Εφαρμογές Τηλεπισκόπισης στην Υδρολογία: Υπόγεια Ύδατα
Από RemoteSensing Wiki
Εισαγωγή-Αντικείμενο εφαρμογής
Η παρούσα εργασία αφορά την επιστήμη της υδρολογίας. Πιο συγκεκριμένα η εργασία εστιάζει στην διαχείριση των υπόγειων υδάτων. Τα υπόγεια ύδατα εξορισμού βρίσκονται κάτω από την επιφάνια του εδάφους. Οι περισσότερες τεχνικές της τηλεπισκόπησης, με εξαίρεση τις αεροφωτογραφίες και τα ραντάρ, αδυνατούν να διαπεράσουν το ανώτατο στρώμα. Ωστόσο ο συνδυασμός δορυφορικών εικόνων και αεροφωτογραφιών, με γεωφυσικά δεδομένα αποτελούν πολύτιμα στοιχεία στα πρώτα στάδια της μελέτης και στη μοντελοποίηση των υπόγειων υδάτων.
Στόχος Εργασίας
Στην παρούσα εργασία επιχειρείται μια επισκόπηση της εφαρμογής της τηλεπισκόπησης για την μελέτη των υπογείων υδάτων.
Περιγραφή
Η έρευνα των υπόγειων νερών με φωτογεωλογία (photogeology) ήταν ένας σημαντικός τομέας ενδιαφέροντος στο παρελθόν και εξακολουθεί να βρίσκεται σε περιοχές που καλύπτονται ανεπαρκώς από γεωλογικούς χάρτες. Για να μπορέσουμε να αξιολογήσουμε τις εικόνες με φωτοερμηνεία θα πρέπει να κάνουμε χρήση των εικόνων που περιέχουν την βέλτιστη προβολή των πληροφοριών του εδάφους. Για να επιτευχθεί, αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τεχνικές επεξεργασίας όπως:
- Ιστόγραμμα εργασιών (Histogram operations)
- Φιλτράρισμα (Filtering)
- Σβήσιμο θορύβου(Decorrelation methods)
Απαραίτητη ακόμα είναι η εμπειρία και η εξοικείωση με το έδαφος, έτσι ώστε να γίνει η φωτοερμηνεία.Σε ορισμένες περιπτώσεις οι εικόνες περιέχουν χαρακτηριστικά τα οποία έχουν άμεση σχέση με τις απορρίψεις των υπόγειων υδάτων. Για παράδειγμα, όπως εμφανίζεται στην Εικόνα 1, μία βαλτώδης περιοχή με φρέσκο νερό η οποία βρίσκεται μέσα σε μια λίμνη με αλατούχο νερό. Συγκεκριμένα υπάρχει μία έρευνα η οποία έδειξε ότι η απόρριψη των υπόγειων υδάτων είναι περίπου ίση με την έκταση του βάλτου και αυτό γιατί από εκεί γίνεται η εξατμισοδιαπνοή (Φάση Υδρολογικού κύκλου- το σύνολο του νερού που μετατρέπεται από την υγρά φάση στην αέρια αν υπάρχει στο έδαφος ικανοποιητική υγρασία για την κανονική ανάπτυξη των φυτών).
Επομένως μια αεροφωτογραφία του παρελθόντος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των διακυμάνσεων που είχαν στο παρελθόν οι απορρίψεις, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.
Τέτοιου είδους άμεσες συνδέσεις είναι εξαιρετικές. Σε γενικές γραμμές όμως οι ερμηνείες δίνουν πιο έμμεσες αποδείξεις και όχι καθαρά υδρογεωλογικές πληροφορίες.
Η εμφάνιση των υπόγειων υδάτων είτε πάνω στην επιφάνια είτε κοντά σε αυτή προκαλείτε από την διασταύρωση των τοπογραφικών καταθλίψεων και το στατικό επίπεδο των υπόγειων φρεατίων ή την ζώνη εξόδου του συστήματος ροής των υπόγειων υδάτων. Στην τελευταία περίπτωση ο υδροφόρος ορίζοντας είναι ρηχός και υπάρχει κλίση πίεσης που προκαλεί υπερχείλιση (upwelling) των υπόγειων υδάτων. Για να μπορέσει να γίνει διακριτή αυτή η περίπτωση χρησιμοποιούμε Landsat εικόνα σε band 7 και πολυφασματική σάρωση (Multi-Spectral Scanning- MSS), όπως φαίνεται στην Εικόνα 3a και 3b.
