Χαρτογράφηση του παγετώνα Alamchal με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση του παγετώνα Alamchal με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων
N. Roshani, M. J. Valadan Zouj, Y. Rezaei, M.Nikfar
The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B8. Beijing 2008
Η ανίχνευση και ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών του πάγου και του χιονιού με τη χρήση της τηλεπισκόπησης αποτελεί μία νέα μέθοδο στην ανάκτηση υδρολογικών δεδομένων. Για τον καθορισμό αυτών των χαρακτηριστικών, ο αριθμός των μετεωρολογικών σταθμών δεν επαρκεί σε ορεινές περιοχές και παγετώνες. Προτείνεται η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων για την άρση τέτοιων δυσκολιών. Το χιόνι διακρίνεται ευκολότερα από άλλα γήινα αντικείμενα, λόγω της ιδιαίτερης αντανακλαστικότητάς του. Παρόλο όμως που το χιόνι έχει παρόμοια αντανακλαστικότητα με τα σύννεφα, χρησιμοποιούνται τα κανάλια MIR για την διάκρισή τους. Στο παρόν άρθρο, περιγράφονται οι μέθοδοι υπολογισμού των εκτάσεων καλυμμένων από χιόνι, των νέων χιονοπτώσεων και του συσσωρευμένου χιονιού από δορυφορικές εικόνες. Χρησιμοποιούνται εικόνες Landsat και Liss (III).
Οι υδρολόγοι γενικά θέλουν να ξέρουν πόσο νερό είναι αποθηκευμένο σε έναν σχηματισμό χιονιού, καθώς και την επιφανειακή κατανομή του, την κατάσταση του και την παρουσία νερού σε υγρή μορφή. Όλοι αυτοί οι δείκτες χιονιού είναι δύσκολα μετρήσιμοι και διαφέρουν από σημείο σε σημείο, ειδικά σε ορεινές περιοχές. Με τις τεχνολογικές εξελίξεις στην τηλεπισκόπηση, ο εξοπλισμός που αντέχει σε αντίξοες καιρικές συνθήκες πλέον παρέχεται. Αν και υπάρχουν επιτυχημένες εφαρμογές τέτοιων συστημάτων, δεδομένου της βαθμονόμησης και της ενημέρωσης των σταθμών, οι επιτόπιες μελέτες για το χιόνι είναι ακόμα απαραίτητες. Η τηλεπισκόπηση και τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών είναι δύο νέες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από τους υδρολόγους για την μελέτη του χιονιού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση των μετρήσεων του χιονιού και μετεωρολογικών δεδομένων, στην εκτέλεση των αναγκαίων πάνω ή/ και κάτω κλιμακούμενων διαδικασιών, στην προετοιμασία των σταθερών εισαγωγής στα υδρολογικά μοντέλα, στον καθορισμό των παραμέτρων που απαιτούνται από τα μοντέλα αυτά και στην παρουσίαση των εξαγόμενων του μοντέλου. Η Τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματα της συγκέντρωσης δεδομένων χιονιού όπως οι καλυμμένες εκτάσεις από χιόνι και το ισοδύναμο του χιονιού ως προς το λιωμένο χιόνι, και την πρόβλεψη απορροής του σε πραγματικό χρόνο, σημαντικός παράγοντας για ένα δυναμικό φαινόμενο όπως το χιόνι.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΧΙΟΝΙΟΥ ΣΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ
Ορατό και εγγύς υπέρυθρο: Το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται ως λευκό το φρέσκο στεγνό χιόνι. Αυτό σημαίνει ότι έχει υψηλή ανακλαστικότητα, με μικρή διακύμανση στην κλίμακα του μήκους κύματος (περίπου 0.4 με 0.65 μm), στο οποίο το μάτι μας είναι ευαίσθητο. Η αντανακλαστικότητα του φρέσκου χιονιού μειώνεται όσο περνάει ο καιρός, τόσο στο ορατό όσο και στο υπέρυθρο, παρόλο που η μείωση αυτή εκφράζεται στις καμπύλες του χιονιού και του πάγου στο υπέρυθρο. Η μείωση στο ορατό φάσμα μπορεί να αποδοθεί σε ρύπους όπως η σκόνη, η γύρη και τα αεροζόλ. Ένα πλεονέκτημα της χρήσης δεδομένων από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φάσμα είναι η εύκολη ερμηνεία των εικόνων. Αν και το χιόνι είναι άμεσα αναγνωρίσιμο, δεν υπάρχει η δυνατότητα της ανάκτησης πληροφορίας σχετικά με την ύπαρξη νερού.
