Εύρεση της εδαφικής υγρασίας με την τηλεπισκόπηση: Κατάσταση της επιστήμης

Από RemoteSensing Wiki

Εύρεση της εδαφικής υγρασίας με την τηλεπισκόπηση: Κατάσταση της επιστήμης

Πρωτότυπος τίτλος: Soil Moisture Remote Sensing:State-of-the-Science

Συγγραφείς: Binayak P. Mohanty, Michael H. Cosh, Venkat Lakshmi and Carsten Montzka

Πηγή: http://vadosezone.tamu.edu/files/2017/01/2017-1.pdf

Περίληψη:

Το άρθρο αυτό αποτελεί μια εξέλιξη του τομέα « Τηλεπισκόπηση και υδρολογία της ακόρεστης ζώνης». Οι δορυφόροι που χρησιμοποιούν παθητικές τεχνικές μικροκυμάτων στο κανάλι L-band φαίνεται πως είναι ικανοί για την παγκόσμια χαρτογράφηση της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας (5εκ εδάφους) χωρικής ανάλυσης 25 με 40 km και χρονικής 2-3 ημερών. Οι μετρήσεις στο κανάλι C- και X- band χρονολογούνται πίσω στο 1978, πράγμα που κάνει τα δεδομένα ανεκτίμητης αξίας για κλιματικές μελέτες. Η επιφανειακή εδαφική υγρασία αναπτύσσεται κυρίως γύρω από το ριζόστρωμα (1μέτρο) και χρησιμοποιούνται διαδικαστικά μοντέλα και προσομοιώσεις δεδομένων. Η αξιολόγηση και η εγκυρότητα των τηλεπισκοπικών δεδομένων χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα μέσω βασικών ιστοτόπων παρακολούθησης, δίκτυα περιορισμένης παρακολούθησης, τακτικές επισκέψεις στους χώρους μελέτης- αγρό, καθώς και πολύ-δορυφορικές μελέτες σύγκρισης. Για να γίνει εφικτή η προσαρμογή των εμπειρικών μεθόδων και παρατηρήσεων στη τηλεπισκόπηση πρέπει να δημιουργηθούν βελτιωμένοι αλγόριθμοι ανάκτησης σε διάφορες αναλύσεις. Κάποιες προσπάθειες είναι σε εξέλιξη για τη συσχέτιση της δυναμικής της εδαφικής υγρασίας με τη συμμετοχή της εδαφικής επιφανειακής στρώσης πλούσια σε ενεργειακά και υδατικά αποθέματα. Παρακάτω, περιγράφονται επιστημονικές μέθοδοι και τεχνολογικά ευρήματα για τη μελέτη της εδαφικής υγρασίας μέσω τηλεπισκόπησης. Αναμένεται, πως η χρήση της τηλεπισκόπησης για την πρόβλεψη της εδαφικής υγρασίας θα εφαρμοστεί στις ακόρεστες περιοχές τις επόμενες δεκαετίες.

Εισαγωγή:

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες η τηλεπισκόπηση με μικροκύματα έχει δώσει πολύ καλά αποτελέσματα και δεδομένα σχετικά με τις διηλεκτρικές ικανότητες του εδάφους και για την εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας. Χαμηλών συχνοτήτων κανάλια X-, C- και L-band χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί η κάλυψη των εδαφών από βλάστηση. Διάφοροι δορυφόροι με συχνότητες του L-band εκτοξεύθηκαν για την εκτίμηση της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας όλου του πλανήτη. Τα πρώτα ραδίομετρα που έδωσαν αξιόλογα αποτελέσματα ήταν τα SMAP (Soil Moisture Active Passive) και SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Τα δεδομένα από τα παραπάνω έπρεπε για επικυρωθούν σύμφωνα με κανονισμούς προκειμένου να εξαλειφθούν κάποιες αβεβαιότητες ή λάθη κατά τη λήψη των δεδομένων για όλο την υφήλιο. Από τα δεδομένα των SMAP και SMOS υπάρχουν κάποιες διαφορές σε σχέση με αυτά που μετρήθηκαν σε περιοχές με πολύ πυκνή βλάστηση και στις αρκτικές περιοχές λόγω του αλγορίθμου ανάκτησης. Για την καλύτερη χωρική ανάλυση προτείνεται η αξιοποίηση δεδομένων των δορυφόρων ALOS-2 PALSAR ή Sentinel-1. Το πρώτο κρίνεται εν μέρει ακατάλληλο καθώς η περίοδος επαναφοράς είναι 14 ημέρες, όμως είναι αξιόπιστο στη δημιουργία χωρικών μοτίβων. Το δεύτερο Sentinel-1, σε γενικές γραμμές, κρίνεται κατάλληλο για χώρο-χρονική ανάλυση. Στο μέλλον θα γίνουν και άλλες προσπάθειες και αποστολές (δορυφόρων) για ακόμη καλύτερη και βελτιστοποιημένη χωρική ανάλυση, προκειμένου να ανακτηθούν δορυφορικά-τηλεπισκοπικά δεδομένα για την εδαφική υγρασία. Πολλές από τις ήδη υπάρχουσες και τις ανερχόμενες αποστολές μπορούν να προσαρμοστούν αποκλειστικά στην μελέτη της εδαφικής υγρασίας και παρουσιάζονται στο πίνακα 1.

