Μελέτη και εφαρμογή αλγορίθμου για την ενίσχυση χωρικής ανάλυσης τηλεπισκοπικών προϊόντων εκτίμησης εδαφικής υγρασίας
Από RemoteSensing Wiki
Μελέτη και εφαρμογή αλγορίθμου για την ενίσχυση χωρικής ανάλυσης τηλεπισκοπικών προϊόντων εκτίμησης εδαφικής υγρασίας
Πρωτότυπος τίτλος: Μελέτη και εφαρμογή αλγορίθμου για την ενίσχυση χωρικής ανάλυσης τηλεπισκοπικών προϊόντων εκτίμησης εδαφικής υγρασίας
Συγγραφείς: Σοφικίτη Ελένη
Δημοσιεύθηκε: 2022
Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56394
Εισαγωγή
Στη παρούσα εργασία μελετάται μεθοδολογία που αξιοποιεί ανοιχτά και δωρεάν οπτικά και θερμικά δεδομένα Τηλεπισκόπησης για την ενίσχυση χωρικής ανάλυσης ανοιχτού και δωρεάν Τηλεπισκοπικού προϊόντος εκτίμησης επιφανειακής εδαφικής υγρασίας. Η μεθοδολογία εφαρμόζεται σε καλλιεργητική περιοχή στην Ισπανία και παράγει Τηλεπισκοπικό προϊόν εκτίμησης εδαφικής υγρασία σε υψηλή χωρική ανάλυση. Εδαφική υγρασία είναι η ποσότητα του νερού που περιέχεται στο έδαφος, στο πορώδες ή μέσα στα σωματίδια του εδάφους. Η περιεκτικότητα σε εδαφική υγρασία του εδάφους μπορεί να ταξινομηθεί σε 3 κατηγορίες, υδατοχωρητικότητα, υδατοϊκανότητα και σημείο μάρανσης. Η εδαφική υγρασία είναι σημαντική φυσική μεταβλητή που επηρεάζει το κλίμα, τη βλάστηση, είναι δείκτης για πλημμύρες και ξηρασίες και επηρεάζει τις καλλιέργειες, την υγεία των φυτών, την ποσότητα και την ποιότητα της παραγωγής. Έτσι η εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας σε εκτεταμένες εκτάσεις είναι αναγκαία.
Μεθοδολογία
Στη παρούσα εργασία γίνεται εφαρμογή του αλγόριθμου Disaggregation based on Physical And Theoretical scale Change algorithm (DISPATCH) που χρησιμοποιεί οπτικά, θερμικά δορυφορικά δεδομένα και δείκτες βλάστησης για την ενίσχυση χωρικής ανάλυσης δορυφορικών προϊόντων επιφανειακής εδαφικής υγρασίας. Ως περιοχή μελέτης, ορίστηκε καλλιεργητική πεδιάδα στην Αυτόνομη Κοινότητα Καστίλη και Λεόν της Ισπανίας. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πεδίου από το Διεθνές Δίκτυο Εδαφικής Υγρασίας. Για τη μετατροπή των μονάδων εδαφικής υγρασίας του αρχικού προϊόντος από ποσοστό, σε ογκομετρικές μονάδες χρησιμοποιούνται δεδομένα σύνθεσης του εδάφους, που παρέχονται από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων για το Έδαφος. Αρχικά, οι τιμές οπισθοσκέδασης από του δορυφόρους Sentinel-1 διορθώνονται ραδιομετρικά και γεωμετρικά. Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν οι παράμετροι του μοντέλου και ο θόρυβος με νόμο διάδοση σφαλμάτων από τις παρατηρήσεις οπισθοσκέδασης του Sentinel-1. Στη παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν, επίσης, εικόνες Landsat Collection 2 Level-2 Surface Reflectance και Surface Temperature των δορυφόρων 8 και 9 που είναι ατμοσφαιρικά διορθωμένες, με χωρική ανάλυση 30 m. H ανάπτυξη της μεθοδολογίας έγινε σε περιβάλλον προγραμματισμού Python. Στο πρώτο στάδιο της προεπεξεργασίας, έγινε εφαρμογή στις εικόνες Landsat, των συντελεστών που περιγράφονται στα μεταδεδομένα των εικόνων για τη μετατροπή των ψηφιακών αριθμών σε αριθμούς με φυσικό νόημα. Εν συνεχεία, υπολογίζεται ο Δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) και το ποσοστό κάλυψης βλάστησης (Fractional Vegetation Cover, Fv ). Στις εικόνες NDVI και Fv εφαρμόζονται οι μάσκες που παρέχονται με τα δεδομένα Landsat, μάσκα νεφοκάλυψης, μάσκα σκιάς νεφοκάλυψης και μάσκα νερού. Στην εικόνα SSM εφαρμόστηκε συντελεστής κλίμακας, ο οποίος περιγράφεται στα μεταδεδομένα του προϊόντος. Στο δεύτερο στάδιο της προεπεξεργασίας έγινε μετατροπή των τιμών της εικόνας SSM από ποσοστό σε ογκομετρικές μονάδες μέτρησης. Για τον υπολογισμό της απόδοσης εξάτμισης του γυμνού εδάφους (Soil Evaporative Efficiency, SEE) είναι απαραίτητο να γίνει διαμερισμός της θερμοκρασίας επιφάνειας του εδάφους σε επιμέρους συνιστώσες , θερμοκρασία γυμνού χώματος (Ts ) και θερμοκρασία Βλάστησης (Τv ). Ύστερα και αφού υπολογίστηκαν η κλίση και ο σταθερός όρος των ευθειών, υπολογίστηκαν οι ακραίες τιμές θερμοκρασίας Tv,max , Tv,min . Τελικά η απόδοση εξάτμισης του γυμνού εδάφους (Soil Evaporative Efficiency, SEE) για τα εικονοστοιχεία στις ζώνες A,B,C υπολογίστηκαν για κάθε εικονοστοιχείο Landsat με χωρική ανάλυση 30 m: SEELandsat,30m = Ts,max−Ts Ts,max−Ts,min Ενώ για τα εικονοστοιχεία που ανήκουν στη ζώνη D υπολογίστηκε ο δείκτης TVDI, οποίος αντικαθιστά το SEE στη μεθοδολογία που συνεχίζει παρακάτω TVDILandsat = LSTmax−LSTLandsat LSTmax−LSTmin
Συμπεράσματα
Όσον αφορά την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων, η μεθοδολογία φαίνεται να αποτυπώνει επαρκώς την διακύμανση των τιμών μέσα σε κάθε εικονοστοιχείο Copernicus SSM 1Km και τα γεγονότα βροχόπτωσης και άρδευσης. Η υψηλή, όμως μεταβλητότητα εδαφικής υγρασία που υπάρχει στο αρχικό προϊόν παρέμεινε εμφανής μετά την εφαρμογή της μεθοδολογίας. Όσον αφορά τη συσχέτιση του ενισχυμένου χωρικά προϊόντος με τις μετρήσεις πεδίου, στις περισσότερες περιπτώσεις ο συντελεστής συσχέτισης βελτιώνεται συγκριτικά με το αρχικό προϊόν εδαφικής υγρασίας μέσης χωρικής ανάλυσης. Γενικά, τα στατιστικά αποτελέσματα διαφέρουν πολύ από σταθμό σε σταθμό αλλά ο δείκτης GDOWN είναι θετικός στη πλειοψηφία των περιπτώσεων δείχνοντας ότι η μεθοδολογία επιφέρει βελτίωση στη συσχέτιση των παρατηρήσεων με τις παρατηρήσεις πεδίου αν και μικρή, αφού η διαφορά κλίμακας πριν και μετά την ενίσχυση είναι μικρή, όμως τα αποτελέσματα της μεθοδολογίας κατά απόλυτη τιμή εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα και την απόδοση των αρχικών δεδομένων εδαφικής υγρασίας.
