ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΕΔΑΦΙΚΟΥ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΟ ΚΟΝΤΙΝΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟ.

Από RemoteSensing Wiki

ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΕΔΑΦΙΚΟΥ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΠΕΔΙΟΥ ΣΤΟ ΚΟΝΤΙΝΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟ.

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Cécile, Raphael A. Viscarra Rossel, Alex B. McBratney.

ΠΗΓΗ: Geoderma 146 (2008) 403–411

Στόχος:

Δύο είναι οι κύριοι στόχοι αυτής της μελέτης:

• Η σύγκριση των προβλέψεων του εδαφικού οργανικού άνθρακα που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση φασμάτων από τον υπερφασματικό τηλεπισκοπικό δέκτη Hyperion (152 φασματικά κανάλια) και με τη χρήση φασμάτων που αποκτήθηκαν από το φασματόμετρο AgriSpec (2151 φασματικά κανάλια).

• Ο δεύτερος στόχος είναι η εκτίμηση του εδαφικού οργανικού άνθρακα με τη χρήση δεδομένων ανάκλασης όπως καταγράφονται από τον δέκτη Hyperion.

Eίδη δορυφορικών συστημάτων και χαρακτηριστικά δεκτών

Αξιοποιήθηκαν δύο στοιχεία από τον υπερφασματικό δέκτη Hyperion του δορυφόρου ΕΟ-1 (Εarth observing - 1) της κοιλάδα Namoi της Αυστραλίας (−32°12'27”Νότια, 149°36'31”Ανατολικά). To πρώτο αποκτήθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2006 από λιβάδια και το δεύτερο στις 17 Ιανουαρίου από καλλιέργειες της περιοχής (ΕΙΚΟΝΑ 1).

Ο τηλεπισκοπικός δέκτης Hyperion μετράει ακτινοβολία σε εύρος του φάσματος 400-2500 nm με 242 φασματικά κανάλια που χαρακτηρίζονται από 10 nm φασματικής διακριτικής ικανότητας και 30 m χωρικής διακριτικής ικανότητας.

ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ

Πραγματοποιήθηκαν ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις. Παρόλα αυτά ο λόγος του σήματος προς τον θόρυβο (SNR) είναι χαμηλός (~50/1). Επίσης χρησιμοποιήθηκαν ο αλγόριθμος ‘The Atmospheric Removal Program’ (ATREM) o οποίος αναπτύχθηκε από τους Gao and Goetz (1990) και Gao et al. (1993) όπως και ένας κατά προσέγγιση κώδικας της ηλιακής ακτινοβολίας που ονομάζεται: Προσομοίωση του Ηλιακού Σήματος στο Ηλιακό Φάσμα (Tanre et al.,1986). Tέλος τα κανάλια με χαμηλό SNR και τα κανάλια ατμοσφαιρικής απορρόφησης αφαιρούνται. Η μελέτη λοιπόν διεξάγεται με τη χρήση 152 Hyperion καναλιών.

Χρήση επιπρόσθετων βάσεων δεδομένων και χρησιμότητα τους

Στη συγκεκριμένη μελέτη αξιοποιούνται δεδομένα μέσω της φυσικής μεθόδου της φασματοσκοπίας η οποία είναι μη-καταστροφική, γρήγορη, παραγωγική και παρέχει προβλέψεις (χαμηλού κόστους) για τις φυσικές, χημικές, βιολογικές ιδιότητες του εδάφους σύμφωνα με την ανάκλαση τους σε ένα εύρος του φάσματος 400-2500nm (ορατό και κοντινό υπέρυθρο).

Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία σε 146 επιφανειακές θέσεις του εδάφους (0-10 cm) στην περιοχή Narrabri της βορειοδυτικής Αυστραλίας. Ο εδαφικός οργανικός άνθρακας στα συγκεκριμένα δείγματα μετρήθηκε μέσω φασματοσκοπίας μέσου υπέρυθρου (NIR). Χρησιμοποιήθηκε το φασματόμετρο Tensor 37_Fourier Transform Infrared από την Bruker Optics (Massachusetts, USA). Τα φάσματα καταγράφηκαν από 2500 έως 25000 nm με 8 cm−1 διακριτική ικανότητα και 64 scans το δευτερόλεπτο.

Ο συντελεστής ανάκλασης των 146 εδαφικών δειγμάτων μετρήθηκε με το φορητό φασματόμετρο AgriSpec (Analytical Spectral Devices, Boulder, Colorado). Προσφέρει πλήρες φασματικό εύρος και γρήγορη συλλογή δεδομένων.

Για να επιτευχθεί ο πρώτος στόχος της μελέτης, χρησιμοποιήθηκαν ομάδες δειγμάτων (επίσης λήφθηκαν εκ νέου φάσματα AgriSpec για να ταιριάξουν με την διακριτική ικανότητα των δεδομένων του τηλεπισκοπικού δέκτη προς σύγκριση με τα τηλεπισκοπικά δεδομένα). Πρόκειται λοιπόν για 4 ομάδες:

• “Cropping soils” (72 δείγματα, περιεχόμενο σε οργανικό άνθρακα από 0.54 έως 1%)

• “Pasture soils” (56 δείγματα, περιεχόμενο σε οργανικό άνθρακα κάτω από 1%)

• “Total soil database“ (146 δείγματα, περιεχόμενο σε οργανικό άνθρακα από 1,08 έως 5,1%)

• “Soils over Hyperion images” (72 δείγματα)

Ειδικές επεξεργασίες.

