Μετρώντας τη διαύγεια και την ποιότητα του νερού στις λίμνες και τα ποτάμια της Minnesota

Από RemoteSensing Wiki

Measuring Water Clarity and Quality in Minnesota Lakes and Rivers: A Census-Based Approach Using Remote-Sensing Techniques

Μετρώντας τη διαύγεια και την ποιότητα του νερού στις λίμνες και τα ποτάμια της Minnesota: Μια προσέγγιση βασισμένη στην απογραφή και τις τεχνικές της τηλεπισκόπισης

Συγγραφείς: Patrick L. Brezonik, Leif G. Olmanson, Marvin E. Bauer, Steven M.Kloiber

Πανεπιστήμιο της Minnesota

Σκοπός

Σκοπός του άρθρου είναι η παρουσίαση κάποιων διαδικασιών για τη χρήση της τηλεπισκόπισης στην εκτίμηση της ποιότητας του νερού των λιμνών και των ποταμιών της Minnesota. Τα μέτρα που χρησιμοποιούνται για την ποιότητα του νερού, είναι κυρίως η διαύγεια του νερού, αλλά και η συγκέντρωση χλωροφύλλης.

Επίγειες και δορυφορικές μετρήσεις της διαύγειας του νερού των λιμνών

Ουσιαστικά, η διαύγεια του νερού μετράει την απόσταση την οποία διανύει το φως μέσα σε ένα σώμα νερού. Στις λίμνες, η διαύγεια συνήθως μετριέται παραδοσιακά με μία απλή συσκευή που ονομάζεται δίσκος Secchi, διαμέτρου 20cm, ο οποίος βυθίζεται στο νερό, μέχρι να μην είναι ορατός. Το βάθος στο οποίο δεν είναι ορατός πια λέγεται «βάθος Secchi». Στη Minnesota η διαύγεια του νερού σχετίζεται συνήθως με την παρουσία αλγών. Έτσι η διαύγεια του νερού είναι ένα έμμεσο μέτρο για την τροφική κατάσταση της λίμνης. Σε παλιότερες έρευνες των συγγραφέων, βρέθηκε συσχέτιση μεταξύ της διαύγειας του νερού, όπως αυτή μετράται με το δίσκο Secchi, και το φως στο μπλε και το κόκκινο κανάλι του φάσματος, που ανακλάται από τις επιφάνειες των λιμνών και μετράται ως φωτεινότητα από τους δορυφορικούς αισθητήρες. Χρησιμοποίησαν αυτή την πληροφορία για να αναπτύξουν διαδικασίες για την εκτίμηση της διαύγειας του νερού σε όρους «βάθους Secchi», χρησιμοποιώντας Landsat εικόνες. Διαμόρφωσαν λοιπόν μια γενική σχέση για τα δεδομένα Landsat και τις μετρήσεις Secchi που συλλέχθηκαν από υπάρχοντα προγράμματα παρακολούθησης των λιμνών, που εκφράζεται από τη συνάρτηση παλινδρόμησης:

ln(SD) = a(TM1/TM3) + b(TM1) + c,

όπου a,b και c είναι οι συντελεστές της παλινδρόμησης, ln(SD) ο λογάριθμος του βάθους Secchi για μια δεδομένη λίμνη, και TM1, TM3 οι τιμές φωτεινότητας όπως μετρήθηκαν από τον Landsat στο μπλε και το κόκκινο κανάλι αντίστοιχα, για μια καθορισμένη επιφάνεια της λίμνης.

Διαύγεια νερού των λιμνών στη μητροπολιτική περιοχή Twin Cities

Μία έρευνα στα ιστορικά αρχεία του EROS Data Center στην πόλη Dakota έδειξε ότι υπάρχει τουλάχιστον μία φωτογραφία χωρίς σύννεφα για την περιοχή Twin Cities προς το τέλος του καλοκαιριού. Οι τιμές R2 βρέθηκαν γενικά από 0,8 έως 0,9, κάτι που καθιστά τα δεδομένα αρκετά αξιόπιστα. Επίσης, μπορεί να επιτευχθεί εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των τάσεων του βάθους Secchi από τις δορυφορικές εκτιμήσεις και τις αντίστοιχες επίγειες παρατηρήσεις.

