ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΣΗ
Από RemoteSensing Wiki
ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΗΣ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΜΕ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΣΗ
Πρότυπος τίτλος: Prediction of soil moisture from remote sensing data
Συγγραφείς: Eftychia Taktikou, George Bourazanisb, Georgia Papaioannou & Petros Kerkides
Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705816333732 | Science Direct
Περίληψη:
Η μελέτη παρουσιάζει την ικανότητα πρόβλεψης της εδαφικής υγρασίας μέσα στο χρόνο και τη σύγκριση των τιμών αυτής σε μετρήσεις in situ (εργαστηριακά) με διηλεκτρικές συσκευές. Το πείραμα εξελίχθηκε στη Σπάρτη σε πειραματικό αγρό για τα έτη 2010,2011, 2012 και 2014 για του μήνες Ιούνιο-Αύγουστο. Χρησιμοποιήθηκαν μέσα τηλεπισκόπισης για την εύρεση της εδαφικής υγρασίας θ. Με τη θεωρία της φαινομένης θερμικής αδράνειας και τη βοήθεια της τηλεπισκόπισης υπολογίζεται ο δείκτης κορεσμού της εδαφικής επιφάνειας και συγκρίνεται με τις τιμές που βρέθηκαν στο εργαστήριο. Με την εφαρμογή διάφορων μοντέλων επιλε΄γεται αυτό που δίνει την καλύτερη πρόβλεψη.
Εισαγωγή:
Μια ακριβής και εύκολη μέθοδος υπολογισμού της εδαφικής υγρασίας είναι η τοποθέτηση διηλεκτρικών συσκευών στο έδαφος. Όμως, δεν είναι πάντα εφικτό όταν οι εκτάσεις είναι τεράστιες, με μεγάλη φυτοκάλυψη και απαιτείται μεγάλο χρονικό αλλά και χωρικό εύρος τιμών. Τη λύση δίνει η τηλεπισκόπιση, όπου μέσω των δορυφόρων, είναι δυνατό να βρεθεί η εδαφική υγρασία για πολλές χρονικές περιόδους και μεγάλες εκτάσεις ταυτόχρονα. Το φυσικό έγχρωμο, το θερμικό υπέρυθρο, ο δείκτης βλάστησης και το albedo αποτελούν καλούς δείκτες της δυναμικής της εδαφικής υγρασίας. Η μελέτη αυτή εξετάζει κατά πόσο μπορεί η κατ΄ όγκο περιεκτικότητα σε νερό του εδάφους θ, μπορεί να προβλεφθεί με τη βοήθεια της τηλεπισκόπισης συγκρίνοντας τα αποτελέσματα αυτά με αυτά των διηλεκτρικών συσκευών (οι οποίες τοποθετούνται στο έδαφος). Έτσι, η απεικόνιση του νερού από φασματοφωτόμετρο (MODIS), η κανονικοποιημένη διαφορά του δείκτη βλάστησης (NDVI) και η ημερήσια διαφορά θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους (DLST) χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της θ καθημερινά για το χρόνο που αναφέρθηκε και νωρίτερα σε πειραματικό ελαιώνα στη Σπάρτη. Η θ υπολογιζόνταν καθημερινά για τον δείκτη κορεσμού της εδαφικής επιφάνειας (SMSI) και συγκρινόταν με τις πειραματικές τιμές για τα βάθη εδάφους 10, 20, 30, 40, 60, 80 και 100 cm. Τέλος, απλές σχέσεις μεταξύ των SM και ATI ή DLST ή NDVI υπολογίστηκαν για να εξετασθεί τη πρόβλεψη της θ.
Δεδομένα:
Με την τοποθέτηση ενός διηλεκτρικού αισθητήρα που λειτουργεί με συχνότητα 100 MHz, ML2 Theta Probe, εκτιμήθηκαν οι τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς του εδάφους (νερό) για το χρονικό διάστημα που αναφέρθηκε και τα αντίστοιχα βάθη. Έτσι, προέκυψαν οι εξής τιμές: SM10, SM20, SM30, SM40, SM60, SM80 και SM10 για τα αντίστοιχα βάθη εδάφους. Τα δεδομένα τηλεπισκόπισης αποχτήθηκαν από το MODIS και χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη αυτή. Το MYD11A1 MODIS Aqua land product (version 5) χρησιμοποιήθηκε καθώς έδωσε τις τιμές της θερμοκρασίας της εδαφικής επιφάνειας. Ακόμη, τα προϊόντα του MODIS (MYD09GA) έδωσαν δεδομένα στο κανάλι 1 (κόκκινο) και στο κανάλι 2 (εγγύς υπέρυθρο) για να υπολογιστεί καθημερινά ο NDVI.