Υποστηρικτικά δίκτυα πεδίου για την επικύρωση δεδομένων εδαφικής υγρασίας από δορυφόρους:

Καθώς η ανάπτυξη και η εξάπλωση της χρήσης της τηλεπισκόπησης στη μελέτη της Γης αυξάνεται συνεχώς τόσο περισσότερο εξελίσσονται οι μέθοδοι και μετρητικές τεχνικές της εδαφικής υγρασίας. Επιστήμονες έδειξαν ότι αισθητήρες νετρονίων κοσμικής ακτινοβολίας (cosmic ray neutron probes (CRNPs) ) σε συνδυασμό με τον κώδικα αλληλεπίδρασης κοσμικής ακτινοβολίας με την εδαφική υγρασία (Cosmic-ray Soil Moisture Interaction Code (COSMIC)) αλλά και το παγκόσμιο σύστημα πλοήγησης ανακλαστικότητας είναι πολλά υποσχόμενο για τις μελέτες εδαφικής υγρασίας. Επίσης, αναπτύσσονται και νέες εξελιγμένες εργαστηριακές μέθοδοι (in situ) για τον υπολογισμό της υγρασίας του εδάφους. Πολλές μέθοδοι, όπως ποικίλα αραιά δίκτυα υγρασίας χρησιμοποιούνται για την σύγκριση και την αξιολόγηση των δεδομένων τηλεπισκόπησης. Η πρώτη αξιολόγηση τέτοιων δεδομενων μεγάλης χρονικής κλίμακας επιτεύχθηκε με την εκτόξευση του SMAP. Το πρώτο πρόγραμμα αξιολόγησης των δεδομένων αυτό ήταν το Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) και κατάφερε σύμφωνα με τα δεδομένα που έλαβα να κατασκευάσει ένα τοπίο προς αξιολόγηση. Κάποιοι δορυφόροι, έχουν ήδη ενσωματωμένα τα αντίστοιχα προγράμματα αξιολόγησης. Το SMAP σύγκρινε απευθείας τα δεδομένα του με αυτά από μετρήσεις in situ και προκειμένου να εκτιμηθούν τα σφάλματα παράγονταν για ένα σημείο συλλέγονταν πολλά σημεία δεδομένων ώστε να αποδοθεί η στατιστική εμπιστοσύνη. Πολλές αποστολές που βρίσκονται σε εξέλιξη ή πρόκειται να πραγματοποιηθούν θα επωφεληθούν από την εξέλιξη των δεδομένων in situ που έγινε μέσω του SMAP. Μέσα στο χρόνο δημιουργήθηκαν και εξελίχθηκαν πολλά δίκτυα λεκανών απορροής και τα δορυφορικά δεδομένα ξεκίνησαν να αξιολογούνται από διάφορες in situ μετρήσεις εδαφικής υγρασίας. Η εικόνα 1 που ακολουθεί παρουσιάζει τη μερική λίστα από τα in situ δεδομένα που επιλέγονται παγκοσμίως για την αξιολόγηση. Μια πρώτη σύγκριση έγινε με το SMAP L3 και το μοντέλο in situ TERENO το οποίο βασίζεται στην κοσμική ακτινοβολία. Η σύγκριση πραγματοποιήθηκε στην Γερμανία και η απεικονίζεται στο ακόλουθο διάγραμμα.

