Η συμβολή της τηλεπισκόπησης στην μελέτη των ποτάμιων οικοσυστημάτων
Από RemoteSensing Wiki
Mertes, 2002. Remote sensing of riverine landscapes. Freshwater Biology (2002) 47, 799–816
Εισαγωγή
Οι πρώτες μελέτες που με τη χρήση δορυφορικών / τηλεπισκοπικών εικόνων αναλύθηκαν οι χρονικές μεταβολές των υδρολογικών ιδιοτήτων των ποταμών βασίζονταν στη φωτογραμμετρία αεροφωτογραφιών. Συνηθέστερα αξιοποιούνται τα Κανάλια του ορατού (400-700mm), του εγγύς και του μέσου υπέρυθρου (700-3000mm), του θερμικού υπέρυθρου (3000-15000mm) και των μικροκυμάτων (είτε από παθητικούς είτε από ενεργητικούς δέκτες). Με την εξέλιξη της τεχνολογίας η καταγραφή ακόμα και μικρής διάρκιεας συμβάντων γίνεται με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια. Σε πολλές περιπτώσεις, μάλιστα, η βαθμονόμηση των αερομεταφερόμενων αισθητήρων γίνεται αυτόματα και εν πτήσει. Στην παρούσα δημοσίευση, οι σημαντικές εξελίξεις στη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων στην παρακολούθηση των παραποτάμιων οικοσυστημάτων παρουσιάζονται μέσω παραδειγμάτων για το εύρος της κλίμακας εφαρμογής της τεχνολογίας αυτής, των μετρήσεων που μπορούν να γίνουν και, κυρίως, για την χαρτογράφηση ετερογενών οικοστημάτων.
Μελέτες Περιπτώσεων
Στην Εικόνα 1 παρουσιάζονται 3 περιπτώσεις ανάλυσης τηλεπισκοπικών εικόνων. Στην Εικόνα 1a παρουσιάζεται το μωσαϊκό εικόνων Landsat με το οποίο αποτυπώνεται η πλημμυροπεδιάδα του ποταμού Mackenzie στο νότιο Καναδά. Στην Εικόνα 1b παρουσιάζεται η λεκάνη απορροής του ποταμού Ventura (νότια Καλιφόρνια) έπειτα από την επεξεργασία των εικόνων με λογισμικό GIS. Με την κατασκευή του ψηφιακού μοντέλου εδάφους της περιοχής γίνεται περισσότερο αντιληπτό το έντονο ανάγλυφο και οι απότομες κλίσεις της παράκτιας ζώνης. Είναι φανερό ότι ακόμα και μία απλή επεξεργασία «συναρμολογούμενων» εικόνων δίνει σημαντικές πληροφορίες με σαφή τρόπο και, μάλιστα, για πολύ μεγάλης κλίμακας περιοχές, όταν παλαιότερα η συνήθης πρακτική για τη χαρτογράφηση του υποστρώματος των ποταμών ήταν η χρήση μπαλονιών με ήλιο στα οποίο τοποθετούνταν κάμερες για τη λήψη των εικόνων. Στην Εικόνα 1c απεικονίζονται τα αποτελέσματα της ταξινόμησης των ενδιαιτημάτων της πλημμυροπεδιάδας του ποταμού Altamaha (νοτιοανατολικά των ΗΠΑ). Εδώ φαίνονται οι κατηγορίες βλάστησης στις οποίες αντιστοιχούνται διάφορα χρώματα, αλλά και το ποιες περιοχές πλημμυρίζονται και ποιες όχι. Τα δεδομένα προήλθαν από εικόνες χωρικής διακριτικής ικανότητας 12m του αισθητήρα AIRSAR.
Εύρος εφαρμογών
Η χαρτογράφηση της τοπογραφίας χρησιμοποιώντας LIDAR, αν και η σάρωση τυπικά περιορίζεται σε μία μόνο διαδρομή για τη συλλογή των δεδομένων, παρέχει πληροφορίες για το ύψος με δυνατότητα ανάλυσης έως 10cm. Οι δυσκολίες που παρουσιάζονται με την τεχνική αυτή είναι το κόστος του αεροσκάφους που απαιτείται και ο χρόνος που απαιτείται για την επεξεργασία των δεδομένων. Η ακρίβεια των δεδομένων αυτών εξαρτάται από το ύψος και την πυκνότητα της βλάστησης. Η εξέλιξη των αισθητήρων αυτών συμβάλλει στη χαρτογράφηση με μεγαλύτερη ευκρίνεια από εκείνη που μπορούν να προσφέρουν οι εικόνες Landsat, SPOT ή ERS. Ωστόσο, οι κατηγορίες που ταξινομούνται από τις εικόνες δεν μπορούν πάντα να αντιστοιχηθούν στις πραγματικές κατηγορίες κάλυψης γης. Από τα σημαντικότερα ζητήματα της ποτάμιας οικολογίας αποτελεί η παρακολούθηση της συμβολής των παραποτάμων με τους ποταμούς. Η διαδικασία μιας τέτοιας προσπάθειας φαίνεται στην εικόνα 2 για το δέλτα του ποταμού Mackenzie για το καλοκαίρι του 1986 (Εικόνα 2.a.i και 2.a.ii) με τη χρήση εικόνων Landsat. Μπορούν, όμως, να χαρτογραφηθούν μόνο κλάδοι του ποταμού με πλάτος μεγαλύτερο από 60m (μέγεθος 2 pixel). Προκειμένου να χαρτογραφηθούν και μικρότερου πλάτους κλάδοι σχεδιάστηκαν περιπλοκότερα φίλτρα για τη μίξη μεταξύ των φασματικών δεδομένων νερού και βλάστησης, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2b ως 2e όπου απεικονίζονται οι κλάδοι διαφόρων μεγεθών. Πλέον ανάλογες διαδικασίες ακολουθούνται σε δεδομένα radar, καθώς με αυτά χαρτογραφείται και η καλυπτόμενη από τη φυτοκόμη των δέντρων επιφάνεια νερού.
