Τεχνική βασισμένη στην τηλεπισκόπηση για την πρόβλεψη της ποιότητας υδάτων από διαφορετικές πηγές
Από RemoteSensing Wiki
A remote sensing based framework for predicting water quality of different source waters
ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: T. A. Akbar, G. Acharia, Q. K. Hassanb
Πηγή: [1]
1. Παρουσίαση του προβλήματος
Η κατανόηση της ποιότητας των πηγών υδάτων είναι σημαντική στο να καθοριστεί το πόση επεξεργασία χρειάζεται το νερό για να είναι κατάλληλο για ανθρώπινη κατανάλωση. Παραδοσιακά, οι δείκτες ποιότητας του νερού καθορίζονταν μέσω της συλλογής δειγμάτων από τις πηγές ενδιαφέροντος και της ανάλυσής τους σε εργαστήρια. Στην σημερινή εποχή όμως υπάρχουν και πιο σύγχρονες τεχνολογίες.
2. Σκοπός της εφαρμογής
Προκειμένου να αντιμετωπιστούν η χωρική και χρονική μεταβλητότητα, μέθοδοι βασισμένοι στην τηλεπισκόπηση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό διαφόρων παραμέτρων που έχουν σχέση με την ποιότητα των υδάτων. Αυτές οι μέθοδοι έχουν αρκετά πλεονεκτήματα, όπως είναι η συνεχής χωρική κάλυψη δορυφορικών δεδομένων για ένα ολόκληρο υδάτινο σώμα, η δυνατότητα να αξιολογούν την ποιότητα του νερού σε απομακρυσμένες περιοχές, η διαθεσιμότητα δορυφορικών δεδομένων όλες τις εποχές του χρόνου, αποτελεσματική ανάλυση και το σχετικά χαμηλό κόστος. Σε αυτό το άρθρο οι στόχοι είναι οι εξής :
- Ο προσδιορισμός των μεταβλητών ποιότητας του νερού που επηρεάζουν την τροφική κατάσταση της επιφανειακής ποιότητας των υδάτων στην περιοχή της Alberta.
- Η ανάπτυξη ενός πλαισίου βασισμένο στην τηλεπισκόπηση για την πρόβλεψη της ποιότητας των υδάτων στην περιοχή της Alberta.
3. Μεταβλητές ποιότητας νερού
Οι βασικές ανεξάρτητες μεταβλητές της ποιότητας του νερού που επηρεάζουν την τροφική κατάσταση της επιφανειακής ποιότητας των υδάτων στην Alberta είναι οι εξής : Χλωροφύλλη – α : Είναι μία φωτοσυνθετική χρωστική ουσία στα φυτά, τα φύκια και τα κυανοβακτήρια. Δεδομένου ότι ενεργεί ως σύνδεσμος μεταξύ της συγκέντρωσης των θρεπτικών ουσιών (ιδίως του φωσφόρου) και της παραγωγής φυκιών θεωρείται ένας σημαντικός δείκτης της τροφικής κατάστασης στις λίμνες της περιοχής. Οι αναλογίες των οπτικών φασματικών δεσμών χρησιμοποιήθηκαν για να ποσοτικοποιήσουν τη χλωροφύλλη – α (πχ. αναλογία μεταξύ πράσινου 0.5 – 0.6 μm και κόκκινου 0.6 – 0.7 μm). Βάθος δίσκου Secchi [2] : Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διαφάνειας των υδάτινων σωμάτων. Οι αναλογίες των οπτικών φασματικών δεσμών (μπλε και πράσινο, πράσινο και κόκκινο και σκέτο κόκκινο) χρησιμοποιήθηκαν για να ποσοτικοποιήσουν αυτήν την παράμετρο στα υδάτινα σώματα. Συνολικός φώσφορος : Είναι μία μέτρηση των ανόργανων, οργανικών και διαλυμένων μορφών του φωσφόρου. Μπορεί να συνδεθεί άμεσα με τη βιομάζα του φυτοπλαγκτού και έμμεσα με τη διαύγεια του νερού. Θολότητα : Είναι ένα μέτρο της καθαρότητας του νερού που προκαλείται από την ποσότητα των αιωρούμενων σωματιδίων, όπως είναι το χώμα, τα λύματα κλπ. Συνδέεται με το εισερχόμενο ηλιακό φως, το οποίο επηρεάζει τη φωτοσύνθεση για την αύξηση των φυκιών. Μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τη χρήση οπτικών φασματικών δεσμών και αυτή. Θερμοκρασία : Αποτελεί μία σημαντική μεταβλητή, η οποία ρυθμίζει φυσικές, βιολογικές και χημικές διαδικασίες. Επηρεάζει τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό. Είναι σημαντικό να αναλυθεί, καθώς αλλάζει ανάλογα με την εποχή. Η υπέρυθρη θερμική ζώνη (8,0 έως 14,0 μm) μετρά την ποσότητα της υπέρυθρης ροής ακτινοβολίας (θερμότητας) που εκπέμπεται από υδάτινες επιφάνειες.
