Χαρτογράφηση διάβρωσης εδάφους χρησιμοποιώντας RUSLE, GIS, & RS: Η περίπτωση του υδροκρίτη Miyun στη Βόρειο Κίνα.

Από RemoteSensing Wiki

Regional soil erosion risk mapping using RUSLE, GIS and remote sensing: a case study in Miyun Watershed, North China
Συγγραφείς: Tao chen, Rui Niu, Ping-xiang Li, Liang-pei Zhang, Bo Du
Received: 19 November 2009 / Accepted: 16 August 2010 / Published online: 31 August 2010 Springer-Verlag 2010
Πηγή: https://springerlink3.metapress.com/content/v70v7071j147858k/resourcesecured/?target=fulltext.pdf&sid=1jxebs221xktnmmkdbpumjib&sh=www.springerlink.com

1) Αντικείμενο Εφαρμογής

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης αποτελεί η διάβρωση και υποβάθμιση των εδαφών. Οι αρνητικές επιδράσεις της πλατιά διαδεδομένης διάβρωσης στην υποβάθμιση του εδάφους, την αγροτική παραγωγή, την ποιότητα του νερού και τα υδρολογικά συστήματα και περιβάλλοντα έχουν αναγνωριστεί εδώ και καιρό ως έντονα προβλήματα ανθρώπινης βιωσιμότητας (La 1998). Έχουν επίσης μακροπρόθεσμες οικονομικές, πολιτικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις λόγω των ζημιών που προκαλούν τοπικά και περιφερειακά. Η διάβρωση και η υποβάθμιση δεν μειώνουν μόνο την παραγωγικότητα της γης αλλά και οδηγούν σε μεγαλύτερη ζημιά, αυτή της απώλειας εδάφους.

2) Σκοπός Εφαρμογής

Στόχος της εφαρμογής είναι η ποσοτικοποίηση της διάβρωσης του εδάφους χρησιμοποιώντας τον δείκτη RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation, Αναθεωρημένη Παγκόσμια εξίσωση απώλειας εδάφους), την τεχνικής της τηλεπισκόπησης (RS) και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS). Στη συγκεκριμένη μελέτη επιλέχθηκε η δεξαμενή της Miyun, η οποία βρίσκεται στον ποταμό Chaobaine, παρέχει πόσιμο νερό στο Πεκίνο, το οποίο έχει πληθυσμό 14,93 εκατ.. Φερτά υλικά και θρεπτικά στοιχεία από αγροτικές, χέρσες και δασικές περιοχές, τα οποία εισάγονται στη δεξαμενή μέσω της διάβρωσης αποτελούν τους κύριους παράγοντες μόλυνσης, και έχουν αντίκτυπο στην ασφάλεια των αποθεμάτων νερού του Πεκίνου και τη διαχείριση και διάρκεια ζωής της δεξαμενής. Από πλευράς διάβρωσης , τα εδάφη βρίσκονται υπό σοβαρό κίνδυνο λόγω της λοφώδους τοπογραφίας, των συνθηκών εδάφους ( π.χ. λεπτόκοκκο, χαμηλό σε οργανικά στοιχεία , χαμηλή κάλυψη βλάστησης λόγω του ημί-ξηρού κλίματος) και ακατάλληλες αγροτικές πρακτικές (υπερβολική καλλιέργεια των εδαφών και καλλιέργεια επικλινών περιοχών). Για να προστατευθεί η ποιότητα του νερού είναι απαραίτητο να μειωθεί η διάβρωση στο ανώτερο (stream) της δεξαμενής Miyun. Η εκτίμηση της τρέχουσας κατάστασης διάβρωσης είναι πολύ σημαντική για τον προσδιορισμό των μέτρων που θα εφαρμοστούν. Μάλιστα κρίνεται ότι είναι ζωτικής σημασίας να εκτιμηθεί η κατάσταση της διάβρωσης, ειδικά μια αξιολόγηση κινδύνου σε περιφερειακή κλίμακα για μια βιώσιμη διαχείριση και διατήρηση των αγροτικών περιοχών. Συμπερασματικά, ο σκοπός της μελέτης ήταν να χρησιμοποιηθεί ένα απλοποιημένο μοντέλο RUSLE που να βασίζεται στην ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης και του GIS ώστε να αξιολογηθεί άμεσα ο κίνδυνος διάβρωσης και να αναγνωριστούν – εντοπιστούν οι περιοχές που είναι πιο ευάλωτες στη διάβρωση και όπου απαιτείται σχεδιασμός προγραμμάτων συντήρησης εδάφους και εφαρμογή του στο upper watershed της δεξαμενής Miyun στην Κίνα.