Μετρήσεις των ιδιοτήτων των ποταμών
Η βασικότερη παράμετρος στη μελέτη ενός ποταμού είναι το βάθος ροής. Παρόλα αυτά η εκτίμηση του βάθους ενός ποταμού από δορυφορικές εικόνες συνοδεύεται συχνά από σφάλματα, στις προκύπτουσες τιμές, που σχετίζονται με τη γεωμετρία της τροχιάς του δορυφόρου, το μοντέλο του γεωειδούς και του ελλειψοειδούς που εφαρμόζεται και την ακρίβεια των οργάνων που χρησιμοποιούνται. Η παρεμβολομετρία των radar επιτρέπει τη μέτρηση των μεταβολών στο βάθος ροής σε κλίμακα εκατοστών, για παράδειγμα. Από τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα αποτελούν οι πλευρικές εικόνες radar (side-looking radar – SLAR), που λήφθηκαν για την χαρτογράφηση για πρώτη φορά της λεκάνης απορροής του Αμαζονίου. Τα πλημμυρικά πεδία των ποταμών συνηθέστερα αποτυπώνονται με οπτικά δεδομένα από ενεργητικούς δέκτες radar (όπως και στην περίπτωση του ποταμού Altamaha, Εικόνα 1c) ή παθητικούς δέκτες μικροκυμάτων. Οι πληροφορίες που αφορούν στην ύπαρξη ή μη λιμναζόντων υδάτων πριν από την εμφάνιση πλημμυρικών γεγονότων είναι πολύ χρήσιμες για την κατανόηση του κύκλου της πλημμύρας. Σε πολλές μελέτες, έχουν συνδυαστεί τηλεπισκοπικά δεδομένα και υδρολογικά μοντέλα. Στην Εικόνα 3a απεικονίζεται η χωρική κατανομή της θερμοκρασίας των υδάτων που ποταμού Umatilla (Όρεγκον, ΗΠΑ) από δεδομένα του αερομεταφερόμενου δέκτη FLIR (πάνω εικόνα). Με τον τρόπο αυτό μπορεί να αναγνωριστεί το σημείο όπου πιθανά εισρέουν στον ποταμό υπόγεια ύδατα (μπλε χρώμα). Η θερμοκρασία αποτελεί πολύ σημαντικό, ανασταλτικό παράγοντα για την παρακολούθηση της καλής οικολογίας του ποταμού. Μία ακόμα παράμετρος σχετική με την οικολογία του ποταμού είναι και η θολότητα. Στην Εικόνα 3b παρουσιάζονται οι επεξεργασμένες εικόνες του ποταμού Μισισίπι για την χωρική κατανομή της θολότητας, δηλαδή της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών σε mg/l, κατά την πλημμύρα του 1993. Στις περισσότερες από τις μεθοδολογίες η βαθμονόμηση των μοντέλων γίνεται με μετρήσεις πεδίου, κάτι που τις καθιστά δυσκολότερες στην εφαρμογή τους σε δυσπρόσιτες περιοχές. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί εφαρμογές που συνδυάζουν τα τηλεπισκοπικά δεδομένα με εργαστηριακές αναλύσεις για την εκτίμηση της θολότητας των ποταμών. επιπλέον, τα τηλεπισκοπικά δεδομένα δύναται να συνδυαστούν με τη μοντέλα εκτίμησης της ποιότητας υδάτων.
Η χρήση τηλεπισκοπικών εικόνων διευκολύνει κατά πολύ την αναγνώριση επαναλαμβανόμενων μοτίβων, ενώ η δημοφιλέστερη μέθοδος επεξεργασίας είναι αυτή της ημιμεταβλητότητας. Στην Εικόνα 3c φαίνεται ο γεωμορφολογικός χάρτης πλημμυρικού πεδίου σε περιοχή της νότιας Ισλανδίας. Οι αποθέσεις φερτών υλικών από τις διάφορες κατά καιρούς πλημμύρες έχουν δημιουργήσει τις συγκεκριμένες γεωμορφές. Ο χάρτης προέκυψε από συνδυασμό ψηφιακού μοντέλου εδάφους από δεδομένα radar με εικόνες ERS. Σκοπός ήταν να εξεταστεί η επίδραση των πλημμύρων του Νοεμβρίου του 1996 στην απόθεση φερτών υλικών και στη διάβρωση της περιοχής.
Συμπεράσματα
Η εξέλιξη των μεθοδολογιών που περιλαμβάνουν τη χρήση τηλεπισκομικών δεδομένων για τη εκτίμηση των μεταβολών του τοπίου ενός πλημμυρικού πεδίου, της ετερογένειας των οικοσυστημάτων και των ιδιοτήτων των ποτάμιων υδάτων είναι αδιαμφισβήτητη και η χρησιμότητα των εφαρμογών αυτών πολύτιμη ιδίως σε μεγαλύτερες περιοχές μελέτης.
