Ερευνώντας τη δυνατότητα χρήσης radar για τον υπολογισμό του αποθέματος νερού στα έλη
Από RemoteSensing Wiki
Authors: F. Grings, M. Salvia, H. Karszenbaum, P. Ferrazzoli, P. Kandus, P. Perna
Εισαγωγή και καθορισμός του προβλήματος
Στο χαμηλότερο δέλτα του ποταμού Parana στην Αργεντινή, στα έλη βρίσκεται η πιο εκτεταμένη αυτόχθων βλάστηση. Δύο είναι τα κύρια είδη της :η junco (Californicus Shoenoplectus) και η cortadera (giganteus Scirpus), όποιοι καλύπτουν μέχρι και το 45% της περιοχής (περίπου 800 km2). Είναι υπεύθυνα για την ανάσχεση του νερού στους υγροτόπους ένα βασικό φαινόμενο στον έλεγχο των πλημμυρών. Είναι λοιπόν σημαντικό να μετρηθεί και να παρατηρηθεί η αποθηκευτική ικανότητα ενός έλους και ο όγκος νερού που μπορεί να δεχτεί. Τα συστήματα τηλεπισκόπησης με ραντάρ είναι τα μόνα εργαλεία που έχουν τη δυνατότητα να ελέγξουν συστηματικά τη στάθμη του νερού μέσα στα έλη σε περιφερειακή κλίμακα. Αν και γίνεται αποδεκτό ότι μια προσέγγιση τηλεπισκόπησης είναι η μόνη μέθοδος για να ελεγχθεί συστηματικά η στάθμη του νερού, υπάρχει αμφισβήτηση για τους δέκτες και τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται. Το ραντάρ είναι ένα εργαλείο σκιαγράφησης με μια δορυφορική διαδρομή καταγραφής τα 300 χλμ, επομένως, χάνει σημαντικό τμήμα μιας κοίτης. Άρα χρειάζεται πειραματικά δεδομένα για τη βαθμονόμησή του και δεν λειτουργεί καλά σε μικρές μεταβολές της στάθμης του νερού που παράγουν μικρές αλλαγές στην επιφάνεια. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της στάθμης κάτω από τα έλη αποτελείται από τον χαρακτηρισμό των παραμέτρων και την επιτόπια έρευνα, τη χρήση ενός ηλεκτρομαγνητικού μοντέλου για να προσομοιάσει την απόκριση του ραντάρ και ένας συνδυασμός παρατηρήσεων και προσομοιώσεων. Επιπλέον, η ικανότητα του ENVISAT ASAR να υπολογίσει τις διαφορές στη στάθμη ύδατος μέσα στα έλη βασίζεται στην παραγωγή ενός χάρτη του έλους που παρουσιάζει τη χωρική κατανομή των σταθμών νερού κάτω από τη βλάστηση.
SAR στους υγρότοπους
Το όργανο ραντάρ SAR είναι ένα ενεργό ένας δέκτης πάνω σε δορυφόρους που αποκτά τα στοιχεία της γήινης επιφάνειας στην περιοχή μικροκυμάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Στους υγροτόπους ιδιαίτερα είναι σε θέση να δώσει στοιχεία για τη δομή της βλάστησης και τις υδρολογικές συνθήκες. Η παρουσία ή η απουσία του νερού (που έχει πολύ υψηλότερο διηλεκτρική σταθερά από το ξηρό ή υγρό χώμα) στους υγροτόπους μπορεί σημαντικά να αλλάξει το σήμα που ανιχνεύεται από αυτές τις περιοχές ανάλογα με τον κυρίαρχο τύπο βλάστησης, την πυκνότητα και το ύψος του. Έχουν ερευνηθεί τα χαρακτηριστικά του συντελεστή οπισθοσκέδασης σο στις διάφορες συχνότητες και τις πολώσεις για διαφορετικοί τύποι ελών. Το νερό κάτω από τη βλάστηση μπορεί να ανιχνευθεί από μια αύξηση ή μια μείωση του σο: αύξηση σε ελώδη βλάστηση με κάθετο προσανατολισμό και μείωση σε τυχαίο προσανατολισμό. Στην πρώτη περίπτωση, η αύξηση σε HH είναι μεγαλύτερος από αυτή σε VV. Αυτό το έγγραφο εξετάζει μια μεγάλη περιοχή των ελών στην Αργεντινή που παρατηρήθηκε από διαφορετικά συστήματα SAR. RADARSAT- 1 και ERS-2. Δεδομένα ραντάρ, που παρέχονται μέσω του ESA ENVISAT ASAR AO, περιλαμβάνουν απεικονίσεις των ελών του Parana υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες χρησιμοποιώντας πολώσεις HH, VV, HV, και απότομες και γωνίες πρόσπτωσης.
Περιοχή μελέτης: υδρολογία και βλάστηση
Τα δέλτα του ποταμού Parana εκτείνονται 300 χλμ στη λεκάνη του Parana. Καλύπτει περίπου 17 500 km2, κοντά στην πόλη του Μπουένος Άιρες στην Αργεντινή (εικόνα 1).
Η λεκάνη απορροής του φτάνει τα 310 000 km2. Πλημμυρίζει στα τέλη του καλοκαιριού και το χειμώνα. Ο αέρας και η παλίρροια οδηγούν σε συχνές αλλά βραχύχρονες πλημμύρες. Οι κλίσεις του εδάφους και ο τύπος του εδάφους αποτελούν σημαντικούς παράγοντες.
