ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗΣ-Α ΣΤΗ ΛΙΜΝΗ KIVU ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ

Από RemoteSensing Wiki

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Η λίμνη Kivu βρίσκεται στην Ανατολική πλευρά της αφρικανικής κοιλάδας Rift, ανάμεσα στα κράτη της Rwanda και της Δημοκρατίας του Congo σε ύψος 1468m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και έχει συνολική έκταση 2370 km2. Στα βαθύτερα μέρη της έχουν εντοπιστεί μεγάλες συγκεντρώσεις NH4 και CO2. Είναι ολιγοτροφική με μέση συγκέντρωση χλωροφύλλης στα 2.2 mg/m3.

ΣΤΟΧΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η απότιμηση της ετερογένειας της χλωροφύλλης-α στα επιφανειακά νερά της λίμνης Kivu και η εμβάθυνση σε θέματα πρωτογενούς παραγωγής και του ετήσιου κύκλου θρεπτικών ουσιών στη λίμνη. Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας αξιοποιήθηκαν μία σειρά από επτά (7) εικόνες ENVISAT/MERIS FR (MERIS Full Resolution Level 1B data με χωρική ανάλυση 300m) και μία (1) Landsat ETM+ για την χρονική περίοδο 2003-2005.

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Η βάση δεδομένων MERIS γεωμετρικά αναφέρεται σε μία γεωμετρικά διορθωμένη βάση δεδομένων του πανχρωματικού Landsat ETM+, με τη χρήση δορυφορικά δεδομένα και λαμβάνοντας υπόψη τουλάχιστον 20 σημεία ελέγχου (Ground Control Points-GCPs). Με χρήση του μοντέλου ATCOR2 για ατμοσφαιρική διόρθωση, απαλοίφθηκαν διάφορες ακτινοβολίες (“Top of the Atmosphere” (TOA) ακτινοβολίες) τόσο από τις εικόνες MERIS όσο και από αυτή του Landsat ETM+ (Richter, 2005). Επιπλέον, οι TOA ακτινοβολίες διορθώθηκαν με μία ακομή μέθοδο μέσω του επεξεργαστή SMAC (Simplified Method for Atmospheric Correction) από την εργαλειοθήκη (toolbox) BEAM (Brockmann Consult, 2007). Η προκύπτουσα βάση δεδομένων αντανακλαστικότητας εισήθχη στη συνέχεια στο λογισμικό PCI Geomatica [PCI Geomatica, 2005] και υπέσθη γεωμετρική διόρθωση. Εν συνεχεία επιλέχθηκε μία μικρή περιοχή γύρω από τη λίμνη καθώς και μία μικρή “φέτα” νερού (με χρήση του NIR density slice) προκειμένου να μειωθεί έτσι ο όγκος των πληροφοριών προς επεξεργασία.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

1) Αλγόριθμοι

Στη μελέτη αυτή δοκιμάστηκαν πέντε (5) συνολικά αλγόριθμοι (αναλογίες καναλιών) οι οποίες φαίνονται και στον πίνακα 1.

(α) Αναλογίες καναλιών MERIS

(β) Αναλογίες καναλιών Landsat ETM+

Πίνακας 1: Band ratios for MERIS (a) and Landsat (b).

Να αναφεθεί πως ο αλγόριθμος band9 / band7 χρησιμοποιείται σε αρκετές μελέτες [e.g. Kallio et al., 2005], αλγόριθμος band5 / band3 χρησιμοποιείται επιτυχώς για νερά ανοικτών ωκεανών [O`Reilly et al., 2000] ενώ ο αλγόριθμος (band2 – band7) / band5 τροποποιήθηκε ειδικά για τα κανάλια του MERIS.

2) Normalization

Σε όλες τις εικόνες MERIS επιλέχθηκε μία περιοχή όπου οι επιρρόες από σύννεφα και ομίχλη ήταν η μικρότερη δυνατή, με χαμηλά ποσοστά χλωροφύλλης και ιζήματος. Η περιοχή αυτή έχει έκταση 1km x 1.5km με συντεταγμένες – 2°03'18S, 29°14'19E. Καθορίστηκε ένας μέσος όρος φάσματος και για τις επτά εικόνες, ενώ επίσης εξήχθη για κάθε εικόνα, η απόκλιση κάθε καναλιού από από τον εν λόγω μέσο όρο. Η διαφορά αυτή αξιοποιήθηκε σαν μέσο διόρθωσης για το σύνολο της εικόνας στην μετέπειτα επεξεργασία. Σκοπός αυτού είναι μία “ομαλοποίηση” (normalization) της εικόνας σχετικά με τη βελτιωμένη σύγκριση των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης που θα υπολογιστούν.

