Επιπτώσεις της καραντίνας στις συγκεντρώσεις ολικών αιωρούμενων ιζημάτων στον ποταμό Lower Min της Κίνας

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο μελέτης: Επιπτώσεις της καραντίνας στις συγκεντρώσεις των ολικών αιωρούμενων ιζημάτων στον ποταμό Lower Min River της Κίνας κατά τη διάρκεια της πανδημίας του COVID-19 με τη χρήση δορυφορικών εικόνων χρονοσειράς

Πρωτότυπος τίτλος: Lockdown effects on total suspended solids concentrations in the Lower Min River (China) during COVID-19 using time-series remote sensing images

Συγγραφείς: Hanqiu X , Guangzhi Xu, Xiaole Wen, Xiujuan , Yifan Wang

Πηγή:[3]

Λέξεις κλειδιά: TSS, αιωρούμενα ιζήματα,COVID-19, δορυφορικές εικόνες

Περίληψη

Η πανδημία κατά τη διάρκεια του 2019-2020 είχε σαν αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση η και παύση αρκετών ανθρωπίνων δραστηριοτήτων. Η παρούσα εργασία ερευνά πιθανές αλλαγές στην ποιότητα του νερού στον ποταμό Lower Min River στη διάρκεια αυτής της περιόδου. Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες χρονοσειρών για την ανίχνευση των ολικών αιωρούμενων ιζημάτων(TSS), ενώ αναπτύχθηκε και ένα νέο πρότυπο αλγορίθμου για την εκτίμηση του ιζηματολογικού δυναμικού στο ποτάμι. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 3 αλγόριθμοι , οι οποίοι και οι 3 κατέδειξαν σημαντικές διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις των ιζημάτων που έφταναν μείωση έως και 48% την περίοδο του καθολικού εγκλεισμού. Ο εντοπισμός των αλλαγών στη συγκέντρωση των ιζημάτων λειτούργησε ως δείκτης για την ανθρώπινη δραστηριότητα, καθώς συσχετίστηκε άμεσα η μείωση τους με την μειωμένη βιομηχανική δραστηριότητα, τις ελαχιστοποιημένες μεταφορές εντός του ποταμού κ.α.

Εισαγωγή

Η αυξανόμενη ανθρώπινη δραστηριότητα επιδρά αρνητικά στα ύδατα και συνεπώς απειλεί την ποιότητα τους. Η πανδημία στην Κίνα οδήγησε στη μείωση και παύση αρκετών ανθρωπίνων δραστηριοτήτων λόγω εθνικού εγκλεισμού. Η χρήση δορυφορικών εικόνων έχει ήδη εφαρμοστεί για την ανίχνευση των φασματικών υπογραφών των αιωρούμενων ιζημάτων προκειμένου να εκτιμηθεί η συγκέντρωση τους. Αρκετοί αλγόριθμοι ωστόσο παρουσιάζουν περιορισμούς, συνεπώς η ανάπτυξη πιο ισχυρών αλγορίθμων με ελαχιστοποίηση των λαθών κρίνεται αναγκαία. Λόγω μη δυνατότητας συλλογής δεδομένων πεδίου, στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκε ένα νέο πρότυπο αλγορίθμου, ενώ χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες χρονοσειράς από το Νοέμβριο του 2019 έως και τον Απρίλιο του 2020.

Δεδομένα και μέθοδοι

Η περιοχή μελέτης της εργασίας είναι ο ποταμός MIN, συνολικής έκτασης 562 χιλιομέτρων. Σύμφωνα με τον κοντινότερο υδρολογικό σταθμό στην περιοχή μελέτης η μέση ετήσια ποσότητα ροής για τα έτη 2017-2019 ανέρχεται σε 40.128 × 109 m3. Ο σταθμός βρίσκεται στην πόλη Fuzhou, στην οποία τα πρώτα μέτρα για την πανδημία ξεκίνησαν τον Ιανουάριο του 2020, και οδήγησαν λίγο αργότερο σε καθολικό εγκλεισμό. Αναλόγως προσαρμόστηκε και η μελέτη , η οποία χωρίστηκε σε τρεις περιόδους:

1. pro-covid-19
2. covid-19
3. post Covid-19

Τηλεπισκοπικά Δεδομένα

Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν εικόνες χρονοσειρών Landsat-5 Thematic Mapper (TM), Landsat-8 Operational Land Imager (OLI), και GaoFen-1 (GF-1) Wide Field of View (WFV) .Τα δεδομένα ανάκλασης επιφάνειας (surface reflectance products (LSRP)) συλλέχθηκαν από τον ιστότοπο USGS. Στον παρακάτω πίνακα συγκεντρώνονται οι εικόνες που επεξεργάστηκαν, η χρήση τους και η χωρική τους αρίβεια:

ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ	ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ(Μ)	ΧΡΗΣΗ
TM	30	Εικόνα αναφοράς για την προσαρμογή του αλγορίθμου
WFV	16	Εύρεση TSS για σύγκριση
WFV	16	Εύρεση TSS για σύγκριση
WFV	16	Εύρεση TSS για σύγκριση
OLI	30	Εύρεση TSS στην pre-Covid-19 περίοδο
WFV	16	Εύρεση TSS στην Covid-19 περίοδο
WFV	16	Εύρεση TSS στην Covid-19 περίοδο
WFV	16	Εύρεση TSS στην Covid-19 περίοδο
OLI	30	Εύρεση TSS στην post-Covid-19 περίοδο
WFV	16	Εύρεση TSS στην post-Covid-19 περίοδο
WFV	16	Εύρεση TSS στην post-Covid-19 περίοδο

Χρήση Αλγορίθμων

• Αλγόριθμος WEN:

Με βάση τον συγκεκριμένο αλγόριθμο εκτιμήθηκαν οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων ιζημάτων. Χρησιμοποιήθηκε η εικόνα Landsat TM που είχε τραβηχτεί το 2006 σε συνδυασμό με επιτόπια φασματικά και υδατικά δείγματα. Ύστερα από δοκιμές προέκυψε πως τα κανάλια πράσινο και κόκκινο είναι πιο ευαίσθητα στην αναγνώριση του TSS . Έτσι δημιουργήθηκε ο παρακάτω αλγόριθμος:

TSS = 3793.7(ρgreen + ρred)^2 - 16.5

Όπου to ‘ρ green’ και το ‘ρ red’ αντιστοιχούν στην ανάκλαση επιφάνειας των καναλιών πράσινο και κόκκινο.

• Βαθμονόμηση του αλγορίθμου WEN:

Προκειμένου να βελτιωθούν τα αποτελέσματα του αλγορίθμου αλλά και να προσαρμοστεί στην παρούσα χρονική περίοδο ακολουθήθηκε μία νέα διαδικασία επαναπροσαρμογής του παλαιότερου αλγορίθμου: Καθώς δεν υπήρχαν επιτόπια δείγματα έγινε επεξεργασία μόνο τηλεπισκοπικών δεδομένων. Η διαδικασία περιγράφεται με συντομία παρακάτω:

• • Διόρθωση ατμοσφαιρικών και γεωμετρικών σφαλμάτων.
  • Χρήση του τροποποιημένου δείκτη για το νερό MNDWI προκειμένου να αφαιρεθούν από την εικόνα όλες οι μη υδάτινες οντότητες.
  • Δημιουργία ‘φωτοσταθερών’ σημείων ελέγχου (PIF pseudo-invariant features) για την εφαρμογή της μεθόδου της σχετικής ατμοσφαιρικής διόρθωσης.
  • Η επιλογή των κατάλληλων σημείων ελέγχου έγινε με επιτιθέμενα ζεύγη εικόνων χρησιμοποιώντας κάθε φορά την εικόνα του 2006 ως βάση αναφοράς. Τα σημεία με τις περισσότερες ομοιότητες σε κάθε ζεύγος επιλέχθηκαν ως τα σημεία ελέγχου. Το μοντέλο που προέκυψε μέσω των σημείων εφαρμόστηκε σε όλα τα φατνία στην εικόνα για επαναβαθμονόμηση.

Για την επικύρωση των αλγορίθμων χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος Nechad και ο Novoa.

Aποτελέσματα

Αναφορικά με τις χρονικές αλλαγές που παρατηρήθηκαν, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3, η συγκέντρωση των ιζημάτων βρέθηκε υψηλή το χειμώνα, χαμηλή το μήνα Φεβρουάριο και μεσαία προς υψηλή τους μήνες Μάιο και Απρίλη. Για την ανίχνευση των διαφόρων συσχετίσεων στις συγκεντρώσεις των ιζημάτων με την πανδημία χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες πριν την πανδημία για να συγκριθούν με το τελικό αποτέλεσμα. Για την περαιτέρω χωρική ανάλυση κάθε εικόνα αναφοράς επανακατηγοριοποιήθηκε σε έξι κατηγορίες συγκεντρώσεων(εικόνα 3). Συμπερασματικά προέκυψε μία σημαντική διακύμανση της συγκέντρωσης ιζημάτων κατά τη χρονική περίοδο της μελέτης. Τα μέτρα της πανδημίας οδήγησαν σε πτώση 48% του TSS τον Φεβρουάριο του 2020.

Συμπεράσματα

Συμπερασματικά προέκυψε μία σημαντική διακύμανση της συγκέντρωσης ιζημάτων κατά τη χρονική περίοδο της μελέτης. Τα μέτρα της πανδημίας οδήγησαν σε πτώση 48% του TSS ον Φεβρουάριο του 2020. Οι αλλαγές στις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων ιζημάτων κατά την περίοδο του εγκλεισμού υποδεικνύουν πως η βιομηχανική παραγωγή, οι οικονομικές δραστηριότητες και η ποτάμιες μεταφορές εμφανίζονται ως οι κύριο παράγοντες για τη μείωση των ιζημάτων κατά την περίοδο μελέτης. Η προσέγγιση που έγινε με τις υψηλής ανάλυσης δορυφορικές εικόνες δείχνει τη δυνατότητα χρήσης αντίστοιχων μεθόδων για τη μελέτης της ποιότητας των νερών και τη διαχείριση τους.