Επίσης, εξετάστηκε κατά πόσο επηρρεάζεται η διαύγεια του νερού από τις κλιματικές συνθήκες, όπως μία εκτεταμένη περίοδος ξηρασίας ή κατακρήμνιση πάνω από τα μέσα επίπεδα, αλλά και από αλλαγές στη χρήση/κάλυψη γης. Για το σκοπό αυτό εξετάστηκαν 10 εικόνες για τα έτη 1973-1998, πάλι προς το τέλος του καλοκαιριού. Για κάθε εικόνα συγκεντρώθηκαν επίγειες παρατηρήσεις και τιμές βάθους Secchi όπως προέκυψαν από το Landsat, για περίπου 575 λίμνες και υγρότοπους στην εν λόγω περιοχή.

Τα αποτελέσματα για το 1998 (εικ.1) έδειξαν ένα μεγάλο εύρος διαύγειας νερού. Η ανάλυση των χρονικών τάσεων (πίνακας 1) υποδεικνύει ότι οι κλιματικές συνθήκες επηρρεάζουν σημαντικά τη διαύγεια του νερού στις λίμνες της περιοχής. Για παράδειγμα, το 1988 που ήταν ένα από τα πιο ξηρά και ζεστά καλοκαίρια που καταγράφηκαν στην περιοχή, είχε το υψηλότερο ποσοστό λιμνών με τη χαμηλότερη διαύγεια και ένα από τα χαμηλότερα ποσοστά λιμνών με την υψηλότερη διαύγεια. Σε αντίθεση, τα έτη 1993 και 1996 που ήταν υγρά και σχετικά δροσερά καλοκαίρια, είχαν μικρά ποσοστά λιμνών με τη χαμηλότερη διαύγεια.

Διαύγεια νερού σε μικρές λίμνες

Η σχετικά μέτρια χωρική ανάλυση του Landsat (30m) περιορίζει τη χρησιμότητα των εικόνων για την εκτίμηση της διαύγειας του νερού σε μικρές λίμνες. Νεότεροι δορυφόροι όπως ο IKONOS και ο Quickbird με υψηλότερη ανάλυση, μπορούν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό. Όπως φαίνεται στην εικ.2, η πόλη Eagan έχει περίπου 375 μικρές λίμνες και υγρότοπους μεγαλύτερους από ένα εκτάριο. Ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία που εφαρμόστηκε για τις εικόνες Landsat. Η εικόνα IKONOS εκτίμησε 236 σώματα νερού. Το μεγάλο εύρος διαύγειας νερού στις μικρές λίμνες σε μία τόσο μικρή γεωγραφική περιοχή ανακλά τόσο φυσικούς παράγοντες (π.χ. βάθος λίμνης), αλλά και τις επιδράσεις της χρήσης γης και των διαχειριστικών πρακτικών.

Εκτίμηση της διαύγειας του νερού σε επίπεδο απογραφής για ολόκληρη την πολιτεία

Επεκτείνοντας την έρευνα για ολόκληρη την πολιτεία, ολοκληρώθηκαν πέντε απογραφές για χρονικά διαστήματα πέντε χρόνων, για την περίοδο 1985-2005. Κάθε απογραφή περιέχει πληροφορίες για πάνω από 10.000 λίμνες και υγρότοπους στην πολιτεία της Minnesota. Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat, όπου ιδανικά κάθε ολόκληρο path πάνω από την πολιτεία απέδιδε αξιοποιήσιμη πληροφορία (με προϋπόθεση τον καθαρό ουρανό). H εικ.3 απεικονίζει την κατανομή της διαύγειας των λιμνών για το έτος 2005, σε επίπεδο πολιτείας.

