Παρακολούθηση Ξηρασίας και οι επιδράσεις στην βλάστηση

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Τα στοιχεία που συλλέγονται (εδώ και περίπου 30 χρόνια) από τους πολικής τροχιάς περιβαλλοντικούς δορυφόρους NOAA, χρησιμοποιούνται πλέον σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η παρακολούθηση της βλάστησης, η μοντελοποίηση της αγροτικής παραγωγής, η παρακολούθηση και εκτίμηση της κλιματικής αλλαγής, η διαχείριση των φυσικών πόρων όπως επίσης και ο έλεγχος και εντοπισμός φαινομένων ξηρασίας εντοπίζονται και αξιολογούνται με βάση αυτά τα στοιχεία. Το εύρος των εφαρμογών οφείλεται πιθανότατα και στην ανάπτυξη του υγιούς δείκτη βλάστησης (Vegetation Health Index, VHI). Η παρούσα εργασία εξετάζει την δυνατότητα χρήσης του υγιούς δείκτη βλάστησης (VHI ) για τον εντοπισμού κρουσμάτων ξηρασίας, ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις της στον αγροτικό τομέα.

Εισαγωγή

Η ξηρασία είναι χαρακτηριστικό φαινόμενο του Αμερικανικού κλίματος. Οι απώλειες της αγροτικής παραγωγής εξαιτίας της ξηρασίας υπολογίζονται στα 6 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως. Σε περιόδους ακραίας ξηρασίας δε (όπως συνέβη το 1988), οι απώλειες μπορεί να φτάσουν σε πενταπλάσια ή οχταπλάσια επίπεδα. Η παρούσα εργασία χρησιμοποιεί ένα δορυφορικό σύστημα παρατήρησης της επιφάνειας της γης βασισμένο στον δείκτη VHI. Ο δείκτης VHI προέρχεται από τις απογευματινές λήψεις του δορυφόρου NOAA/AVHRR. Στόχος της μελέτης είναι ο εντοπισμός επεισοδίων ξηρασίας μελετώντας την κατάσταση της βλάστησης αλλά και εκτίμηση των επιπτώσεων της στην αγροτική παραγωγή.

Υλικά και Μέθοδοι

Τα δορυφορικά στοιχεία προήλθαν από την βάση δεδομένων GAC (Global Area Coverage) και αφορά καταγραφές του δορυφόρου NOAA/AVHRR. Τα δεδομένα της βάσης GAC δημιουργούνται από την δειγματοληψία και την χαρτογράφηση της καθημερινής ανάκλασης του ΑVHRR (στο ορατό φάσμα (VIS, Ch1, 0.58-068 (µm), στο κοντινό υπέρυθρο (NIR, Ch2, 0.72-1.1 (µm) και σε δύο υπέρυθρα κανάλια (IR, Ch4, 10.3-11.3 and Ch5, 11.5-12.5 µm) σε έναν χάρτη 4 km. Οι συντελεστές ανάκλασης του VIS και του NIR αφού ομαλοποιηθούν χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή του δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Στη συνέχεια η εκπομπή IR μετατρέπεται σε θερμοκρασία φωτεινότητας (brightness temperature, BT) και με χρονικό βήμα επτά ημερών αξιοποιούνται οι τιμές NDVI που εμφανίζουν τις μεγαλύτερες τιμές. Οι εβδομαδιαίες τιμές των NDVI και BT, ολόκληρης της χρονοσειράς, (1981-2007) της παρούσας μελέτης, επεξεργάστηκαν ώστε να αφαιρεθεί ο θόρυβος και να προσδιοριστεί ο εποχιακός κύκλος και η κλιματολογία της περιοχής.

Εικόνα 1: Οι μεγαλύτερες Ξηρασίες στις ΗΠΑ (1981-2006)

Ο VHI (vegetation health index)ο οποίος είναι αντιπροσωπευτικός της ύπαρξης υγιούς βλάστησης και χρησιμοποιείται παγκοσμίως για την παρακολούθηση και χαρτογράφηση της υδρολογικής ξηρασίας των αγροτικών λεκανών απορροής .Είναι συνδυασμός των VCI και του TCI, για την παρακολούθηση της βλάστησης, της υγρασίας και των θερμικών καταστάσεων, ώστε να προσδιοριστούν οι περιοχές οι οποίες έχουν πληγεί από το φαινόμενο της ξηρασίας, δηλαδή είναι ο συνδετικός κρίκος των δεδομένων θερμοκρασίας (TCI) και των δεδομένων κατάστασης βλάστησης (VCI), για αυτόν τον λόγο δίνει πιο αξιόπιστα αποτελέσματα, παρουσιάζοντας μια σφαιρική εικόνα της επικρατούσας κατάστασης. Για να υπολογιστεί ο δείκτης χρησιμοποιείται η εξίσωση:

                                VHI=a(VCI)+b(TCI)

Όπου a και b οι συντελεστές των ποσοστών συμμετοχής κάθε δείκτη για τον υπολογισμό του VHI.

