Μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης χλωριόντων στην ποιότητα επιφανειακών νερών αστικών υδροκριτών με χρήση τηλεπισκοπικών εικόνων
Από RemoteSensing Wiki
Μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης χλωριόντων στην ποιότητα επιφανειακών νερών αστικών υδροκριτών με χρήση τηλεπισκοπικών εικόνων
Impact of Chloride Concentrations on Surface Water Quality of Urban Watersheds Using Landsat Imagery
Συγγραφείς:Faranak Amirsalari, Jonathan Li
Πηγή: Environmental Informatics Archives, Volume 5, 576-584, 2007
Στόχος Εφαρμογής
Το φαινόμενο της αστικοποίησης των αγροτικών περιοχών αποτελεί αναμφίβολα ένα παγκόσμιας κλίμακας πρόβλημα καθώς οι αστικές περιοχές επιβαρύνουν έντονα το περιβάλλον και συντελούν σημαντικά στην εξάντληση των φυσικών πηγών. Η επέκταση των πόλεων συνεπάγεται αύξηση των αδιαπέραστων επιφανειών (κατασκευή δρόμων, πεζοδρομίων, χώρων στάθμευσης οχημάτων, οροφές κτιρίων κλπ.) στις οποίες το έδαφος καλύπτεται με άσφαλτο, τσιμέντο ή άλλα πληρωτικά υλικά, χάνοντας κατ αυτόν τον τρόπο την ικανότητά του να διηθεί τα όμβρια ύδατα. Αυτές οι μεταβολές συνεπάγονται αλλαγές των υδρολογικών χαρακτηριστικών μιας περιοχής με σημαντικότερη την αύξηση του συντελεστή απορροής. Τα τελευταία 30 χρόνια, διάφορα χημικά στοιχεία και ενώσεις (ιδίως τα χλωριόντα προερχόμενα από αλάτι το οποίο ρίπτεται προς αποτροπή σχηματισμού πάγου στο έδαφος κατά τη χειμερινή περίοδο), ρυπαίνουν τα υδάτινα ρεύματα. Αυτή η μελέτη εξετάζει την πιθανή συσχέτιση μεταξύ των αυξημένων συγκεντρώσεων χλωριόντων λόγω αύξησης των αδιαπέραστων επιφανειών και των πιθανών επιπτώσεων στην ποιότητα του νερού στην περιοχή Οντάριο (Καναδάς) με χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων. Οι βασικοί στόχοι της μελέτης περιλαμβάνουν την χάραξη των διακυμάνσεων της συγκέντρωσης των χλωριόντων στους σταθμούς επαρχιακού ελέγχου ποιότητας του νερού εντός των περιφερειακών πλαισίων της υπό μελέτη περιοχής για την εκτίμηση την έκταση των αδιαπέραστων επιφανειών με χρήση δεδομένων του θεματικού χάρτη LANDSAT (λήψη δεδομένων τα έτη 2000 και 2005) και για τον προσδιορισμό των εν δυνάμει επιπτώσεων επί της ποιότητας των επιφανειακών νερών σε βάθος χρόνου μέσω σύγκρισης των δύο συνόλων δεδομένων.
Εναλλακτικές Μέθοδοι
Η ποιότητα των επιφανειακών νερών μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας μια ποικιλία δεικτών. Οι συμβατικοί ρύποι αποτελούν τους πλέον χρησιμοποιούμενους ποιοτικούς δείκτες και μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται τα αιωρούμενα στερεά ή άλλα στοιχεία όπως ο φώσφορος, το άζωτο και το χλώριο. Αυτοί οι δείκτες επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα του νερού και την ικανότητα των υδρόβιων οργανισμών να επιβιώνουν σε ένα υδατικό περιβάλλον. Η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί ως δείκτη ποιότητας του νερού τα χλωριόντα και μελετά την σχέση αυτών με την αυξημένη αδιαπερατότητα των εδαφών ως αποτέλεσμα της αστικοποίησης.
Είδη δορυφόρων, δεκτών και καναλιών
Για την δημιουργία χαρτών κάλυψης γης μιας αστικής περιοχής, τα τηλεπισκοπικά δεδομένα μέτριας ανάλυσης φαίνεται να είναι τα πλέον κατάλληλα σε σύγκριση με αντίστοιχα δεδομένα μικρότερης ακρίβειας. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δύο εικόνες του θεματικού χάρτη LANDSAT-5 ΤΜ οι οποίες καλύπτουν την υπό μελέτη περιοχή. Οι εικόνες ελήφθησαν υπό συνθήκες απουσίας νεφών. Η πρώτη εικόνα (εικόνα 1) ελήφθη στις 20 Αυγούστου 2000 και η δεύτερη (εικόνα 2) στις 3 Σεπτεμβρίου 2005. Το σύστημα γεωαναφοράς είναι το UTM, Ζώνη 18 WGS84, η ανάλυση 30m και ο αριθμός των καναλιών 1-7. Αυτές οι εικόνες LANDSAT ελήφθησαν στα τέλη της καλοκαιρινής και στην έναρξη την φθινοπωρινής περιόδου καθώς αυτοί οι χρόνοι είναι οι ιδανικοί για την βέλτιστη μελέτη κάλυψης/χρήσης γης λόγω του γεγονότος ότι η γη είναι πλήρως καλυμμένη από βλάστηση. Για την αποφυγή σημαντικών ραδιομετρικών διαφορών η επιλογή των ημερομηνιών λήψης διαμορφώθηκε έτσι ώστε αυτές να είναι όσο το δυνατόν πλησιέστερα.
