Η συνάφεια της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση και Υδρολογική Μοντελοποίηση
Από RemoteSensing Wiki
Η συνάφεια της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση και Υδρολογική Μοντελοποίηση.
Πρότυπος τίτλος : The Relevance of Soil Moisture by Remote Sensing and Hydrological Modelling
Συγγραφείς: Lu Zhuo, Dawei Han
Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705816318884 | Science Direcct
Εισαγωγή:
Η εύρεση της εδαφικής υγρασίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για πολλές επιστήμες όπως η γεωπονία, η μετεωρολογία, οι κλιματικές έρευνες αλλά και για τις προβλέψεις πιθανών φυσικών καταστροφών. Η ανάπτυξη των υδρολογικών μοντέλων εξελίσσεται συνεχώς. Δεδομένου ότι τα υδρολογικά μοντέλα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στην αλλαγή κατάστασης της υγρασίας του εδάφους, μια ακριβής μέτρηση της υγρασίας του εδάφους σε μια λεκάνη απορροής θα πρέπει να ενισχύσει την απόδοση πρόβλεψης μέσω της διόρθωσης της τροχιάς του μοντέλου. Σύγχρονοι δορυφόροι τηλεπισκόπησης ανιχνεύουν και δίνουν μετρήσεις εδαφικής υγρασίας σε μεγάλη κλίμακα. Υπάρχουν όμως και δεδομένα εδαφικής υγρασίας που βαθμονομούνται με βάση τα πειραματικά δεδομένα, και έτσι δεν υπάρχει άμεση συσχέτιση με τα υδρολογικά μοντέλα. Τέλος, με όλα τα δορυφορικά μέσα διαφόρων τροχιών επιτυγχάνεται η μέτρηση της επιφανειακής εδαφικής υγρασίας. Αντίθετα, λειτουργικά υδρολογικά μοντέλα (συνήθως τα εννοιολογικά υδρολογικά μοντέλα) θεωρούν πολύ πως το μεγαλύτερο βάθος της εδαφικής επιφάνειας είναι μέχρι 2 m, το οποίο επίσης ποικίλλει σε μια λεκάνη απορροής.
Μέθοδοι μέτρησης εδαφικής υγρασίας:
Η πρώτη μέθοδος είναι η πειραματική – in situ. Σε αυτή τη μέθοδο υπάρχουν τρεις διαφορετικές κατηγορίες, η μέτρηση κατευθείαν από το έδαφος, η βαρυμετρική μέθοδος, , η μέτρηση με αισθητήρα νετρονίων, η οποία μέθοδος είναι η πρώτη σημαντική τεχνολογική πρόοδος στη σύγχρονη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους και τέλος η μέτρηση με αισθητήρες (TDR) που δίνουν και τα καλύτερα αποτελέσματα. Η δεύτερη μέθοδος είναι με τη χρήση τηλεπισκόπησης. Σε σύγκριση με τις επιτόπιες μεθόδους, η τηλεπισκόπηση παρέχει παρατηρήσεις για την υγρασία του εδάφους παγκοσμίως και σε μεγαλύτερες κλίμακες, επομένως είναι καταλληλότερη για υδρολογικές χρήσεις. Μελέτες έδειξαν πως η επιφανειακή εδαφική υγρασία (~ 5 cm) μπορεί να μετρηθεί με πολλές τεχνικές τηλεανίχνευσης, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών, θερμικών υπερύθρων και μικροκυμάτων. Οι οπτικοί δορυφόροι μετρούν την ανακλώμενη ακτινοβολία του Ήλιου από την επιφάνεια της Γης, γνωστή ως η ανακλαστικότητα και πρέπει να τονιστεί πως αν και υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός οπτικών οι αισθητήρες που λειτουργούν σήμερα σε τροχιά, η χρήση και εφαρμογή τους για την εδαφική υγρασία είναι ελάχιστη. Οι θερμικοί υπέρυθροι δορυφόροι μετρούν τη θερμοκρασία της γήινης ακτινοβολίας, η οποία σχετίζεται με την υγρασία του εδάφους. Πολλές μελέτες έχουν διεξαχθεί για την αξιολόγηση της μεθόδου αυτής και πολλές επιλέγουν την τεχνική της θερμικής αδράνειας. Η βασική θεωρία της εκτίμησης της εδαφικής υγρασίας με μικροκύματα βασίζεται στη μεγάλη αντίθεση των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του νερού (~ 80) και του ξηρού εδάφους (<5). Και για τους δύο τύπους αισθητήρων ενεργοί και παθητικοί, η αποτελεσματικότητα της μέτρησης σχετίζεται με το μήκος κύματος, όπου μεγαλύτερα μήκη κύματος (> 10 cm) διεισδύσουν βαθύτερα στο έδαφος και έχουν μεγαλύτερη δυνατότητα να περάσουν από το σύννεφο και κάποιο κάλυμμα βλάστησης (Συνήθως επιλέγεται ο δορυφόρος SMOS satellite με μήκος κύματος το L-band (21 cm)). Τέλος, συγκριτικά, οι ζώνες μικροκυμάτων έχουν περισσότερα πλεονεκτήματα στην εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας από άλλες φασματικές ζώνες. Όπως προαναφέρθηκε, οι τεχνικές δορυφορικής τηλεπισκόπησης αποτελούν σημαντικό εργαλείο για την ανάκτηση πληροφοριών σχετικά με την υγρασία του εδάφους μεγάλης κλίμακας και είναι σε θέση να παρέχουν δεδομένα και παρατηρήσεις για την υγρασία του εδάφους παγκοσμίως. Αναλυτικότερα, τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τοαισθητήρες μικροκυμάτων, ενεργού και παθητικού τύπου, έχουν χρησιμοποιηθεί για την παροχή λεπτομερούς μεταβλητότητας της εδαφικής υγρασίας τα τελευταία χρόνια. Με τους σύγχρονους δορυφόρους μικροκυμάτων όπως το AMSR-E (από 6,9 έως 89,0 GHz, [31]) το οποίο λειτούργησε στο δορυφόρο AQUA μεταξύ 2002 και 2011, το SMOS (1,4 GHz) που ξεκίνησε το 2009 [29] και το Soil Moisture Active/Passive (SMAP, 1,20-1,41 GHz, [32]) η οποία αποστολή ξεκίνησε στις αρχές του 2015, στόχευε πως μελλοντικά θα είναι διαθέσιμες και οι παλαιότερες μετρήσεις υγρασίας εδάφους.
