισμένων σε διεργασίες, με εκ του αέρος τεχνικές για την περιγραφή της εκπομπής αζώτου από το έδαφος χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά και τηλεπισκοπικά δεδομένα κάλυψης γης ως βασικές παραμέτρους του μοντέλου. Οι βασικοί σκοποί αυτής της μελέτης είναι:
- η παρουσίαση μιας μεθόδου η οποία βασίζεται στην ολοκλήρωση ενός απλού στην εφαρμογή μοντέλου με τηλεπισκοπικά δεδομένα για την ποσοτικοποίηση χωρικών και χρονικών (εποχικών) διαφοροποιήσεων των αέριων εκπομπών αζώτου σε παράκτια εδάφη και
- η ανάλυση των επιπτώσεων των διαφόρων χρήσεων γης στις διεργασίες εκπομπής αζώτου από το έδαφος των παρόχθιων ζωνών. Η μελέτη διεξήχθη στην περιοχή Guanting, νοτιοδυτικά του Πεκίνου.
Εναλλακτικές Μέθοδοι
Ο προσδιορισμός του εκ του εδάφους εκπεμπόμενου αζώτου χωρίς την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων είναι εφικτός μέσω διαφόρων εργαστηριακών ή επί τόπου παρατηρήσεων και αναλύσεων. Ορισμένα χαρακτηριστικά μοντέλα που εφαρμόζονται για τον σκοπό αυτό είναι τα μοντέλα CREAMS, “Hole-in-the-pipe”, EPIC, CERES, CENTURY και το μοντέλο PNET-N-DNDC. Τα περισσότερα εξ αυτών αποδίδουν ικανοποιητικά σε κλίμακα πραγματικών πεδίων.
Είδη δορυφόρων και καναλιών
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας της τηλεπισκόπησης επιτρέπει την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων μέτριας ή υψηλής ανάλυσης για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικών με το έδαφος μέσω μετατροπής των δεδομένων αυτών σε αντίστοιχες εδαφολογικές συνθήκες. Τυπικοί ανιχνευτές τηλεπισκόπησης οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε τέτοιου τύπου εφαρμογές αποτελούν οι AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrometer), Landsat TM, ETM ( Enhanced Thematic Mapper), SPOT, Ikonos, Quickbird κλπ. Λαμβάνοντας υπόψιν τόσο τα χαρακτηριστικά των καναλιών, όσο και την ανάλυση των τηλεπισκοπικών δεδομένων, στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν διαχρονικές εικόνες οι οποίες ελήφθησαν από το ίδιο σύστημα ανιχνευτή (Landsat 5-TM) ούτως ώστε να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση των διαφορών μεταξύ των δορυφορικών συστημάτων. Οι εικόνες που επελέγησαν είναι επτά στον αριθμό και η λήψη τους έλαβε χώρα υπό συνθήκες απουσίας νεφών (ΤΜ5 μονοπάτι 123-124, σειρά 32). Η λήψη των δεδομένων πραγματοποιήθηκε τους μήνες Μάρτιος-Απρίλιος-Μάιος του 2007, Ιούνιος του 2006, Ιούλιος του 2005, Αύγουστος του 2008 και Σεπτέμβριος του 2007. Επιπλέον δεδομένα ως προς τις χρήσης γης και τους τύπους των εδαφών προέκυψαν από εικόνα ανάλυσης 10m του δορυφόρου SPOT-5 η οποία ελήφθη στις 9 Ιανουαρίου του έτους 2005.