Προεπεξεργασίες εικόνων
Η επίτευξη του σκοπού της εφαρμογής στηρίζεται στη διάκριση αλλαγών μεταξύ των δύο βασικών χαρακτηριστικών κάλυψης γης, του φυσικού τύπου “green” και του οικιστικού τύπου “built-up”. Κατόπιν τούτου, εξετάζεται η τυχόν ύπαρξη συσχετισμού μεταξύ των περιοχών οι οποίες έχουν ταξινομηθεί ως “built-up”, ορίζοντας το επίπεδο των χλωριόντων ως δείκτη υποβάθμισης της ποιότητας του νερού. Αρχικά οι διαχρονικές εικόνες του θεματικού χάρτη LANDSAT ταξινομήθηκαν χρησιμοποιώντας την συμβατική μη επιβλεπόμενη τεχνική ταξινόμησης του λογισμικού πακέτου PCI Geomatica V10. Σύμφωνα με την οπτική ερμηνεία της αναφοράς και των μη επεξεργασμένων εικόνων, ορίστηκαν οκτώ οπτικά εύρη ταξινόμησης για ανάλογες τάξεις κάλυψης γης, όπως για παράδειγμα καλλιεργήσιμες εκτάσεις, γήπεδα γκολφ, κατοικήσιμες περιοχές, βιομηχανικές ζώνες, οδικό δίκτυο, εμπορικά κέντρα κλπ. Για την περαιτέρω ενίσχυση της ποιότητας των χαρτών ταξινόμησης, οι τάξεις συναθροίζονται σε δύο σύνθετες κατηγορίες οι οποίες αντιστοιχούν στους τύπους “green” και “built-up”. Η ακρίβεια της ταξινόμησης αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας την προσέγγιση τυχαίας συλλογής δειγμάτων και από τα στατιστικά στοιχεία που προκύπτουν. Και για τις δύο εικόνες η ακρίβεια ξεπέρασε το 80%. Η ακρίβεια της ταξινόμησης εκτιμήθηκε περαιτέρω με οπτική σύγκριση των αντίστοιχων τάξεων χρήσης γης με δεδομένα αναφοράς υψηλής ανάλυσης.
Χρήση επιπρόσθετων χαρτών-βάσεων δεδομένων
Στα πλαίσια τη μελέτης αυτής χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα σχετικά με την ποιότητα του νερού στην περιοχή του Οντάριο. Τα δεδομένα αυτά συλλέγονται από μεμονωμένες αρχές συντήρησης. Η συλλογή βασίζεται σε επί τόπου αναλύσεις χρησιμοποιώντας φορητούς αναλυτές, τα δε δεδομένα αποτελούν ιδιοκτησία του Υπουργείου Περιβάλλοντος του Οντάριο. Στην εικόνα 3 παρουσιάζονται οι αλλαγές στη συγκέντρωση των χλωριόντων σε ενδεικτικά σημεία δειγματοληψίας.
Σημαντικά αποτελέσματα
Σύμφωνα με την απογραφή του 2006, στην υπό μελέτη περιοχή σημειώθηκε σημαντική αύξηση του πληθυσμού (αύξηση κατά 17.2%). Η εικόνες 1 και 2 (ανάλυση 30 m) καταγράφουν την κατόπιν ταξινόμησης κατανομή των αδιαπέραστων επιφανειών για τα έτη 2000 και 2005. Με πράσινο χρώμα παριστάνονται οι διαπερατές επιφάνειες (υγρότοποι, έδαφος, ακάλυπτες εκτάσεις κλπ.) ενώ τόνοι του γκρι χρησιμοποιούνται για την παράσταση των αδιαπέραστων επιφανειών (κατοικημένες περιοχές, εμπορικά κέντρα, οδικό δίκτυο κλπ.). Κατά την επικάλυψη του χάρτη αδιαπέραστων επιφανειών για το έτος 2005 με τον χάρτη μεταβολής της συγκέντρωσης των χλωριόντων, κατέστη προφανές το γεγονός ότι η αύξηση των αδιαπέραστων επιφανειών συνεπάγεται αύξηση των συγκεντρώσεων των χλωριόντων (εικόνα 4). Τα αποτελέσματα επιτυχούς ολοκλήρωσης τηλεπισκοπικών δεδομένων με δεδομένα σχετικά με τις συγκεντρώσεις των χλωριόντων παραπέμπουν σε μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της ποιότητας του νερού και του ποσοστού αδιαπέραστων επιφανειών ως μέτρο αστικοποίησης.