3) Πως γινόταν παλαιότερα

Πολλά εμπειρικά μοντέλα, τα οποία βασίζονταν σε γεωμορφολογικούς παράγοντες αναπτύχθηκαν στο παρελθόν για να ποσοτικοποιήσουν τη στερεοπαροχή για την αξιολόγηση της διάβρωσης από τον υδροκρίτη. Πολλές άλλες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη θέτιση προτεραιοτήτων των watersheds. Πρακτικά ο USLE και αργότερα ο Αναθεωρημένος USLE αποτέλεσαν τα πιο πλατιά δεδομένα μοντέλα για την πρόβλεψη της απώλειας (εδάφους). Παραδοσιακά τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για τον τοπικό σχεδιασμό προγραμμάτων διατήρησης σε επίπεδο ιδιωτικής ιδιοκτησίας. Οι παράγοντες που χρησιμοποιούνται στα μοντέλα αυτά υπολογίζονταν και εκτιμούνταν συνήθως με βάση μετρήσεις υπαίθρου. Οι μέθοδοι ποσοτικοποίησης απώλειας εδάφους που βασίζονται σε περιοχές διάβρωσης έχουν πολλούς περιορισμούς όσον αφορά το κόστος, την εκπροσώπηση και την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Δεν μπορούν να μας δώσουν χωρική κατανομή απώλειας εδάφους (διάβρωσης) λόγω του γεγονότος ότι υπάρχουν πολύ λίγα δείγματα σε πολύπλοκα περιβάλλοντα. Επομένως, η χαρτογράφηση της διάβρωσης εδάφους σε μεγάλες περιοχές είναι συνήθως πολύ δύσκολη με αυτές τις παραδοσιακές μεθόδους. Η χρήση της τηλεπισκόπησης και του GIS κάνει την εκτίμηση και τη χωρική κατανομή της διάβρωσης εδάφους πιο εφικτές με ένα λογικό κόστος και μεγαλύτερη ακρίβεια για τις μεγάλες περιοχές. Οι έρευνες αυτές έδειξαν ότι αυτές οι μέθοδοι παρέχουν σημαντικά καλύτερα αποτελέσματα από ότι οι παραδοσιακές. Γενικά, τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης χρησιμοποιήθηκαν πρωταρχικά για την ανάπτυξη της εικόνας cover management factor μέσω κατατάξεων, land-cover classifications του τοπογραφικού παράγοντα από τα δεδομένα DEM, την παρεμβολή δεδομένων των δειγμάτων της γης και τον υπολογισμό της απώλειας διάβρωσης εδάφους.

4) Υλικά και Μέθοδος που ακολουθήθηκε

4.1) Δεδομένα

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην εν λόγω εργασία είναι: α) εικόνες από τον Landsat ETM+, β) χάρτες χρήσης\κάλυψης γης κλίμακας 1:50000, γ) στοιχεία βροχοπτώσεων από οκτώ (8) μετεωρολογικούς σταθμούς. Τέσσερα κανάλια εικόνων του Landsat ETM+ με χωρική διακριτική ικανότητα στα 30m, που πάρθηκαν στις 14 και στις 21 Νοεμβρίου του 2005 χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη αυτή. (Πίνακας 1)

Πίνακας 1 εικόνες Landsat ETM+ που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη

Image no -> Path/Row -> Date

1 -> 123-031 -> 14 Nov 2005
2 -> 123-032 -> 14 Nov 2005
3 -> 124-031 -> 21 Nov 2005
4 -> 124-032 -> 21 Nov 2005

Επιπλέον στη μελέτη για τον έλεγχο της διάβρωσης που διεξήχθη διαδοχικά σε εθνική και περιφερειακή κλίμακα στην Κίνα χρησιμοποιήθηκαν τα κατωτέρω πρότυπα. Στο εθνικό επαγγελματικό πρότυπο SL 190-96 ο κίνδυνος διάβρωσης του εδάφους κατατάσσεται σε έξι επίπεδα σε σχέση με την απώλεια εδάφους.(Πίνακας 2, Υπουργείο Υδατικών Πόρων της Λαικής Δημοκρατίας της Κίνας 1997).