Ανάκτηση δεδομένων για την εδαφική υγρασία από δορυφόρους και η επικύρωση και διαφορετικά υδροκλίματα:

Πέρα από τα τυπικά μοντέλα εδάφους και τα δορυφορικά, μοντέλα ανίχνευσης και εύρεσης της εδαφικής υγρασίας μπορούν να βασίζονται και στην κλιματολογία και σε ατμοσφαιρικά δεδομένα σε συνδυασμό με την εφαρμογή στατιστικών μεθόδων. Η χρήση στατιστικής και βελτιωμένων μεθόδων επικύρωσης των δεδομένων παρατηρήθηκαν διαφορές σε υδροκλίματα, και γενικής κλίμακας διαφορές. Για να κατανοηθούν αυτά, πρέπει πρώτα να κατανοηθεί η επιρροή και η ευαισθησία φυσικών παραγόντων σε αυτά. Κάποια μοντέλα, ύστερα από μελέτη φάνηκαν ανίκανα να υποστηρίξουν τέτοιες ανομοιότητες στο χώρο και έτσι ανακαλύφθηκαν φωτοευαισθησίες φυτών καθώς και του υγρού εδάφους κατά την εφαρμογή της τηλεπισκόπησης. Τα φυτά τις περισσότερες φορές εμφανίζονται με τα πιο φωτεινά εικονοστοιχεία. Από αυτές τις μελέτες, τελικά βρέθηκαν οι περιορισμοί για την ανάκτηση των δεδομένων και την επιτυχία των μετρήσεων αλλά και οι τρόποι με τους οποίους μπορούν να πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις, και κυρίως έμμεσα μέσα από τη βλάστηση.

Εδαφική υγρασία και ριζόστρωμα:

Η συγκέντρωση του νερού-υγρασίας εδάφους στο ριζόστρωμα αποτελεί το κλειδί για την κατανόηση του συστήματος αυτού και της δυναμικής του. Σύμφωνα με τη χρήση μοντέλων και της ανάλυσης της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας κατασκευάστηκαν δομές και βάσεις για την υγρασία του ριζοστρώματος και αυτά εξελίσσοταν μαζί με τις μεθόδους που επιλόγονταν.

Τηλεπισκόπηση και εδαφική υγρασία- μεταβλητότητα και έλεγχοι:

Η τοπογραφία, γεωμορφολογία και το κλίμα μιας περιοχής οδήγησαν την καταγραφή τηλεπισκοπικών δεδομένων να αυξήσει την κλίμακα και τα μεγέθη των περιοχών μελέτης. Έτσι, από την λήψη μετρήσεων έως την ενσωμάτωση τους στα προγράμματα και τις εφαρμογές δημιουργούνται κενά που πρέπει να καλυφθούν. Για το λόγο αυτό και μειώνονται σε έκταση έπειτα, προκειμένου να προσαρμοστούν. Πρέπει να ληφθεί υπόψη πως η υγρασία γύρω από τη ρίζα του φυτού εξαρτάται από την απορροή, τις εδαφικές ιδιότητες, την κλίση του εδάφους κλπ. Για να καλυφθούν λοιπόν όλα τα παραπάνω, έπρεπε να δημιουργηθούν νέα εργαλεία που θα συμπεριλάμβανα υπόψη όλες αυτές τις φυσικές παραμέτρους. Για να ανακτηθούν τέτοια δεδομένα εξελίχθηκαν μοντέλα που ανέλυαν δεδομένα του αέρα μέσω της τηλεπισκόπησης και παρατήρησαν την σχέση της εδαφικής υγρασίας με το μικροκλίμα (Εικόνα 3). Η επιθυμία και η ανάγκη της χρήσης των τηλεπισκοπικών δεδομένων σε επίγεια μοντέλα κατάφερε να μετατρέψει τα μεγαλύτερης κλίμακας δορυφορικά δεδομένα με αλγόριθμους σε μεγέθη διαχειρίσιμα. Με τον τρόπο αυτό μελετάται καλύτερα η εδαφική υγρασία και οι φυσικοί παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται (NDVI, κατάσταση ακόρεστης ζώνης κλπ). Η μετατροπή αυτή φαίνεται στην εικόνα 4.

Προοπτικές:

Παρ’ όλο που υπάρχουν αβεβαιότητες και δυσκολίες στην εύρεση και την αξιολόγηση των δεδομένων η τηλεπισκόπηση είναι πολλά υποσχόμενη για το μέλλον. Η εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας μέσω των μικροκυμάτων και από δορυφόρους μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς όπως η γεωργία και η διαχείριση υδατικών πόρων, η μετεωρολογία κλπ. Είναι γεγονός πως τα δορυφορικά δεδομένα αποτελούν μια συνεχή πηγή δεδομένων και έχουν πολλά πλεονεκτήματα, οι επιστήμονες καλούνται να επιλύσουν προβλήματα όπως αυτό των διαφορετικών μεγεθών που αναφέρθηκε, προσομοίωσης κλπ.