Η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στην ανίχνευση οργανικού άνθρακα στο έδαφος

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος Τίτλος: Remote sensing organic carbon in soil

Συγγραφείς: Stephens S. C. (Utah State University), Rasmussen V. P. (Utah State University), Ramsey R. D. (Utah State University), Whitesides E. R. (Utah State University), Searle S. G. (Utah State University), Newhall L. R. (Utah State University)

Πηγή: Utah State University/NASA: Space grant extension program, http://extnasa.usu.edu/link_pages/link_projects_rsc.html

1. Εισαγωγή

Οι γεωργικές δραστηριότητες (φυτοφάρμακα, λιπάσματα) ευθύνονται σε μεγάλο βαθμό για την αύξηση του CO2 στην ατμόσφαιρα και κατ’επέκταση για την αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. Αυτό το γεγονός καταδεικνύει την ανάγκη για υιοθέτηση νέων, πιο ολοκληρωμένων γεωργικών πρακτικών οι οποίες και θα οδηγήσουν στη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, αλλά και θα αυξήσουν την παραγωγικότητα των εδαφών. Προκειμένου να εκτιμηθεί η ποιότητα του εδάφους θα πρέπει να ποσοτικοποιηθεί ο οργανικός άνθρακας (Soil Organic Carbon, SOC) που μπορεί να προσλάβει αυτό. Ιστορικά, η προτιμώμενη μέθοδος μέτρησης του SOC ήταν αυτή της δειγματοληψίας πλέγματος (grid sampling), η οποία είχε μεγάλο κόστος και ήταν μη ακριβής (εφαρμογή γεωστατιστικών, μαθηματικών και γραφικών μοντέλων). Τα προβλήματα αυτά κατάφερε να ξεπεράσει η τηλεπισκοπική μέθοδος, κατά την οποία δεν καταστρέφονταν οι ιδιότητες του εδάφους και ο χαρακτηρισμός της ετερογένειας αυτού ήταν εφικτός. Έρευνες έχουν αποδείξει πως τα εδάφη με επίπεδα SOC>2% έχουν μεγάλη ανακλαστικότητα στο ορατό τμήμα του φάσματος (σκοτεινό χρώμα), ενώ η ανακλαστικότητά τους μειώνεται όσο αυξάνονται τα επίπεδα υγρασίας.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν να ερευνήσει την επίδραση που έχουν η υγρασία και ο οργανικός άνθρακας στην ανακλαστικότητα του εδάφους στο ορατό και στο βραχέων μηκών κύματος υπέρυθρο (SWIR) τμήμα του Η/Μ φάσματος και ταυτόχρονα να προτείνει ένα βελτιωμένο μοντέλο ανίχνευσης της περιεκτικότητας άνθρακα στο έδαφος.

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε δυο φάρμες των ΗΠΑ (η μια αποτελούσε περιοχή ερευνών του πανεπιστημίου Greenville της Utah και η άλλη ήταν ιδιωτική και βρισκόταν στο Arbon Valley του Idaho), στις οποίες τα εδάφη χαρακτηρίζονται από χαμηλά επίπεδα SOC και υψηλές τιμές pH, γεγονός που οφείλεται στην ύπαρξη CaCO3. Οι περιοχές μελέτης απεικονίζονται στις επόμενες δυο εικόνες.

Εικόνα 1: Η περιοχή μελέτης στο North Logan της Utah.

Εικόνα 2: Η περιοχή μελέτης στο Arbon Valley του Idaho.

2. Μεθοδολογία

Για τη διεξαγωγή της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δείγματα εδάφους, όπως επίσης φωτογραφίες από ψηφιακούς και δορυφορικούς δέκτες. Οι φωτογραφίες χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της ανακλαστικότητας του γυμνού εδάφους (χωρίς βλάστηση), ενώ τα δείγματα εδάφους για την εκτίμηση του περιεχομένου άνθρακα (οργανικού και μη) και των επιπέδων υγρασίας. Τέλος, μετρήθηκε και επιγείως η ανακλαστικότητα του εδάφους στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο (350-2500 nm) με τη βοήθεια ενός ASD φασματοραδιόμετρου

Πιο αναλυτικά, η συνολική συγκέντρωση άνθρακα στα δείγματα του εδάφους υπολογίστηκε στο εργαστήριο με έναν LECO CHN αναλυτή, ενώ η συγκέντρωση του οργανικού άνθρακα με οξείδωση διχρωμικού καλίου.