Γενικά, η κατανομή των λιμνών στις διάφορες τάξεις διαύγειας νερού είναι σχετικά σταθερή κατά την περίοδο που εξετάζεται, εκτός από λίγες διαφορές που ξεχωρίζουν. Για παράδειγμα, πολύ λίγες λίμνες βρίσκονται στη χαμηλότερη τάξη διαύγειας νερού το 1995, ενώ το 2000 υπήρχαν λιγότερες λίμνες με διαύγεια της τάξης 1-2m, αλλά περισσότερες της τάξης 3-4m, από ότι τα υπόλοιπα χρόνια (πίνακας 2).

Επίσης, εξετάστηκε και η σχέση της διαύγειας του νερού με τη χρήση/κάλυψη γης. Στις επαρχίες της Minnesota η μέση διαύγεια νερού αυξάνεται καθώς αυξάνεται το ποσοστό δασικών εκτάσεων, ενώ μειώνεται καθώς αυξάνεται το ποσοστό γεωργικής και αστικής γης.

Τηλεπισκόπιση της ποιότητας του νερού των ποταμιών από αεροσκάφος

Για τα ποτάμια, οι δορυφορικές εικόνες δεν είναι καλή επιλογή, καθώς μόνο ποτάμια όπως ο ποταμός Mississippi, είναι αρκετά πλατιά ώστε να έχουν pixels που αντιπροσωπεύουν τις επιφάνειες νερού χωρίς να επηρρεάζονται από την ακτογραμμή ή την επιφάνεια της ξηράς. Δορυφόροι όπως ο IKONOS έχουν την απαιτούμενη ανάλυση, αλλά αποδεικνύονται μη συμφέρουσα επιλογή λόγω του μεγάλου κόστους που συνεπάγεται η αγορά τέτοιων εικόνων, σε σχέση με τις πολύ μικρές περιοχές που καλύπτουν. Πολυφασματικοί δέκτες μπορούν να τοποθετηθούν και σε μικρά αεροσκάφη. Έτσι διενεργήθηκε έρευνα το καλοκαίρι του 2004 και του 2005 στα ποτάμια της μητροπολιτικής περιοχής της Twin Cities χρησιμοποιώντας ένα μικρό αεροσκάφος και ένα σύστημα αισθητήρων του Πανεπιστημίου της Nebraska. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν σύλλεξαν φως σε πολλά (στενά) φασματικά κανάλια. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων είναι παρόμοια με αυτή των δορυφορικών. Η διαύγεια του νερού μετρήθηκε στα ποτάμια με ένα «σωλήνα διαφάνειας» ή αλλιώς Transparency Tube (T-Tube). Η σχέση μεταξύ των επίγειων μετρήσεων και των αντίστοιχων δεδομένων από το αεροσκάφος, βρέθηκε στατιστικά σημαντική (R2=0,94 για τη διαύγεια νερού από το T-tube και 0,72 για τη χλωροφύλλη α). Στην εικ. 5 απεικονίζεται η κατανομή της διαύγειας του νερού όπως μετρήθηκε από το T-tube και της συνολικής χλωροφύλλης α του ποταμού Mississippi.

Συμπεράσματα

Η τηλεπισκόπιση αποτελεί ένα οικονομικό μέσο για την απόκτηση κατανοητής χωρικής κάλυψης της κατάστασης και των τάσεων των βασικών χαρακτηριστικών της ποιότητας του επιφανειακού νερού, και τα αποτελέσματα μπορούν να γίνουν διαθέσιμα στο κοινό σε πολύ κατανοητά format. Βέβαια, οι μέθοδοι αυτοί δε μπορούν να μας δώσουν όλες τις επιθυμητές πληροφορίες για την ποιότητα του νερού, π.χ. την παρουσία οργανικών ρυπαντών ή παθογόνων βακτηρίων. Παρόλα αυτά, οι αισθητήρες μας παρέχουν ακριβείς πληροφορίες για τη διαύγεια του νερού και την άνθηση των αλγών στο νερό, και αυτά είναι σημαντικά θέματα που επηρρεάζουν τη χρησιμότητα αλλά και την οικονομική αξία των λιμνών της Minnesota.