Μέθοδοι:
Η μελέτη επικεντρώνεται στον υπολογισμό καθημερινά της εδαφικής υγρασίας μέσω της τηλεπισκόπησης και συγκρίνει τα αποτελέσματα αυτά με αυτά που μετρήθηκαν πειραματικά με τις διηλεκτρικές συσκευές για όλα τα βάθη. Τελικά η εδαφική υγρασία υπολογίζεται είτε μέσω του δείκτη κορεσμού της εδαφικής επιφάνειας SMSI, ο οποίος εκφράζεται ως μέγιστο ή ελάχιστον της φαινόμενης θερμικής αδράνειας ή μέσα από τα ATI, DLST ή NDVI που χρησιμοποιούν εξισώσεις πρόβλεψης.
Apparent Thermal Inertia (Φαινόμενη θερμική αδράνεια) :
ATI=C 〖1-a〗_0/DLST
a0: albedo και DLST = LSTd – LSTn (LSTd είναι η θερμοκρασία της εδαφικής επιφάνειας την ημέρα [K], LSTn η θερμοκρασία εδαφικής επιφάνειας την νύχτα [K]) και C είναι ο συντελεστής ηλιακής διόρθωσης. C = sinθ sinφ (1-tan2θ tan2φ) + cosθ cosφ arcos (-tanθ tanφ), θ: γεωγραφικό πλάτος και φ: ηλιακή απόκλιση. Υπολογισμός της εδαφικής υγρασίας βασιζόμενος στην φαινόμενη θερμική αδράνειας (ATI) και στον δείκτη κορεσμού του εδάφους (SMSI) : SMSI=(θ-θ_res)/(θ_sat-Θ_res ) , θ: κατ’ όγκο περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία, θ_res: η υπόλοιπη κατ’ όγκο περιεκτικότητα σε υγρασία και θsat: η κατ’ όγκο περιεκτικότητα σε υγρασία όταν το έδαφος είναι κορεσμένο, θ [m3m-3]. Σύμφωνα με τη θεωρία ου μέγιστου και του ελάχιστου στη φαινόμενη θερμική αδράνεια και των δεδομένων που αποκτήθηκαν από την τηλεπισκόπιση (θ_res και θsat) προκύπτει η εξής σχέση: SMSI0= (ATI-〖ATI〗_MIN)/(〖ATI 〗_MAX-〖ATI〗_MIN ) , SMSI0= SMSI Από τις εξισώσεις αυτές προκύπτει: θ(SMSI)= SMSI0*( θsat-θ_res)+ θ_res Οι μεταβλητές ATIMIN και ATIMAX υπολογίστηκαν για τα έτη 2010, 2011 και 2014 ενώ οι θ_res και θsat μετρήθηκαν εργαστηριακά και ήταν ίσες με 0.119 και 0.415 αντίστοιχα. Πρέπει να επισημανθεί πως για τον υπολογισμό της θ μέσω των διηλεκτρικών αισθητήρων λαμβάνεται υπόψη η κάλυψη του εδάφους από βλάστηση, η θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους και άλλοι παράμετροι όπως είναι η κλίση του εδάφους. Όλοι οι παράγοντες αυτοί λαμβάνονται υπόψη για να προβλεφθεί η εδαφική υγρασία θ. Για το έτος 2012 μετρήθηκαν οι θ για όλα τα βάθη και συγκρίθηκαν με αυτές που είχαν προβλεφθεί για το αντίστοιχο έτος στα διάφορα βάθη εδάφους, με τη μέθοδο της γραμμικής παλινδρόμησης, με το μέσο τετραγωνικό σφάλμα και το δείκτη συμβατότητας.
Αποτελέσματα:
Τα αποτελέσματα της μελέτης φαίνονται στα ακόλουθα διαγράμματα: Στο πρώτο διάγραμμα φαίνεται η εξέλιξη της προβλεπόμενης εδαφικής υγρασίας θSMSI και η εξέλιξη στο χρόνο αυτής που μετρήθηκε στα βάθη (φαίνεται η μέση υγρασία SMAver). Παρατηρείται ότι συμβατές είναι οι καμπύλες της θSMSI και της εδαφικής επιφάνειας, των 10 εκ. δηλαδή.
Τέλος, ακολούθησε στατιστική ανάλυση για τα δεδομένα που αναλύθηκαν παραπάνω αλλά και για τα προβλεπόμενα αποτελέσματα. Τα στατιστικά στοιχεία φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα και συνοδεύονται από τα αντίστοιχα διαγράμματα.
Και τα διαγράμματα :
Συμπεράσματα:
Η μελέτη αυτή επικεντρώνεται στον υπολογισμό καθημερινά της εδαφικής υγρασίας από ποικίλα δεδομένα τηλεπισκόπισης. Μετά από τα πειράματα και τους υπολογισμούς για την πρόβλεψη της εδαφικής υγρασίας αποδεικνύεται (στατιστικά) πως πιο κοντά στις πειραματικές μετρήσεις έρχεται η υγρασία θATI, δηλαδή η προβλεπόμενη μέσω της μεθόδου φαινομένης θερμικής αδράνειας. Εξίσου ικανοποιητικά αποτελέσματα έδωσαν και οι υπόλοιπες μετρήσεις, ιδίως αυτή της DLST.
