Εφαρμογές Τηλεπισκόπησης για Αξιολόγηση Ποιότητας Νερού

Από RemoteSensing Wiki

Εφαρμογές Τηλεπισκόπησης για Αξιολόγηση Ποιότητας Νερού

Remote Sensing Techniques to Assess Water Quality

Jerry C. Ritchie, Paul V. Zimba, and James H. Everitt PHOTOGRAMMETRIC ENGINEERING & REMOTE SENSING, June 2003

Abstract

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού και των ποιοτικών παραμέτρων όπως για παράδειγμα αιωρούμενα ιζήματα ή θολερότητα. Οπτικοί και θερμικοί αισθητήρες σε σκάφη, αεροσκάφη και δορυφόρους παρέχουν χωρικά και χρονικά δεδομένα που απαιτούνται για την παρακολούθηση μεταβολών στις ποιοτικές παραμέτρους του νερού που μελετάται. Τα δεδομένα που ανιχνεύονται από απόσταση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την δημιουργία γεωβάσεων δεδομένων με σκοπό να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές διαχείρισης φυσικών πόρων.

Εισαγωγή

Η ποιότητα νερού περιγράφει τις ιδιότητες που χαρακτηρίζουν την υδάτινη μάζα σε όρους φυσικούς, χημικούς, θερμικούς και βιολογικούς. Συναντάται δυσκολία στον καθορισμό ποιότητας νερού, για παράδειγμα οι φυσικοί, χημικοί και βιολογικοί παράμετροι για το πόσιμο νερό διαφέρουν για το νερό που προορίζεται για άρδευση μιας καλλιέργειας. Η ποιότητα του νερού επηρεάζεται από τα σωματίδια που μεταφέρονται στο υδάτινο σύστημα σημειακά ή από εξωτερική πηγή. Επιπλέον, οι ρυπογόνες ουσίες οδηγούν στην επιδείνωση τη ποιότητας των υδάτων γεγονός που κοστίζει δισεκατομμύρια σε ετήσια βάση (1). Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης εξαρτώνται από την ικανότητα μέτρησης των μεταβολών στην φασματική υπογραφή του νερού με τους κύριους παράγοντες που την επηρεάζουν να είναι τα αιωρούμενα ιζήματα, η θολερότητα, ύπαρξη φυκιών, χλωροφύλλης ή χημικών ουσιών.

Η ανάπτυξη των τεχνικών τηλεανίχνευσης για την ποιότητα νερού έχει ξεκινήσει από τις αρχές του 1970. Αυτές οι πρώιμες εφαρμογές μετρούσαν την φασματική και θερμική διαφορά στην επιφάνεια της υδάτινης μάζας (2). Τα ιζήματα που έχουν υποστεί καθίζηση είναι ο πιο κοινός τύπος ρύπου τόσο σε βάρος όσο και σε όγκο στην επιφάνεια των γλυκών υδάτων. Τα ιζήματα αυτά αυξάνουν το ποσοστό ακτινοβολίας που εκπέμπεται στο ορατό και υπέρυθρο κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (3). Στο πεδίο, σε ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, από αέρος και από δορυφόρο μετρήσεις στην ακτινοβολία έχουν δείξει ότι η επιφάνεια της υδάτινης μάζας επηρεάζεται άμεσα από την ύπαρξη και μη καθώς και τον τύπο των ιζημάτων (4). Η παρακολούθηση των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης είναι αναγκαία για την διαχείριση του ευτροφισμού στις λίμνες. Η τηλεπισκόπηση χρησιμοποιείται για την μέτρηση των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης χωρικά και χρονικά (5). Όπως και με τις μετρήσεις των αιωρούμενων ιζημάτων, η ανίχνευση της χλωροφύλλης στην υδάτινη μάζα βασίζεται σε εμπειρικά στοιχεία ακτινοβολίας και ανάκλασης μεταξύ των καναλιών.

Τα υδρόβια μακροφύκη αποτελούν σημαντικά συστατικά ενός υγροτόπου και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παροχή θρεπτικών ουσιών και καταφύγιου για διαφορά ζώα όπως επίσης και στην ρύθμιση την οξύτητας του (6). Τα φυτά αυτά είτε είναι ελεύθερα είτε έχουν ρίζες στον πυθμένα και η ανεξέλεγκτη ανάπτυξη τους μπορεί να φράξει δεξαμενές μειώνοντας έτσι την διαθεσιμότητα του νερού που προορίζεται για ανθρώπινες δραστηριότητες (7).

Η θερμική ρύπανση υπάρχει όταν επηρεάζονται οι βιολογικές δραστηριότητες εξαιτίας την μεταβολής θερμοκρασίας ενός υδάτινου συστήματος εξαιτίας ανθρωπογενών παραγόντων. Πληθώρα δεδομένων από δορυφορικές εικόνες έχουν χρησιμοποιηθεί για να χαρτογραφήσουν την θερμική αποφόρτιση σε ρέματα, λίμνες και παράκτια ύδατα (8).