Ο SMOS αποτελεί την πρώτη αποστολή που αφιερώνεται στην παρακολούθηση της άμεσης εδαφικής υγρασίας και της αλατότητας της επιφάνειας της θάλασσας παγκοσμίως. Η υγρασία από το SMOS υπολογίζεται από την πολυγωνική και από τις πλήρως πολωμένες παθητικές μικροκυματικές μετρήσεις του L-band. Από έρευνες αποδείχθηκε πως η εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας από τον SMOS δεν είναι αρκετά ακριβής για άμεση χρήση υδρολογικών μοντέλων και τελικά είναι απαραίτητη πρόσθετη εργασία όπως η χρήση χωριστών αλγορίθμων για εποχές υψηλής και χαμηλής βλάστησης.
Σφάλματα κατανομής κατά τη μοντελοποίηση:
Δεδομένου ότι οι μετρήσεις δορυφορικής υγρασίας εδάφους μπορούν να επηρεαστούν από διάφορες πηγές σφαλμάτων (π.χ. αλγόριθμοι, αισθητήρες και αισθητήρες)φυσικές διεργασίες), η ποσοτικοποίηση αυτών των αβεβαιοτήτων είναι ιδιαίτερα σημαντική για την εφαρμογή των συνολικών δεομένων της εδαφικής υγρασίας σε συστήματα πρόγνωσης πλημμυρών σε πραγματικό χρόνο. Ιδιαίτερα σημαντική κρίνεται η βάση της βέλτιστης μοντελοποίησης των αποτελεσμάτων των συνόλων αυτών των δεδομένων. Παρόλο που υπάρχουν πολλές μελέτες για την αξιολόγηση της αβεβαιότητας των εκτιμήσεων της υγρασίας εδάφους δορυφορικά σε υδρολογικές εφαρμογές, αντιπροσωπεύονται κυρίως ως σύνοψη στατιστικών στοιχείων (όπως RMSE, NSE) και υπάρχει έλλειψη προσοχής στο μοντέλο κατανομής σφαλμάτων(όπως συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας, χωρική και χρονική συσχέτιση, μη σταθερότητα). Η ανάγκη ανάπτυξης νέων δεδομένων εδαφικής υγρασίας: Παρά τις σημαντικές επενδύσεις από διάφορους οργανισμούς όπως η ESA, η NASA, το Τμήμα Γεωργίας των ΗΠΑ σε ένα ευρύ φάσμα προγραμμάτων παρατήρησης της υγρασίας του εδάφους (π.χ. δορυφορικές αποστολές όπως ASCAT, SMOS και SMAP) δεν χρησιμοποιούνται επαρκώς στην υδρολογία κυρίως επειδή τα δεδομένα τους βαθμονομούνται με πειραματικές –in situ- μετρήσεις εδαφικής υγρασίας ή ακόμη και με ανακτήσεις δεδομένων μέσω του αέρα, οι οποίες έχουν σημαντική χωρική αναντιστοιχία σε κλίμακες λεκάνης απορροής και συνεπώς είναι αδύνατο να εφαρμοστούν στην υδρολογική μοντελοποίηση.
Συμπεράσματα: Τελικά παρουσιάζονται δύο προβλήματα. Αρχικά, τα δορυφορικά δεδομένα εδαφικής υγρασίας βαθμονομούνται κυρίως με in-situ παρατηρήσεις και μπορεί να μην είναι άμεσα σχετικές με την υδρολογική μοντελοποίηση. Επομένως, υπάρχει η ανάγκη δεδομένων που συνδέονται άμεσα με τα υδρολογικά μοντέλα. Το δεύτερο είναι ότι τα υπάρχοντα υδρολογικά μοντέλα δεν είναι συμβατά με τις παρατηρήσεις εδαφικής υγρασίας και απαιτείται βελτίωση των μοντέλων αυτών. Συνεπώς, μόνο με την αλλαγή και την διόρθωση των προβλημάτων αυτών θα μπορέσει να υπάρξει μια πρόβλεψη πλημμυρών (φυσικών καταστροφών) σε πραγματικό χρόνο.