Το συγκεκριμένο παράδειγμα σχετίζεται με προσχωσιγενή περιοχή στο βόρειο τμήμα της Ινδίας η οποία έχει χαμηλό ανάγλυφο κα το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής είναι σε αγρανάπαυση κατά την στιγμή της λήψης. Ως εκ τούτου, υπάρχουν φασματικές αντιθέσεις στις γύρω περιοχές οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλότερη πρόσληψη υπόγειων υδάτων. Οι περιοχές όπου γίνεται το exfiltration (η απώλεια νερού από το αποχετευτικό σύστημα, ως αποτέλεσμα της διήθησης ή της απορρόφησης από το περιβάλλον στο έδαφος. Όταν κατά την εκτέλεση η διαδρομή είναι μακράς εμβέλειας, δημιουργείται μια σταθερή ροή απώλειας και μπορεί να αφαιρείται από το υδρογράφημα εισροής ετσι ώστε να μετρήσουμε αυτές τις απώλειες. Ωστόσο, , η πιο συνηθισμένη (και συνιστώμενη) τεχνική, είναι η εφαρμογή exfiltration είναι σε "λίμνη") είναι λιγότερο προφανείς και πρέπει να ερμηνεύονται από την βλάστηση της περιοχής. Εκεί όπου υπάρχουν λιβάδια μπορεί να υπάρχουν είτε ρηχά στάσιμα ύδατα είτε περιοχές υπερχείλισης και χώροι εκκένωσης. Για να ξεχωρίσουμε αυτά τα δύο Τα τοπικά συστήματα ροής συνήθως προεξέχουν από ένα περιφερειακό σύστημα ροής και το αποτέλεσμα μπορεί να είναι πολύπλοκα σχήματα των περιοχών απόρριψης. Ο BOBBA και άλλοι (1992), προσδιόρισαν τους τομείς σε σχέση με τα ζεστά υπόγεια ύδατα, έτσι ώστε να μπορούν να καταγράφονται από τα αεροσκάφη οι θερμικές εικόνες κατά τη διάρκεια του χειμώνα στο Οντάριο, στον Καναδά, που είτε αφορούν τις ρηχές υδροφόρες περιοχές ή τις απορρίψεις στα βαθύτερα συστήματα ροής. Τα σύνολα των δειγμάτων που προέρχονται από ανατροφοδότηση, μεταβαίνουν και τις περιοχές που σχηματίζεται αντίστοιχη απόρριψη των συμπλεγμάτων σε έναν χώρο χαρακτηριστικό της πολυφασματικής σάρωσης χρησιμοποιώντας τις φασματικές ζώνες 7 και 5.Χρησιμοποιώντας μια απλή γραμμική κατάτμηση των χαρακτηριστικών του χώρου, τα τρία μέρη του συστήματος ροής θα μπορούσαν να χαρτογραφηθούν. Ακόμα μπορεί να βοηθήσει και η ταξινόμηση της βλάστησης που σχετίζονται με το exfiltration των υπόγειων υδάτων και πιο συγκεκριμένα φωτοαναγνωριστικά κλειδιά μπορεί να είναι η πυκνότητα το χρώμα, η ένταση και η φωτεινότητα που μπορεί να αλλάζει όμως από εποχή σε εποχή. Επιπλέον, οι ταξινομήσεις μπορούν να εμφανιστούν σε ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DEM) της στάθμης των υπογείων υδάτων, δεδομένου ότι τα συστήματα ροή οδηγείται από την ποτενσιομετρική επιφάνεια(είναι μια νοητή επιφάνεια που καθορίζει το επίπεδο στο οποίο το νερό σε ένα περιορισμένο υδροφόρο ορίζοντα), ή από ένα DEM από την επιφάνεια του εδάφους με λεπτομέρειες αποστράγγισης, καθώς το επίπεδο των υπόγειων υδάτων ακολουθεί λιγότερο την τοπογραφία. Για υδρολογικές αξιολογήσεις και χαρτογραφήσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως G.I.S.. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται για μοντελοποίηση είναι ένας συνδυασμός G.I.S και τηλεπισκόπισης. Η μέθοδος είναι καλύτερη για αξιολογήσεις γενικότερου τύπου, υπό την προϋπόθεση μιας καλής γεωαναφοράς και μιας καλής βάσης δεδομένων με γεωυδρολογικά δεδομένα.