Επιπλέον:

                              VCI = 100*(NDVI - NDVImin) / (NDVImax – NDVImin)

Όπου NDVI, NDVImax, NDVImin είναι οι ομαλοποιημένες τιμές του NDVI για μια συγκεκριμένη περιοχή.

                               TCI = 100*(BTmax - BT) / (BTmax - BTmin)

Όπου BT, BTmax, BTmin είναι οι ομαλοποιημένες τιμές BT

Ξηρασία , πίεση βλάστησης και απώλειες συγκομιδών

Τα τελευταία 15 χρόνια, ο δείκτης VHI έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για την ανίχνευση της ξηρασία-που σχετίζεται με την βλάστηση και την εκτίμηση των επιπτώσεων στην γεωργία στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Τα στοιχεία έδειξαν ότι η χρήση του VHI επιτρέπει την ανίχνευση φαινομένων ξηρασίας μέχρι και δύο μήνες πριν (πολύ πριν από τη συγκομιδή) σε σχέση με άλλες τεχνικές. Επιπλέον παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια

Η εικόνα 1 απεικονίζει τα διάφορα κρούσματα ξηρασίας στις ΗΠΑ υπολογισμένα με το δείκτη VHI. Όπως φαίνεται τα φαινόμενα ξηρασίας διαφέρουν ως επί το πλείστον ως προς την κάλυψη, το συγχρονισμό και την ένταση αν αλλά δεν αποκλείεται το γεγονός να είναι και ίδια. Παραδείγματος χάριν, τα κρούσματα ξηρασίας του 1989 και 1996, της Κεντρικής Αμερικής εμφανίστηκαν στις αρχές της άνοιξης και επηρέασαν την παραγωγή σίτου στις μεγάλες πεδιάδες (στα κεντρικά και βόρεια τμήματα) όμως το φαινόμενο υποχώρησε. Συνεπώς, η συνολική συγκομιδή δεν επηρεάσθηκε. Αντίθετα η έξαρση του φαινομένου το 2002 και 2003 ( στις Δυτικές ΗΠΑ) προκάλεσε μεγάλες πυρκαγιές με ανυπολόγιστες καταστροφές.

Η ξηρασία του 1988 θεωρείται η πιο καταστροφική των τελευταίων 30 ετών γιατί επηρέασε πολλά κράτη (από Βορρά ως Νότο) αλλά είχε επιπτώσεις στην οικονομία, το περιβάλλον, την άγρια ζωή και την υγεία. Αντίθετα η ξηρασία του 2006 επηρέασε μόνο δύο κράτη (Τέξας και Οκλαχόμα) επιφέροντας όμως το ίδιο μεγάλες καταστροφές. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του VHI, στο 55% της έκτασης της Οκλαχόμα η ξηρασία είχε ακραίες τιμές (εικόνα 2). Παρόμοια αποτελέσματα υπήρξαν και το 1996.

Εικόνα 2: Αποτελέσματα VHI για τις περιοχές της Οκλαχόμα και του Τέξας

Συμπεράσματα

Ο νέος δείκτης υγείας βλάστησης (VHI), χαρακτηρίζει την κατάλληλη υγρασία, θερμοκρασία και γενικά όλους εκείνους τους παράγοντες που επιτρέπουν το φυτό να αναπτυχθεί σωστά. Έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στην ανίχνευση ξηρασίας σε πρώιμο στάδιο και εκτίμηση των απωλειών της πρωτογενής παραγωγής στις Η.Π.Α. Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές της τηλεπισκόπισης ο δείκτης VHI βασίζεται στους τρεις νόμους που διέπουν τα περισσότερα οικοσυστήματα.

Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι ότι χρησιμοποιεί το συνδυασμό NDVI και 10.3-11.3 του υπέρυθρου καναλιού (IR). Δοκιμές δεκαπέντε ετών έδειξαν ότι η νέα αυτή μέθοδος μπορεί να ανιχνεύσει φαινόμενα ξηρασίας 4-8 εβδομάδες νωρίτερα, σε σχέση με άλλες τεχνικές, με μεγαλύτερη ακρίβεια και μείωση κατά συνέπεια των απωλειών.

Ο δικτυακός τόπος του NOAA/NESDIS παρέχει πληθώρα στοιχείων που βοηθούν στον υπολογισμό του VHI (http://www.orbit.nesdis.noaa.gov/smcd/emb/vci/VH) και ανανεώνονται κάθε Τετάρτη από το 2008. Στο πίνακα 2 φαίνονται τα κύρια χαρακτηριστικά του κάθε προϊόντος της βάσης δεδομένων GVI-x.

Πίνακας 1: Περιγραφή βασικών προϊόντων GVI-x

Πηγή: Kogan F. (2003) Monitoring Drought and its Impacts on Vegetation from Space