Αρχικά πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση, Partial least-squares regression (PLSR). Συγκεκριμένα για την εκτίμηση των μοντέλων πρόβλεψης του εδαφικού οργανικού άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν: the root mean squared error (RMSE), coefficient of determination (R²) και ratio of performance to deviation (RPD). μέσω του λογισμικού ParLeS. Επίσης υπολογίστηκε και ο λόγος RPD που σχετίζεται με την ικανότητα πρόβλεψης του μοντέλου. Αν RPD>2, το μοντέλο προβλέπει με ακρίβεια το ζητούμενο, αν RPD είναι μεταξύ 1,4 – 2 το μοντέλο επιδέχεται βελτιώσεις και τέλος αν RPD<1,4 δεν υπάρχει καμία ικανότητα πρόβλεψης.

Για την υλοποίηση του δεύτερου στόχου της μελέτης απαιτείται χαρτογράφηση (χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης βλάστησης NDVI) του εδαφικού οργανικού άνθρακα. Όσον αφορά στην πρόβλεψη του εδαφικού οργανικού άνθρακα με δεδομένα από τον τηλεπισκοπικό δέκτη Hyperion πραγματοποιήθηκε η παραπάνω μέθοδος στατιστικής ανάλυσης. Η ομάδα των εδαφικών δειγμάτων που χρησιμοποιήθηκε για την συγκεκριμένη πρόβλεψη είναι η “Soils over Hyperion test area”. Πρόκειται για 52 εδαφικά δείγματα τα οποία είναι τοποθετημένα σε μία μικρή περιοχή (5.8×2.8 km.) της εικόνας Hyperion, που έχουν περιεχόμενο οργανικού άνθρακα 0,002-5,1% (αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση MIR). Έπειτα είναι απαραίτητο η εκτέλεση του βήματος cross-prediction από τα φάσματα Hyperion για κάθε pixel της υπό μελέτης περιοχής.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οποιοδήποτε και αν είναι το εύρος των εδαφικών δειγμάτων σε οργανικό άνθρακα (0,54-1% ή 1,08-5,1% και 0,54-5,1%) και οποιοσδήποτε και αν είναι ο αριθμός τους (56, 72 ή 146) που χρησιμοποιείται στα μοντέλα πρόβλεψης, η φασματική διακριτική ικανότητα δεν αλλάζει την ακρίβεια του μοντέλου. Τα δεδομένα λοιπόν που αποκτούνται από τον δέκτη Hyperion είναι το ίδιο χρήσιμα με αυτά φασματοσκοπίας πεδίου στο κοντινό υπέρυθρο.

Τα αποτελέσματα που αποκτήθηκαν και από τις τέσσερις ομάδες εδαφολογικών δειγμάτων δείχνουν ότι χρησιμοποιώντας την φασματικής διακριτικής ικανότητας του AgriSpec, η πρόβλεψη του μοντέλου που βασίζεται στην ομάδα των δειγμάτων “Total soil database“ είναι περισσότερο ακριβής από την πρόβλεψη του μοντέλου που βασίζεται στην ομάδα των δειγμάτων “Soils over Hyperion images” (ΕΙΚΟΝΑ 2). Ομοίως η πρόβλεψη του μοντέλου που βασίζεται στην ομάδα των δειγμάτων “Soils over Hyperion images” είναι περισσότερο ακριβής από την πρόβλεψη του μοντέλου που βασίζεται στην ομάδα των δειγμάτων βασισμένη στην ομάδα “Pasture soils”.

Όσον αφορά στη χαρτογράφηση του εδαφικού οργανικού άνθρακα με δεδομένα από τον τηλεπισκοπικό δέκτη Hyperion προέκυψαν τα ακόλουθα αποτελέσματα:

Όταν η ποσότητα του εδαφικού οργανικού άνθρακα είναι κάτω από 1%, τα φάσματα ανάκλασης δεν είναι ικανά να προβλέψουν συγκεντρώσεις του, οποιαδήποτε και αν είναι η φασματική διακριτική ικανότητα. Παράδειγμα περιοχών με χαμηλό ποσό εδαφικού οργανικού άνθρακα αποτελούν οι συγκομιδές βαμβακιού, στις οποίες δεν πραγματοποιήθηκε πρόβλεψη. Οι προβλέψεις γενικά πραγματοποιήθηκαν σε λιβάδια. Το βήμα cross validation είχε τα εξής αποτελέσματα: RPD=1.42, R²=0.493 και RMSE= 0.8%. Παρά το χαμηλό RPD τα αποτελέσματα της πρόβλεψης του εδαφικού οργανικού άνθρακα παρουσιάζουν ομοιότητες με τις παρατηρήσεις πεδίου. Παρόλο που τα αποτελέσματα των προβλέψεων δεν συσχετίζονται με Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) (ΕΙΚΌΝΑ 3 a , b) οι προβλέψεις του εδαφικού οργανικού άνθρακα δεν επηρεάζονται από την κάλυψη της βλάστησης.