Ακόμα, για τη λήψη εικόνων χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακά και δορυφορικά συστήματα. Στην πρώτη περίπτωση, ένας ψηφιακός δέκτης (Kodak 420i) με χωρική ανάλυση 1m κατέγραψε πολυφασματικά δεδομένα (Πράσινο 0,548-0,552 m, Κόκκινο 662-676 nm και NIR 798-804 nm), ενώ στη δεύτερη χρησιμοποιήθηκαν οι δορυφόροι Quickbird, οποίος διαθέτει χωρική ανάλυση 2,4 - 4,8m και 4 φασματικά κανάλια (450-520nm, 520-600nm, 630-690nm και 760-900nm), και ASTER, ο οποίος διαθέτει τρία διαφορετικά υποσυστήματα φασματικής καταγραφής: το ορατό και εγγύς υπέρυθρο (κανάλια 1-3), το υπέρυθρο βραχέων μηκών κύματος (κανάλια 4-9) και το θερμικό υπέρυθρο (κανάλια 10-14). Οι αποκλίσεις στη θέση και τη γωνία λήψης των δορυφόρων διορθώθηκε με ραδιομετρικές μεθόδους, ενώ οι αεροφωτογραφίες διορθώθηκαν και αυτές ραδιομετρικά με τη βοήθεια ενός φορητού ραδιόμετρου. Ακόμα, με τη βοήθεια του προγράμματος ERDAS Imagine επιτεύχθη η γεωλογική διόρθωση των εικόνων, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε η συσχέτιση μεταξύ των εδαφολογικών δειγμάτων και των φασματικών δεδομένων.

Έτσι, όλα τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από την επεξεργασία των φωτογραφιών και των δειγμάτων εδάφους, χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ενός βελτιωμένου, με καλύτερες παραμέτρους, μοντέλου πρόβλεψης περιεκτικότητας άνθρακα, το οποίο και θα βασίζεται στην φασματική υπογραφή του εδάφους (350-2500nm) και θα συμπεριλαμβάνει την επίδραση της υγρασίας.

3. Αποτελέσματα

Οι επόμενες εικόνες αποτελούν τα γραφήματα ανάλυσης του φασματοραδιόμετρου στα οποία φαίνεται πως καταγράφεται η ανακλαστικότητα των εδαφών στα κανάλια του ορατού και SWIR φάσματος σε σχέση με την κατ’όγκο περιεκτικότητα νερού των εδαφών (εικόνα 3) και την περιεκτικότητα οργανικού άνθρακα (SOC%) (εικόνα 4). Από τα γραφήματα είναι εμφανές πως η υψηλή περιεκτικότητα οργανικού άνθρακα και νερού μειώνει την ανακλαστικότητα. Στην εικόνα 3 φαίνεται πως το νερό επιδρά περισσότερο διαφορικά στο SWIR φάσμα σε σχέση με το οπτικό φάσμα και πως η αύξηση του νερού υπερισχύει όλων των άλλων στοιχείων απορρόφησης σε όλο το τμήμα του φάσματος. Στην εικόνα 4 φαίνεται πως η περιεκτικότητα του SOC μειώνει την ανακλαστικότητα του εδάφους σχεδόν ομοιόμορφα σε όλο το φάσμα των μηκών κύματος και πως η αύξηση του SOC% στην περιοχή των 2250nm φαίνεται να επιδρά αυξητικά στην απορρόφηση του εδάφους.

Εικόνα 3: Ανακλαστικότητα του εδάφους στα κανάλια του ορατού και SWIR φάσματος σε σχέση με την κατ’όγκο περιεκτικότητα νερού του εδάφους.

Εικόνα 4: Ανακλαστικότητα του εδάφους στα κανάλια του ορατού και SWIR φάσματος σε σχέση με την περιεκτικότητα οργανικού άνθρακα (SOC%).

Στην εικόνα 5 είναι πια ξεκάθαρη η ομαλότητα της ανακλαστικότητας του εδάφους στο κανάλι 6 του ASTER, σε σχέση με αυτή του καναλιού 5. Αυτή η ομαλότητα είναι και η βάση του προτεινόμενου μοντέλου με το νέο διαφορικό περιεχόμενο άνθρακα (Carbon Difference Index, CDI): CDI = 2220nm - 2270nm

Όπως δείχνει και η εικόνα 6, ο συντελεστής συσχέτισης με το νέο CDI και τις μετρούμενες τιμές του οργανικού άνθρακα στα συλλεχθέντα δείγματα είναι R2 = 0,7221.

Εικόνα 5: Μεγέθυνση του γραφήματος ανακλαστικότητας του εδάφους σε σχέση με την περιεκτικότητα οργανικού άνθρακα (SOC%). Στα κανάλια 5 και 6 αναδεικνύεται η αύξηση της ανακλαστικότητας με την αύξηση του SOC%.

Εικόνα 6: Ο συντελεστής συσχέτισης σύμφωνα με το προτεινόμενο μοντέλο.

4. Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν πως η περιεκτικότητα του οργανικού άνθρακα μπορεί να υπολογιστεί με τη μελέτη της ανακλαστικότητας του εδάφους στο SWRI τμήμα του Η/Μ φάσματος, παρακάμπτοντας έτσι τη σύγχυση που προκαλείται στο ορατό φάσμα η μεταβλητότητα της υγρασίας και τα χαμηλά επίπεδα SOC. Αναλύοντας τα φασματικά γραφήματα της ανακλαστικότητας με τον δορυφόρο ASTER, ένα βελτιωμένο μοντέλο διαφορικού περιεχομένου άνθρακα είναι CDI = Band6 – Band7.