3) Μοντέλο Παλινδρόμησης

Εφαρμόστηκαν πέντε διαφορετικές αναλογίες καναλιών στα δεδομένα ανακλαστικότητας του MERIS για 30/8/2003. Οι τιμές χλωροφύλλης που προκύπτουν από αυτές συγκρίθηκαν με τα δεδομένα παρατήρησης εδάφους (ground observation data). Τέθηκε ένα παράθυρο 3 x 3 pixels γύρω από τα 3 σημεία καταμέτρησης της χλωροφύλλης. Εξήχθησαν μέσες τιμές δεδομένων για να χρησιμοποιηθούν με τον επιλεγόμενο αλγόριθμο. Εν συνεχεία, ένα μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης αξιοποιήθηκε ώστε να καθοριστεί μία εξίσωση και να παραχθεί η συγκέντρωση χλωροφύλλης από τα δεδομένα ανακλαστικότητας. Τελικά, ο αλγόριθμος 1 από τον Πίνακα 1 χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της χλωροφύλλης-α. Προκύπτουν οι ακόλουθες εξισώσεις: chla = a * (br) + c (Εξ. 1), όπου, a ο συντελεστής παλιδρόμησης για την κλίση, c είναι η διακοπή του μοντέλου και br is η ομαλοποιημένη αναλογία καναλιών από την Εξίσωση 2. br = b9 - c9x / b7 – c7x (Εξ. 2), όπου, b9 και b7 είναι τα κανάλια 9 και 7 του MERIS αντίστοιχα (30/8/2003), η τιμή c9x λειτουργέι για διόρθωση του καναλιού 9 της εικόνας χ, ενώ παρομοίως και η τιμή c7x.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στην Εικόνα 1 (Figure 7) παρουσίαζεται η κατανομή της χλωροφύλλης-α στις 30/8/03, όπως υπολογίστηκε μέσω του αλγόριθμου 3 του Πίνακα 1 μέσω ATCOR2. Παρομοίως η Εικόνα 2 (Figure 8) για SMAC και ίδιο αλγόριθμο. Στο χάρτη με ATCOR2 παρατηρούνται μεγαλύτερες τιμές χλωροφύλλης-α, κυρίως στις παράκτιες περιοχές και στο νότιο μέρος εντός του κόλπου Bukavu. Το μαύρο χρώμα αντιπροσωπεύει τις γύρω περιοχές αλλά και τις ασαφείς περιοχές εντός της λίμνης. Στην Εικόνα 3 (Figure 9) διαφαίνεται η μέση διαχρονική συγκέντρωση της χλωροφύλλης-α σε επτά (7) διαφορετικές ημερομηνίες μεταξύ 2003-2005 από τον MERIS. Η κατανομή χλωροφύλλης παρουσιάζεται μέσω του αλγόριθμου 1 του Πίνακα 1. Οι υψηλές συγκεντρώσεις εντοπίζονται την περιόδο Ιουλίου-Σεπτεμβρίου [Sarmento et al., 2006] και κυρίως στις ημερομηνίες 30/8/2003, 30/8/2004 και 24/8/2005. Οι χαμηλότερες συγκεντρώσεις εντοπίζονται για τις ημερομηνίες αυτές στο κεντρικό και βόρειο τμήμα της λίμνης.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Όλοι οι αλγόριθμοι υπόδειξαν υψηλές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α στις παράκτιες περιοχές και εντός του κόλπου Bukavu. Το βόρειο μέρος της λίμνης παρουσιάζει τις μικρότερες μεταβολές. Υψηλότερες συγκεντρώσεις παρουσιάζονται εκεί όπου τα ποτάμια καταλήγουν στην Kivu, κυρίως στο δυτικό μέρος αλλά και δυτικά στο κόλπο Kabuno, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας τους σε θρεπτικά συστατικά. Ωστόσο οι υψηλές ποσότητες ιζήματος ή διαλυμένης έγχρωμης οργανικής ουσίας (CDOM) δυσκολεύουν την τηλεπισκοπική ερμηνεία πολλών περιοχών.

Εικόνα 1

Εικόνα 2

Εικόνα 3

Πηγή:

MAPPING CHLOROPHYLL-A IN LAKE KIVU WITH REMOTE SENSING METHODS

Mathias Kneubühler(1), Toni Frank(1), Tobias W. Kellenberger(1), Natacha Pasche(2), Martin Schmid(2) (1)Remote Sensing Laboratories (RSL), University of Zürich, Winterthurerstrasse 190, 8057 Zürich, Switzerland Email: kneub[tfrank, knelle]@geo.unizh.ch (2)Eawag, Limnological Research Center, Seestrasse 79, 6047 Kastanienbaum, Switzerland Email: Natacha.Pasche[Martin.Schmid]@eawag.ch