Τηλεπισκόπηση της λειτουργίας του ημίξηρου οικοσυστήματος της ανώτερης λεκάνης του ποταμού San Pedro, Αριζόνα
Από RemoteSensing Wiki
Remote sensing of semi-arid ecosystem function in the upper San Pedro river Basin, Arizona, M.S. Moran, D.G. Williams, D. Goodrich, A. Chehbouni, A. Begue, G. Boulet, R. Davis, G. Dedieu, W. Eichinger, J. Everitt, B. Goff, C. Harlow, D. Hymer, A. Kahle, T. Keefer, Y.H. Kerr, R. Marsett, Y. Nouvellon, J. Qi, S. Schaeffer, J. Schieldge, K. Snyder, J. Toth, C. Watts, and I. Yucel, http://www.tucson.ars.ag.gov/salsa/archive/publications/ams_preprints/moran.PDF
Αντικείμενο και στόχος της εφαρμογής
Η λειτουργία του οικοσυστήματος της ημίξηρης λεκάνης του ποταμού San Pedro, στην Αριζόνα, συνδέεται άμεσα με τις ακραίες κλιματικές συνθήκες και τη μοναδική φυσιολογία της ξηροφυτικής και της παραποτάμιας βλάστησης. Ένας στόχος του προγράμματος SALSA (Semi-Arid Land Surface Atmosphere) ήταν ο έλεγχος του εδάφους, των φυτών και των ατμοσφαιρικών συνθηκών της ανώτερης λεκάνης του ποταμού που θα βοηθούσε στην καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας του οικοσυστήματος και στη διαχείριση των περιορισμένων φυσικών πόρων. Αναπόσπαστο κομμάτι αυτού του στόχου ήταν η χρήση της τηλεπισκόπησης για τη μέτρηση των χαρακτηριστικών της γης στις επιθυμητές καιρικές και διαστημικές κλίμακες. Οι κλίμακες αυτές ποίκιλαν από ωριαίες μετρήσεις μεμονωμένων δέντρων (κατάλληλες για αισθητήρες που χειρίζονται με το χέρι) μέχρι μηνιαίες μετρήσεις ολόκληρης της λεκάνης (κατάλληλες για δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά). Ένα διεπιστημονικό πείραμα διεξήχθη το 1997 για να διερευνήσει τη σύνδεση μεταξύ της βλάστησης και των υδρολογικών διεργασιών και να προσδιορίσει τις σχέσεις ανάμεσα σ’ αυτές τις διεργασίες και τη φασματική απόκριση φυτών και εδάφους.
Περιοχή μελέτης
Κατά τη διάρκεια της αυξητικής περιόδου του 1997, λήφθηκαν μετρήσεις των χαρακτηριστικών και των διαδικασιών των οικοσυστημάτων στο ανώτερο τμήμα της λεκάνης του ποταμού San Pedro στην Αριζόνα (ΗΠΑ) και το Μεξικό. Στην Αριζόνα οι εργασίες εστιάστηκαν στην παρόχθια ζώνη κοντά στην περιοχή Lewis Spring, ενώ στο Μεξικό διεξήχθησαν σε δύο ορεινές περιοχές (Zapata και Morelos).