Προεπεξεργασίες εικόνων
Πριν την εξαγωγή των εδαφολογικών πληροφοριών, όλες οι δορυφορικές εικόνες υπέστησαν προεπεξεργασία η οποία περιελάμβανε ραδιομετρική κανονικοποίηση και γεωμετρική διόρθωση. Εξαιτίας μικρών διαφοροποιήσεων στις διαχρονικές ραδιομετρικές αποκρίσεις του ανιχνευτή, καθώς και διαφόρων εποχικών διαφοροποιήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας και των κλίσεων των ακτίνων, οι αρχικοί ψηφιακοί αριθμοί της εικόνας (digital numbers, DN) μετετράπησαν κατ' αρχάς σε εξω-ατμοσφαιρικές τιμές ανακλαστικότητας και εν συνεχεία αποκαταστάθηκαν ραδιομετρικά. Οι σταθερές βαθμονόμησης του θεματικού χάρτη ΤΜ-5 οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη εξασφαλίστηκαν από την βάση USGS. Κατόπιν της ραδιομετρικής κανονικοποίησης, όλες οι εικόνες μετετράπησαν στο σύστημα συντονισμού UTM με χρήση κοινών σημείων ελέγχου προερχόμενων από έναν τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:50,000. Χρησιμοποιώντας έναν πρώτης τάξης πολυωνυμικό αλγόριθμο αποκατάστασης επετεύχθη ακρίβεια μικρότερη του ενός εικονοστοιχείου θεματικού χάρτη LANDSAT 5-TM (15m).
Χρήση επιπρόσθετων δεδομένων
Παράλληλα με τη χρήση τηλεσκοπικών δεδομένων διεξήχθη ένα εργαστηριακό πείραμα για την μέτρηση της δυνητικής ικανότητας απονιτροποίησης των δειγμάτων τα οποία συλλέχθηκαν από την υπό μελέτη περιοχή. Ως δεδομένα εισόδου αυτού του μοντέλου εισήχθησαν μετεωρολογικά δεδομένα, φυσικά και χημικά δεδομένα εδάφους. Τα μετεωρολογικά δεδομένα σχετικά με τις ημερήσιες συνθήκες ηλιοφάνειας, τη θερμοκρασία του αέρα και της επιφάνειας του εδάφους, της σχετικής υγρασίας, της ταχύτητας του αέρα κλπ. εξασφαλίστηκαν από δύο βασικούς εθνικούς σταθμούς και από έναν πειραματικό σταθμό της περιοχής για την περίοδο Μάρτιος-Σεπτέμβριος 2007. Δεδομένα εδάφους όπως η πυκνότητα, η περιεκτικότητα των θρεπτικών στοιχείων (TN, NO3–, NH4+), η εδαφολογική σύσταση και το pH, ελήφθησαν από την Δεύτερη Εθνική Μελέτη Εδαφών σε συνδυασμό με επί τόπου έρευνες στην υπό μελέτη περιοχή.
Σημαντικά Αποτελέσματα
Η περίοδος προσομοίωσης αυτής της μελέτης τοποθετείται μεταξύ της 1ης Μαρτίου 2007 και 30ης Σεπτεμβρίου του ίδιου έτους. Η χωρική κατανομή των μηνιαίων εκπομπών αζώτου παρουσιάζονται στην εικόνα 1. Εκ της μελέτης προκύπτει η ύπαρξη ενός αριθμού δυναμικών ζωνών πλησίον των υδάτινων επιφανειών οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλές εκπομπές αζώτου και από εδάφη πλούσια σε νιτρικά. Η χωρική κατανομή των χρήσεων/καλύψεων γης των παρόχθιων ζωνών μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τον έλεγχο των μη σημειακών πηγών ρύπανσης. Τα βασικά συμπεράσματα αφορούν στον εντοπισμό περιοχών οι οποίες λόγω αγροτικών χρήσεων γης και χρήσης λιπασμάτων ή εφαρμογή άλλων πρακτικών καλλιέργειας παρουσιάζουν υψηλότερες εκπομπές αζώτου. Επιπλέον, παρατηρείται διαφοροποίηση των εκπομπών ανάλογα την εποχή κατά τη διάρκεια ενός έτους, σημειώνοντας μέγιστη εκπομπή αζώτου κατά την περίοδο Ιουνίου-Σεπτεμβρίου. Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η χωρική διαβάθμιση των εκπομπών αζώτου όπως αυτή διαμορφώνεται σε μηνιαία βάση στα πλαίσια του διαστήματος μελέτης (1/03/2007-30/09/2007).