Επίπεδο Κινδύνου διάβρωσης -> Ένταση -> Απώλεια Εδάφους(t ha-1 ya-1)

Πολύ χαμηλός -> Ελαφριά -> <10
Χαμηλός -> Λίγη -> 10-25
Μέτριος -> Μέτρια -> 25-50
Σοβαρός -> Σοβαρή -> 50-80
Πολύ σοβαρός -> Πολύ σοβαρή -> 80-150
Εξαιρετικά σοβαρός -> Εξαιρετικά σοβαρή -> >150

4.2) Προ-επεξεργασία εικόνων από δορυφόρο

Εκτός από τη γεωμετρική διόρθωση απαιτήθηκε και ατμοσφαιρική διόρθωση για να διατηρηθούν οι εικόνες συνεπείς. Έγινε η επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων με το λογισμικό ENVI 4.4. Το διανυσματικό επίπεδο DEM με χωρική διακριτική ικανότητα στα 30m παρήχθη από τοπογραφικό χάρτη σε κλίμακα 1:50.000, της Κρατικής Τοπογραφικής Υπηρεσίας της δεκαετίας του 1980. Οι χάρτες χρήσης\κάλυψης γης σε κλίμακα 1:50.000 της περιοχής μελέτης χρησιμοποιήθηκαν ώστε να εκτιμηθούν-αξιολογηθούν τα επίπεδα της κάλυψης χρήσης γης.(Ινστιτούτο Γεωγραφικών Επιστημών και Έρευνας Φυσικών Πόρων CAS το 1989). Οι χρήσεις γης περιλαμβάνουν την καλλιεργήσιμη, τη δασική, τη χέρσα, την υδάτινη, την οικοδομήσιμη, την αμμώδη, την πεδινή, την αλκαλική, την άγονη ή τη βραχώδη γη.

4.3) Η Μέθοδος που ακολουθήθηκε

Η μελέτη αυτή χρησιμοποιεί το δείκτη (RUSLE), την τεχνική της τηλεπισκόπησης και του (GIS ) για να χαρτογραφήσει τον κίνδυνο διάβρωσης στην Λεκάνη απορροής Miyun στη Βόρειο Κίνα. Η RUSLE αντιπροσωπεύει το πώς το κλίμα, το έδαφος, η τοπογραφία και οι χρήσεις γης επηρεάζουν τη διάβρωση του εδάφους και σε συνδυασμό με τη βροχόπτωση επιδρούν στην επιφανειακή απορροή. Έχει χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα για να εκτιμηθεί η απώλεια του εδάφους και ο κίνδυνος διάβρωσης του εδάφους. Επιπλέον, μέσω της RUSLE μπορεί να προταθούν καλύτερα σχέδια ανάπτυξης για τον έλεγχο της διάβρωσης της γης κάτω από διαφορετικές συνθήκες- κάλυψης,όπως καλλιεργήσιμες εκτάσεις, λιβάδια, δάσος,κ.α.

Η RUSLE εξίσωση είναι: Α= R x K x L x S x C x P

Όπου Α είναι η μέση απώλεια εδάφους σε t ha-1 ya-1

Οι παράγοντες R ,K ,L ,S ,C ,P είναι παράμετροι διάβρωσης, ειδικότερα: Ο R είναι παράγοντας διάβρωσης από τη βροχόπτωση, δείχνει την ικανότητα που έχει η βροχή να προκαλέσει διάβρωση. Ο Κ είναι ο παράγοντας που δείχνει πόσο ευάλωτο είναι το έδαφος στη διάβρωση. Ο C είναι ο δείκτης κάλυψης και δείχνει την επιρροή των καλλιεργητικών πρακτικών στη διάβρωση του εδάφους. Ο LS είναι ο παράγοντας του μήκους των πρανών και της κλίσης.