Σχετικές τηλεπισκοπικές μετρήσεις
Σε συνδυασμό με τα πειράματα στις παραποτάμιες και ηπειρωτικές περιοχές, λαμβάνονταν μηνιαίες συλλογές εικόνων από τους δορυφόρους Landsat TM και ERS-2 SAR. Επιπλέον σε κάθε περιοχή, λήφθησαν μετρήσεις θερμοκρασίας και ανακλαστικότητας της γης με χειροκίνητα ραδιόμετρα για μικρής κλίμακας μελέτες και για επαλήθευση των δορυφορικών εικόνων. Στην περιοχή Lewis Spring στην Αριζόνα, προγραμματίστηκαν πέντε περίοδοι για μετρήσεις (Μάρτιος, Απρίλιος, Ιούνιος, Αύγουστος και Οκτώβριος 1997). Αυτές συνέπεσαν με τα φαινολογικά στάδια των δέντρων και τις περιβαλλοντικές συνθήκες, καθώς και το πέρασμα των δορυφόρων Landsat και ERS-2. Επιπλέον, έγιναν διευθετήσεις ώστε τα αεροπλάνα που θα διέσχιζαν την περιοχή να παρέχουν εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας (1, 5 και 15m) της παραποτάμιας περιοχής, των συνόρων με το Μεξικό και άλλων ηπειρωτικών περιοχών με αυξημένο ενδιαφέρον. Σε συνδυασμό με κάθε πέρασμα, λάμβανε χώρα ένας αριθμός διαδικασιών στο έδαφος, που έδινε τη δυνατότητα για ατμοσφαιρικές και συστηματικές διορθώσεις των δεδομένων (Qi et al., 1997). Οι διαδικασίες αυτές περιλάμβαναν τη χρήση μεγάλων βαθμονομημένων καλυμμάτων αναφοράς, που μπορούσαν εύκολα να οπτικοποιηθούν από τους αερομεταφερόμενους αισθητήρες, επί τόπου μετρήσεις ανακλαστικότητας φυτών και εδάφους σε μεγάλες περιοχές, ημερήσιες μετρήσεις της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας για τον υπολογισμό του ατμοσφαιρικού οπτικού βάθους και εκτόξευση μπαλονιών ραδιοβόλισης την ώρα του περάσματος για τη μέτρηση των ατμοσφαιρικών υδρατμών. Τα επιστημονικά ζητήματα που έπρεπε να προσεγγίζουν οι επιστήμονες που έλαβαν μέρος στο πρόγραμμα SALSA και χρησιμοποίησαν τηλεπισκοπικά δεδομένα, μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες:
- Επεξεργασία εικόνων
- Εκτίμηση της επιφανειακής βλάστησης και των εδαφικών και ατμοσφαιρικών συνθηκών
- Εκτίμηση της κλίμακας μετρήσεων
Επεξεργασία εικόνων
Οι εικόνες που λήφθηκαν στο πείραμα SALSA κάλυπταν ένα μεγάλο εύρος φασματικών μηκών κύματος και διαστημικών κλιμάκων. Οι εικόνες από τον Landsat TM και τον ERS-2 SAR δείχνουν τη χωρική κάλυψη των δορυφόρων σε τροχιά και τη διαφορά στο πληροφοριακό περιεχόμενο των δύο μηκών κύματος (εγγύς υπέρυθρο και ραντάρ συνθετικής απεικόνισης (SAR)). Οι εικόνες από τους αερομεταφερόμενους αισθητήρες δείχνουν επιπρόσθετες πληροφορίες, διαθέσιμες από αισθητήρες υψηλής διακριτικής ικανότητας. Στην υψηλότερη διακριτική ικανότητα (θερμικά δεδομένα Agrometrics 0,6m) είναι δυνατή η διάκριση της θερμοκρασίας μεμονωμένων δέντρων και θάμνων. Αν και η οπτική εκτίμηση των εικόνων είναι ενδιαφέρουσα, οι επιστημονικοί στόχοι του προγράμματος SALSA απαιτούσαν τα δεδομένα των εικόνων να καταχωρηθούν σε συντεταγμένες UTM και να μετατραπούν σε φυσικές ιδιότητες της γης όπως ανακλαστικότητα, θερμοκρασία και οπισθοσκέδαση. Επιπλέον, οι περισσότεροι επιστήμονες είχαν σκοπό να χρησιμοποιήσουν τα τηλεπισκοπικά δεδομένα σε φυσικά μοντέλα που απαιτούν υψηλό βαθμό ακρίβειας στις μετρήσεις. Όλες οι εικόνες του SALSA καταχωρήθηκαν σε UTM συντεταγμένες με ακρίβεια 0,5 εικονοστοιχείο στις περισσότερες περιπτώσεις. Οι εικόνες του Landsat TM είχαν διόρθωση εδάφους από το USGS και είχαν ακρίβεια 0,75 εικονοστοιχεία τόσο σε πεδινές όσο και ορεινές περιοχές. Η ακρίβεια αυτή θεωρείται βελτιωμένη σε σχέση με τα 3-6 εικονοστοιχεία που έχουμε σε ορεινές περιοχές με τη χρήση χειροκίνητης καταχώρησης χωρίς διόρθωση εδάφους. Η πρώτη εικόνα που παράχθηκε από τα δεδομένα του SALSA ήταν ένας χάρτης υψηλής ανάλυσης βιομορφών της βλάστησης της λεκάνης του San Pedro, που δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση διαφόρων φασματικών τάξεων που αποκτήθηκαν από τον αερομεταφερόμενο αισθητήρα Deadalus με διαχωριστική ικανότητα 5m. Ο χάρτης αυτός επικυρώθηκε μετά από αναγνώριση στο πεδίο και χρησιμοποιήθηκε ως βάση για τις υπόλοιπες μελέτες.