Αεροφωτογραφίες-Θερμικές εικόνες
Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις που μπορεί να μας βοηθήσουν οι θερμικές εικόνες. 1. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε την ανοδική ροή των υπόγειων υδάτων προς κοιλάδες και ποτάμια. Μόνο με μεγάλη κλίμακα (1:1000 ή 2000) θερμικής απεικόνισης μπορούμε να την ανιχνεύσουμε λόγω της θερμικής αδράνειας των υπόγειων υδάτων σε σχέση με τα κρύα ποτάμια σε ορεινό έδαφος. Οι ισχυρές διαφορές της επιφάνειας των υπόγειων υδάτων και η παρουσία των τεχνιτών αγωγών, συμβάλλουν στην ευκολία της ανίχνευσης, χρησιμοποιώντας διευρύνσεις των αεροφωτογραφιών-θερμικών εικόνων σε κλίμακα 1:2000 στις ορεινές περιοχές. 2. Τα τεράστια αποθέματα των υπόγειων υδάτων σε ορυκτά συνηθίζουν να διαρρέουν εν μέρει στις αποκαλούμενες «ξερές λίμνες» και να εξατμίζονται εκεί. Μόνο με δορυφορικά δεδομένα δεν μπορεί να γίνει ο υπολογισμός της εξάτμισης. Έτσι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε διάφορες απομακρυσμένες πλατφόρμες ανίχνευσης και μετρήσεις στο πεδίο για τον προσδιορισμό της εξάτμισης των ξερών λιμνών σε συνδυασμό με οπτική και θερμική επεξεργασία εικόνων. 3. Το τρίτο πεδίο εφαρμογής είναι η ανίχνευση της διαρροής των υπόγειων υδάτων στην θάλασσα. Βασικές προϋποθέσεις είναι, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ γλυκού και θαλασσινού νερού και να είναι επαρκής η ποσότητα εκροής έτσι ώστε να μην επισκιάζεται η ανάμιξη και να είναι ορατή η διαδρομή τόσο στον βυθό όσο και στην επιφάνεια.
Μελλοντικές εξελίξεις, επαναπροσδιορισμός και διαχείριση των υπόγειων υδάτων με την βοήθεια της τηλεπισκόπισης:
- Έλεγχος του κινδύνου μόλυνσης υπόγειων νερών.
- Έλεγχος του κινδύνου εφαλμύρωσης (εισβολή αλμυρού νερού στα υπόγεια νερά).
- Στην εξέταση καταλληλότητας εδάφους π.χ. για αρδευτικά έργα μικρής κλίμακας, για χτίσιμο οικισμού κ.α..
- Στον χωρισμός σε ζώνες και παρέμβαση στον υδρολογικό κύκλο όπου κρίνεται σκόπιμο.
- Στην μελέτη, με χρήση θερμικής πολυφασματικής απεικόνισης, για να καθοριστεί η επίδραση που έχει η άντληση των υπόγειων υδάτων στην εξάτμιση των καλλιεργειών.
Μέχρι να γίνει κοινή πρακτική, η χρήση της τηλεπισκόπησης σε μελέτες για την ισορροπία των υπόγειων υδάτων, αυτές θα βασίζονται σε φωτοερμηνείες που ακολουθούν την εμπειρική αναγνώριση του εδάφους και των χαρακτηριστικών του εδάφους.
Συμπεράσματα
Λίγα είναι τα φυσικά φαινόμενα που μπορούν να μας βοηθήσουν στην τηλεπισκόπιση που σχετίζονται άμεσα με τις μελέτες των υπόγειων υδάτων και αυτές πάντα σε συνδυασμό με συγκεκριμένες συνθήκες. Κατά συνέπεια έχουν περιορισμένη εφαρμογή μέχρι στιγμής. Η γενική εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στην υδρογεωλογία ήταν, και εξακολουθεί να είναι εξαρτημένη, στον τομέα της φωτοερμηνείας, από τις αλληλεπιδράσεις των φυσικών φαινομένων και του περιβάλλοντος, σε συνδυασμό με το σύστημα ροής των υπόγειων υδάτων. Το ενδιαφέρον των επιστημόνων της υδρολογίας όσον αφορά την τηλεπισκόπηση, είναι η στροφή προς την δυναμικές πτυχές των υδατικών ισοζυγίων και της μόλυνσης, για τις οποίες η κατάλληλη πράξης παρέχεται από το συνδυασμό επεξεργασία εικόνας, GIS και διαδικασίες με αριθμητικά μοντέλα. Το ανώτατο όριο των υπογείων υδάτων, επηρεάζεται έντονα από τα χαρακτηριστικά πάνω και γύρω στην επιφάνεια, τα οποία καταγράφονται σε εικόνες. Υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω ανάπτυξη του απλών και ισχυρών μεθόδων για να μετατρέψουν την ερμηνεία φυσιογραφικές ή γεωμορφολογικές μονάδες με κατανεμημένες παραμέτρους. Μια άλλη πρόκληση είναι μια οικονομικά προσιτή ανάπτυξη, με βάση τη χρήση των δορυφορικών δεδομένων με υψηλή χρονική ακρίβεια για τον επαναπροσδιορισμό και την παρακολούθηση της εμφάνισης των υπόγειων υδάτων.
Βιβλιογραφία
Σταχτέας Χαράλαμπος(1988).Εξατμισοδιαπνοή με έμφαση στο γεωργικό περιβάλλον, Αθ. Σταμούλης.
http://www.hydrocad.net/exfilt.htm
Πηγή:Remote sensing applications to hydrology:groundwater, A. M. J. MEIJER1NK 1996