Οι παράμετροι διάβρωσης υπολογίσθηκαν και αξιολογήθηκαν με διαφορετικούς τρόπους: ο χάρτης με παράγοντα R αναπτύχθηκε σύμφωνα με δεδομένα βροχοπτώσεων και με τη βοήθεια του GIS, ο χάρτης με παράγοντα K παρήχθη από ένα γεωλογικό χάρτη και δείχνει τη χωρική κατανομή της διαβρωσιμότητας, ο χάρτης με παράγοντα C αναπτύχθηκε από τα στοιχεία τηλεπισκόπησης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της BP νευρωνικών δικτύων και την επικύρωση αυτών με έλεγχο υπαίθρου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν ο δείκτης βλάστησης και προσαρμογής(NDVI,SAVI). Ο συντελεστής συσχέτισης (r) μεταξύ του ποσοστού του C που προσδιορίστηκε με τη BP νευρωνικού δικτύου και των δεδομένων πεδίου από 30 σημεία δειγματοληψίας.του μετρούμενου πεδίου είναι 0,929 και η τυπική απόκλιση (SD) 0,048. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται πως χαρτογραφήθηκε ο παράγοντας C, ως αυτός καθορίστηκε με τη μέθοδο BP νευρωνικού δικτύου. Οι τιμές του συντελεστή C κυμαίνεται από 0,0041 έως 0,1089 και είναι υψηλότερη σε περιοχές που μπορούν να επηρεαστούν από τον ανθρώπινο παράγοντα. Μ τη βοήθεια ενός μοντέλου (DEM) με χωρική διακριτική ικανότητα 30μ. που αναπτύχθηκε από έναν τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:50000 παρήχθεί ο χάρτης παραγόντων LS. Ο χάρτης με παράγοντα P θεωρήθηκε ως 1 για τη λεκάνη απορροής εφόσον μόνο μια μικρή περιοχή παρουσιάζει πρακτικές συντήρησης. Ενσωματώνοντας τους χάρτες των 6 παραγόντων στο GIS μέσω pixel- based computing, αποκτήθηκε η χωρική κατανομή απώλειας εδάφους στο ανώτερο επίπεδο της δεξαμενής των αποθεμάτων της Miyun με το μοντέλο RUSLE. Η μέση απώλεια εδάφους υπολογίστηκε ως το αποτέλεσμα κάθε τιμής pixel πολλαπλασιασμένης επί της περιοχής pixel. Τέλος, ο χάρτης «διοικητικών ορίων» της περιοχής αντιπαρατέθηκε με τον τελικό χάρτη διάβρωσης ώστε να προσδιοριστεί ο κίνδυνος διάβρωσης ανά διοικητική περιοχή. Ο ετήσιος κίνδυνος απώλειας εδάφους για τον υδροκρίτη της δεξαμενής Miyum εκτιμήθηκε στα 9,86 t ha-1 ya-1το 2005. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ετήσια μέση απώλεια εδάφους για το ανώτερο επίπεδο δεξαμενής της Miyun ήταν 9,86 ha-1 το 2005 και μια περιοχή 47,5 Km2 (0,3%) παρουσιάζει έντονο κίνδυνο σοβαρής διάβρωσης, η οποία απαιτεί κατάλληλα μέτρα συντήρησης που να λαμβάνονται ως προτεραιότητα. Η χωρική κατανομή τάξεων κινδύνων διάβρωσης ήταν 66,88% πολύ χαμηλή, 21,90% χαμηλή, 6,19% μέση, 2,90% έντονη και 1,84% πολύ έντονη. Ανάμεσα σε όλες τις περιφέρειες και πόλεις που μελετήθηκαν, η Huairou County βρίσκεται στην περιοχή κινδύνου διάβρωσης με το μεγαλύτερο βαθμό, με σχεδόν 39,6% της γης να υποφέρει από διάβρωση, ενώ η περιοχή Guyuan βρίσκεται στο κατώτερο επίπεδο κινδύνου με 17,97% διάβρωση εδάφους το 2005. Επομένως οι περιοχές που βρίσκονται στην ομάδα με τον υψηλότερο κίνδυνο διάβρωσης χρειάζονται άμεση αντιμετώπιση από άποψη διατήρησης εδάφους.

5) Συμπεράσματα και αξιολόγηση μεθόδου

Ο στόχος της μελέτης αυτής ήταν να αξιολογηθεί ο κίνδυνος διάβρωσης της Λεκάνης Απορροής Miyum (B. Κίνα) για τον σχεδιασμό κατάλληλων μέτρων διατήρησης. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της μέσης ετήσιας απώλειας εδάφους ήταν ο RUSLE. Με έναν πολύ καλό βαθμό συσχέτισης 0,929 η μέθοδος προσφέρει μια αξιόπιστη εκτίμηση του παράγοντα C σε μια βάση pixel-by-pixel, που είναι χρήσιμη για τη χωρική μοντελοποίηση διάβρωσης εδάφους χρησιμοποιώντας το μοντέλο RUSLE. Με βάση το BP neural δίκτυο οι τιμές του παράγοντα C μπορούν να εκτιμηθούν εύκολα μέσω δεδομένων τηλεπισκόπησης και της χωρικής κατανομής τους. Τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης κινδύνου διάβρωσης δείχνουν πως ο κίνδυνος είναι υψηλότερος στα Β.Δ. από ότι στα Ν.Α. της λεκάνης απορροής. Στην περιοχή αυτή πρέπει να δοθεί προτεραιότητα για την προστασία των δασών και την αναδάσωση των επικλινών άγονων περιοχών και να μεγιστοποιηθεί η κάλυψη της βλάστησης με κυκλικές πρακτικές στις αγροτικές περιοχές. Ο παραγόμενος χάρτης απώλειας εδάφους μπορεί επίσης να υποδείξει περιοχές υψηλού κινδύνου διάβρωσης στους περιβαλλοντολόγους και αυτούς που λαμβάνουν αποφάσεις.