Η χαρτογράφηση των απόλυτων θερμοκρασιών μέσω της τηλεπισκόπησης παρέχει χωρικά και χρονικά μοτίβα της θερμικής αποφόρτισης, δεδομένα που είναι χρήσιμα για την διαχείριση της θερμικής κυκλοφορίας. Επιπλέον, ποσοτικές εκτιμήσεις της θερμοκρασίας των επιφανειακών υδάτων παρέχουν δεδομένα τα οποία συμβάλλουν στην αποτελεσματικότητα των μοντέλων και των εφαρμογών. Τέλος, οι αισθητήρες που τοποθετούνται πάνω σε αεροσκάφη είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι στις θερμικές μελέτες εξαιτίας του πλεονεκτήματος να ελέγχουν την χρονική στιγμή που συλλέγεται η πληροφορία. Σήμερα υπάρχουν διάφορα μέσα για τον εντοπισμό και την ανίχνευση αλγών, όπως για παράδειγμα το LWCC (9).

Συμπεράσματα

Οι τρέχουσες τεχνολογίες τηλεανίχνευσης έχουν πολλές εφαρμογές στην αξιολόγηση της ποιότητας υδάτινων μαζών όμως η φασματική και χωρική ανάλυση των αισθητήρων που διαθέτουν οι δορυφόροι περιορίζουν την ευρεία εφαρμογή των δεδομένων αυτών. Νέοι δορυφόροι σε συνδυασμό με την τοποθέτηση σύγχρονων αισθητήρων, θα προσφέρουν βελτιωμένη φασματική και χωρική ανάλυση έτσι ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων με σκοπό την καλύτερη και ευκολότερη ερμηνεία δορυφορικών εικόνων. Συνεπώς, η ερευνητική κοινότητα πρέπει να επικεντρωθεί στην κατανόηση των επιπτώσεων ποιότητας νερού στις θερμικές και οπτικές ιδιότητες έτσι ώστε να αναπτυχθούν κατάλληλα μοντέλα και εφαρμογές.

Υπερφασματικά δεδομένα που συλλέγουμε από διαστημικούς δέκτες μας βοηθάνε να κάνουμε διακρίσεις μεταξύ των παραμέτρων ποιότητας νερού και να αναπτύξουμε μια καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φωτός, ύδατος και χημικών στοιχείων. Τα δεδομένα που συλλέγονται από δορυφορικές εικόνες αποτελούν πολύτιμο εργαλείο για την παρακολούθηση και εκτίμηση των υδάτινων ροών. Επιπλέον παρέχουν γεωγραφική πληροφορία που μπορεί να αξιοποιηθεί μελλοντικά για την παρατήρηση διαχρονικών φαινομένων. Τέλος, η χρήση των δεδομένων αυτών δίνει τη δυνατότητα για ορθή καθοδήγηση των αναπτυξιακών σχεδίων με κέντρο την διαχείριση φυσικών πόρων.

Βιβλιογραφία

1) Dekker, A.G., T.J. Malthus, and H.J. Hoogenboom, 1995. The remote sensing of inland water quality, Advances in Remote Sensing (F.M. Danson and S.E. Plummer, editors ), John Wiley and Sons, Chichester, United Kingdom, pp. 123–142.

2) Ritchie, J.C., J.R. McHenry, F.R. Schiebe and R.B. Wilson, 1974. The relationship of reflected solar radiation and the concentration of sediment in the surface water of reservoirs, Remote Sensing of Earth Resources Vol. III (F. Shahrokhi, editor), The University of Tennessee Space Institute, Tullahoma, Tennessee, pp. 57–72.

3) Ritchie, J.C., F.R. Schiebe, and J.R. McHenry, 1976. Remote sensing of suspended sediment in surface water, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 42:1539–1545

4) Novo, E.M.M., J.D. Hansom, and P.J. Curran, 1989. The effect of sediment type on the relationship between reflectance and suspended sediment concentration, International Journal of Remote Sensing, 10(7):1283–1289

5) Carlson, R.E., 1977. A trophic state index for lakes, Limnology and Oceanography, 22:361–369.

6) Mclaughlan, A.J., 1974. Recovery of mud substrate and its associated fauna following a dry phase in a tropical lake, Limnology and Oceanography, 19:74–83.

7) Narumalani, S.J., R. Jensen, J.D. Althausen, S. Burkhalter, and H.E. Mackey, Jr., 1997. Aquatic macrophyte modelling using GIS and logistic multiple regression, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 63:41–49.

8) Stefan, H., and F.R. Schiebe, 1970. Heated discharges from flumes into tanks, Journal of the Sanitary Engineering Division American Society of Civil Engineers, 12:1415–1433.

9) Kirkpatrick, G.J., D.F. Millie, M.A. Moline, and O. Schofield, 2000. Optical discrimination of a phytoplankton species in natural mixed populations, Limnology and Oceanography, 45(2): 467–471.