4. Προτεινόμενο πλαίσιο
Στην εικόνα 1 φαίνεται ένα διάγραμμα του προτεινόμενου πλαισίου. Στην συνέχεια αναφέρονται συνοπτικά οι διάφορες συνιστώσες του. Το προτεινόμενο πλαίσιο εμπεριέχει την πρόβλεψη της ποιότητας των υδάτων όλων των πηγών που παρέχουν πόσιμο νερό στην Alberta. Τα δεδομένα των επίγειων μετρήσεων δειγμάτων νερού θα ληφθούν από περιοχές δειγματοληψίας με γεωγραφικές τοποθεσίες σε όλες τις πηγές υδάτων. Θα εμπεριέχουν συγκεντρώσεις και των πέντε προαναφερθέντων μεταβλητών. Η δορυφορική φασματική ανάκλαση που αποκτήθηκε από διάφορες φασματικές ζώνες (μπλε, πράσινο, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο και θερμικό υπέρυθρο) θα χρησιμοποιηθεί για την ποσοτικοποίηση των διάφορων μεταβλητών. Τα δεδομένα από LANDSAT TM/ETM+ χρησιμοποιούνται ευρέως για μελέτες ποιότητας εγχώριων υδάτων. Γενικά συνιστώνται τα δεδομένα από LANDSAT-5, καθώς παρέχουν πλήρη κάλυψη δεδομένων. Ωστόσο, λόγω της απρόβλεπτης φύσης του να δουλεύει κάποιος με δεδομένα από Landsat, προτιμώνται δορυφορικά δεδομένα μέσω MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, [3]). Η χωρική ανάλυση αυτών των δεδομένων ποικίλει από 250 μέτρα έως 1 χλμ. Τα δεδομένα είναι ήδη επεξεργασμένα (σε αντίθεση με αυτά του Landsat) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ποσοτικοποίηση των μεταβλητών της ποιότητας του νερού. Ο σύντομος κύκλος επανεπίσκεψης (1-2 μέρες) του MODIS το καθιστά πιο ευεργετικό για τις μελέτες της ποιότητας του νερού, αλλά η χρήση του δεν συνιστάται για τα εσωτερικά ύδατα, λόγω της χαμηλής χωρικής ανάλυσης του. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, προτείνεται η χρήση του νέου μοντέλου σύντηξης της χωρικής και χρονικής προσαρμοστικής ανάκλασης (STARFM), το οποίο είναι και η νέα μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί στην περιοχή μελέτης. Μετά την ενίσχυση της χωρικής ανάλυσης των δεδομένων MODIS στα περίπου 30 μέτρα, θα υπολογιστούν οι μεταβλητές ποιότητας του νερού. Τα δεδομένα που μετρήθηκαν στο έδαφος θα χωριστούν σε δύο κατηγορίες που θα εμπεριέχουν το 60% και 40% αντίστοιχα των δεδομένων αυτών. Με χρήση του 60% των δεδομένων θα ποσοτικοποιηθούν οι σχέσεις μεταξύ των μεταβλητών και των φασματικών ζωνών, προσφέροντας μοντέλα με πιο κατάλληλες ζώνες από τις οποίες θα υπολογιστούν οι μεταβλητές. Αυτά τα μοντέλα θα χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη των μεταβλητών ποιότητας του νερού σε οποιαδήποτε τοποθεσία επιφανειακών πηγών υδάτων. Το μοντέλα θα επικυρωθούν χρησιμοποιώντας το υπόλοιπο 40% των δεδομένων.
5. Σχολιασμός
Προτάθηκε ένα πλαίσιο βασισμένο στην τηλεπισκόπηση για την πρόβλεψη της ποιότητας των υδάτων σε διαφορετικές πηγές, με τη σύνθεση δορυφορικών και επίγειων δεδομένων. Αυτό το σύστημα, το οποίο ακόμα αναπτύσσεται, θα βοηθήσει στη δημιουργία τάξεων πηγών υδάτων στην περιοχή μελέτης. Αυτό θα είναι τρομερά χρήσιμο, καθώς τέτοιο σύστημα ταξινόμησης δεν υπάρχει πουθενά. Η επιτυχία αυτού του έργου θα οδηγήσει στην ανάπτυξη παρόμοιων μοντέλων σε άλλες περιοχές του Καναδά, αλλά και σε ολόκληρο τον κόσμο.