Δεδομένα ραντάρ
Αυτή η εργασία χρησιμοποιεί το ENVISAT ASAR με εναλλασσόμενη πόλωση (AP). Η πόλωση που χρησιμοποιείται είναι HH/VV. Αυτός ο τρόπος μπορεί να αποκτηθεί κάτω από τις διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης. Αφού μετρήθηκαν οι βλαστοί στις απεικονίσεις και μετρήθηκε η στάθμη του νερού θερίστηκε η βλάστηση και ζυγίστηκε. Υπολογίστηκε η βιομάζα του και αφού ξηράνθηκε υπολογίστηκε η ογκομετρική περιεκτικότητά του σε υγρασία.
Νερό κάτω από τη βλάστηση
Ο πίνακας 1 παρουσιάζει δύο περιπτώσεις πώς η απόκριση SAR αλλάζει με τη στάθμη του νερού και με τη βλάστηση των ελών. Η πρώτη γραμμή περιγράφει ένα γεγονός του φαινομένου Ελ Νίνο πριν και μετά την πλημμύρα με εικόνες Radarsat-1 και η δεύτερη δείχνει πώς μπορεί να γίνει διακριτοποίηση βλάστησης με εικόνες ENVISAT ASAR HH/HV και ERS-2 VV
Οι αλλαγές στη στάθμη του νερού δημιουργεί αλλαγές στην απόκριση του ραντάρ και στη junco και στη cortadera. Φαίνεται στην εικόνα 2a και το β. Αυτή η εικόνα συνδυάζει 3 περιβαλλοντικές συνθήκες: με κόκκινο τον Οκτώβριο (άνοιξη και κανονικές στάθμες ύδατος στους ποταμούς), με πράσινο το Νοέμβριο (άνοιξη και μια ισχυρή αύξηση στη στάθμη ύδατος) και μπλε το Μάρτιο (αρχή του φθινοπώρου). Στην πόλωση HH (εικόνα 2b) η απεικόνιση παρουσιάζει σημαντικές διαφορές κατά μήκος της περιοχής υγρότοπου.
Εξαγωγή παρατηρήσεων με χρήση ηλεκτρομαγνητικών μοντέλων. Οι αλλαγές στο σο μπορούν να αφορούν αλλαγές περιβαλλοντικών μεταβλητών όπως η στάθμη του νερού, γεωμετρία του φυτού, η χωρική κατανομή των φυτών, το περιεχόμενο σε νερό. Μπορεί να αφορά λιγότερο την αλατότητα, την επιπλέουσα βλάστηση και την ταχύτητα του ανέμου. Επομένως χρειάζεται ένα μοντέλο που να προσομοιάζει την τιμή του συντελεστή σο και δίνει βαρύτητα σε κάθε μεταβλητή. Στο μοντέλο το χώμα περιγράφεται σαν ομοιογενής χώρος με τραχιά διεπιφάνεια και η βλάστηση σαν ιδιαίτερο σύνολο με απώλειες διηλεκτρικής σταθεράς. Τα κανονικά σχήματα όπως οι δίσκοι και οι κύλινδροι επιλέγονται σαν αναπαράσταση των βλαστών, cortadera και junco αντίστοιχα. Όπως ορίστηκε, ο αλγόριθμος επιλέγει το WL που ταιριάζει καλύτερα για ΗΗ και VV ταυτόχρονα. Τα υπολογισμένα επίπεδα νερού συγκρίνονται με τα μετρημένα. Τα αποτελέσματα φαίνονται στην εικόνα 3.
Στην περίπτωση μη πλημμύρας στη cortadera παρατηρείται συστημικό σφάλμα που οφείλεται στην υποεκτίμηση της ευθείας σκέδασης από τα φύλλα cortadera. Πράγματι η δομή της cortadera προσεγγίζεται μερικώς μόνο από το δίσκο.
Υπολογισμός χωρητικότητας νερού στα έλη
Προκειμένου να υπολογιστεί η δυνατότητα αποθήκευσης νερού στο έλος γίνονται οι εξής παραδοχές: η στάθμη ύδατος μέσα σε μια περιοχή που περιβάλλεται από αναχώματα είναι σταθερή, η βλάστηση είναι παρόμοια σε αυτή την περιοχή, η βλάστηση είναι παρόμοια στις γειτονικές περιοχές, δεν υπάρχει καμία σημαντική παραλλαγή στην επιφάνεια των νησιών. Με τη χρησιμοποίηση αυτών των υποθέσεων, υπολογίστηκαν οι όγκοι νερού μέσα στη junco και στη cortadera (εικόνα 4).
Συμπεράσματα
Η μεγάλη χωρητικότητα νερού είναι ένα πολύ σημαντικό μέγεθος για να καταλάβει την υδροδυναμική συμπεριφορά ενός υγροτόπου. Είναι η βασική παράμετρος στην εκτίμηση ελέγχου των πλημμυρών, και πρέπει να υπολογιστεί και να ελεγχθεί συστηματικά, επειδή αλλάζει με τις εποχές, με τις καθημερινές παλίρροιες και ακόμα και σε πιο μακροχρόνιους κύκλους. Πέραν των μετρήσεων επιτόπου που είναι αρκετά δύσκολες και ανεφάρμοστες ουσιαστικά χρησιμοποιείται το ραντάρ με χρήση του μεγέθους σο. Η προσέγγιση που προτείνεται εδώ είναι σε θέση να υπολογίσει τη στάθμη επίπεδο με ένα γενικό RMS 22 εκατ.