Εκτίμηση της επιφανειακής βλάστησης και των εδαφικών και ατμοσφαιρικών συνθηκών
Ο κύριος όγκος του προγράμματος SALSA εστιάζει στην αφομοίωση των πληροφοριών της τηλεπισκόπησης σε φυσικά μοντέλα για να προσδιορίσει χαρακτηριστικά όπως η αύξηση της βλάστησης, οι συνθήκες υγρασίας του εδάφους και οι ρυθμοί εξατμισοδιαπνοής των φυτών και του εδάφους. Η εκτίμηση των χαρακτηριστικών του εδάφους επετεύχθη χρησιμοποιώντας διάφορες προσεγγίσεις. Οι Begue et al. ανέστρεψαν ένα μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας του θόλου για να προσδιορίσουν τη δομή του θόλου (πυκνότητα των φυτών, περιοχή των φύλλων, φυτοκάλυψη) από την ανακλαστικότητά του μετρημένη από αερομεταφερόμενους αισθητήρες. Οι Nouvellon et al. ανέπτυξαν και δοκίμασαν ένα λειτουργικό μοντέλο βλάστησης που μπορεί να χρησιμοποιήσει δεδομένα τηλεπισκόπησης για να προσδιορίσει την εποχιακή δυναμική της ζωντανής και της νεκρής βιομάζας. Οι Chehbouni et al. χρησιμοποίησαν μια προσέγγιση που συνδύαζε κατευθυνόμενα δεδομένα στο ορατό, εγγύς υπέρυθρο και θερμικό φάσμα για να συμπεράνουν τα χαρακτηριστικά και την κατάσταση της βλάστησης. Η υγρασία του εδάφους εκτιμήθηκε μέσα από ολοκληρωμένη ανάλυση από SAR οπισθοσκέδαση και ανακλαστικότητα του εδάφους στα κανάλια του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου (Moran et al.). Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βαθμονόμηση και επαλήθευση μοντέλων προσομοίωσης, που θα επιτρέπουν διαστημική εξακρίβωση των συνθηκών υγρασίας του εδάφους σε βάθος (Hymer et al.). Η εκτίμηση της επιφανειακής εξατμισοδιαπνοής έλαβε τη μεγαλύτερη προσοχή από τους επιστήμονες του SALSA. Μια προσέγγιση ήταν η χρήση τηλεπισκοπικών πληροφοριών για να οδηγήσουν ή να βαθμονομήσουν φυσικά μοντέλα. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιήθηκε με ένα μέσης κλίμακας μετεωρολογικό μοντέλο (Toth et al.), ένα βασικό μοντέλο ενεργειακής ισορροπίας (Chehbouni et al.) και ένα SVAT (έδαφος-βλάστηση-ατμόσφαιρα) μοντέλο (Boulet et al.; Harlow et al.). Μια άλλη προσέγγιση ήταν ο συνδυασμός σημειακών μετρήσεων του ρυθμού εξατμισοδιαπνοής με χωρικές πληροφορίες από τηλεπισκοπικές εικόνες για την επέκταση των μετρήσεων σε μια ετερογενή περιοχή (Qi et al.; Goodrich et al.).
Εκτίμηση της κλίμακας μετρήσεων
Η μεγάλης κλίμακας εκτίμηση της ενεργειακής ισορροπίας του ημίξηρου, τοπογραφικά αδρού εδάφους είναι δύσκολη καθώς οι τύποι βλάστησης και χώματος αλλάζουν γρήγορα σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων μέτρων. Έτσι, έρχεται στην επιφάνεια το ερώτημα της αντιπροσωπευτικότητας των σημειακών μετρήσεων ενεργειακής ροής. Διεξάγονται έρευνες για τη χρήση τηλεπισκοπικών πληροφοριών σε συνδυασμό με σημειακές μετρήσεις ροής για την εκτίμηση της κατάλληλης κλίμακας μετρήσεων επιφανειακών ροών σε ορεινό, ετερογενές έδαφος (Kerr et al.; Eichinger et al.; Schieldge et al.). Οι πληροφορίες αυτές θα είναι χρήσιμες για τον προσδιορισμό των καταλληλότερων τοποθεσιών για τα μικρομετεωρολογικά όργανα σε μελλοντικά πειράματα.