ΘΕΡΜΙΚΟ ΥΠΕΡΥΘΡΟ
Τα θερμικά στοιχεία έχουν χρησιμοποιηθεί λιγότερο από άλλα στοιχεία τηλεπισκόπησης για τη μέτρηση των χαρακτηριστικών του χιονιού, δεδομένου ότι πρέπει να αναγνωρίζουμε το φάσμα ακτινοβολίας του χιονιού για να καθορίσουμε τη θερμοκρασία του. Παρά όλους αυτούς τους περιορισμούς, τα θερμικά στοιχεία χρησιμεύουν για να αναγνωρίσουμε το όριο μεταξύ των χιονισμένων ζωνών και των μη-χιονισμένων ζωνών (Rezaei, 2004). Όπως στις ορατές και κοντινές υπέρυθρες εικόνες, τα σύννεφα περιορίζουν τη δυνατότητα χρησιμοποίησης των θερμικών υπέρυθρων εικόνων. Εάν υπάρχουν σύννεφα, η θερμοκρασία επάνω από αυτά θα μετρηθεί.
ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΑ
Οι περιοχές μικροκυμάτων και οι αισθητήρες του μικροκύματος μπορούν να έχουν την ορθότερη εφαρμογή σχετικά με τους κλιματολογικούς όρους. Στην πραγματικότητα, τα φυσικά χαρακτηριστικά του όγκου χιονιού καθορίζουν τις ιδιότητες μικροκυμάτων του. Οι ιδιότητες που επηρεάζουν την αντίδραση των είναι το βάθος και η ισοδύναμη, υγρή περιεκτικότητα σε ύδωρ ύδατος, η πυκνότητα, το μέγεθος και η μορφή, η θερμοκρασία, η στρωματοποίηση καθώς επίσης και η κατάσταση του χιονιού και η κάλυψη του εδάφους. Δεδομένου ότι η αντίδραση του χιονιού ποικίλλει με την κατάστασή του, ο συνεχής έλεγχος μπορεί να επιτρέψει την ανίχνευση της αρχής του λιωσίματος του χιονιού. Η ακτινοβολία που μετριέται στα διαφορετικά μήκη κύματος και στις διαφορετικές πολώσεις επιτρέπει την εξαγωγή των πληροφοριών σχετικών με το βάθος του χιονιού και το ισοζύγιο ύδατος-χιονιού. Η ανωτερότητα του μικροκύματος όσον αφορά τις ορατές εικόνες έγκειται στην ανεξαρτησία των μετρήσεων από τις καιρικές συνθήκες και το φωτισμό. Κατά συνέπεια τα νυχτερινά στοιχεία μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν.
Στις μεγάλες λήψεις, οι εικόνες μικροκυμάτων έχουν χρησιμοποιηθεί για να αναλύσουν την κάλυψη και το βάθος του χιονιού. Εντούτοις, η χαμηλή χωρική ανάλυσή τους αποτρέπουν τη δυνατότητα χρησιμοποίησής τους στις ορεινές λεκάνες (Tekel, 2005). Επιπλέον, οι αισθητήρες μικροκυμάτων μπορούν να διαπεράσουν στο χιόνι και να λάβουν τις πληροφορίες για αυτο, αλλά οι οπτικοί αισθητήρες δεν έχουν αυτήν την ικανότητα. Οι ενεργητικού αισθητήρες μικροκυμάτων (παραδείγματος χάριν SAR) έχουν καλύτερη χωρική ανάλυσή από τους παθητικούς αισθητήρες μικροκυμάτων αλλά απαιτούν περισσότερο εξοπλισμό. Στις εφαρμογές υδρολογίας, ένας συνδυασμός παθητικών αισθητήρων για την χαρτογράφηση του ξηρού χιονιού του ισοζυγίου ύδατος και την αρχή του λιωσίματος και ενεργητικών αισθητήρων για την χαρτογράφηση του υγρού χιονιού θα μπορούσε να εγγυηθεί τις βέλτιστες πληροφορίες (Rott, Kunzi, 1983).
ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ
Το μειωμένο κόστος και οι μεγάλες περιοχές κάλυψης κάνουν την τηλεπισκόπηση μια δημοφιλή εφαρμογή υδρολογίας (Samantha, 2004). Τα κύρια κριτήρια στην επιλογή δορυφορικών πλατφορμών είναι η χωρική, χρονική ανάλυση, ο αριθμός φασματικών ζωνών, η περιοχή της λεκάνης και οι κλιματολογικές συνθήκες. Στον λειτουργικό έλεγχο κάλυψης χιονιού, οι δορυφόροι με τα υψηλά επαναληπτικά ποσοστά είναι σημαντικοί γιατί έχουν το πλεονέκτημα να δίνουν εικόνες χωρίς σύννεφα. Από αυτή την άποψη, οι εικόνες Landsat και οι δορυφορικές εικόνες NOAA είναι προτιμότερες από τις αεροφωτογραφίες. Ακόμα κι αν οι δορυφόροι NOAA μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις μικρής κλίμακας αναλύσεις της περιοχής λόγω χωρικής ανάλυσης, πολλές επιτυχείς εφαρμογές υπάρχουν. Ο Landsat μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις λήψεις μικρών περιοχών. Εντούτοις, και ο NOAA και ο Landsat, που χρησιμοποιούν μια ορατή και κοντινή υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, παρουσιάζουν πρόβλημα στα σύννεφα. Αν και η θερμική εικόνα δεν μπορεί να διαπεράσει τα σύννεφα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις μεταβάσεις νύχτας κατά τη διάρκεια των οποίων υπάρχει η δυνατότητα των ελεύθερων εικόνων από σύννεφα. Μια λύση στο πρόβλημα των σύννεφων είναι τα δεδομένα μικροκυμάτων είτε ενεργητικά είτε παθητικά. Και τα δύο μπορούν να αποκτηθούν κατά τη διάρκεια της νύχτας ή της ημέρας. Αν και το πρόβλημα των σύννεφων αφαιρείται, η ερμηνεία των εικόνων είναι δυσκολότερη όσον αφορά τους οπτικούς δορυφόρους. Η δυσκολία της ερμηνείας της εικόνας των μικροκυμάτων προκύπτει εξαιτίας του γεγονότος ότι οι εικόνες επηρεάζονται ιδιαίτερα από τις επιφανειακές και τις κάτω από την επιφάνεια ιδιότητες, όπως η θερμοκρασία και οι ηλεκτρικές ιδιότητες του υπό μελέτη υλικού (Tekel, 2005).
ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ
Ο παγετώνας AlamChal βρίσκεται στην πόλη Kelardasht, περίπου στο βόρειο τμήμα του Ιράν. Ο παγετώνας AlamChal είναι ένας από τους σημαντικούς παγετώνες στο Ιράν με εμβαδόν 4.8 τετραγωνικά χιλιόμετρα και εύρος υψομέτρου που κυμαίνεται από 3700m ως 4250m, το μέγιστο μήκος του είναι 4.5 χλμ και το μέγιστο πλάτος του είναι 2.25 χλμ.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΑ
Σε αυτήν την μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat και IRS_LISS (iii) και οι διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό ENVI 4.0. Η εικόνα IRS_LISS δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση του χιονιού εξαιτίας του γεγονότος ότι οι φασματικές ζώνες της δεν ήταν κατάλληλες για αυτήν την εφαρμογή. Με τη χρησιμοποίηση των εικόνων Landsat, το όριο μεταξύ των χιονισμένων ζωνών και των μη-χιονισμένων ζωνών διακρίθηκε. Για να εκτελεστεί αυτό, το χιόνι εξάγεται με τη χρησιμοποίηση του δείκτη NDSI και ενός 0.3 κατώτατου ορίου. Επίσης θα μπορούσαμε να λάβουμε τον τομέα των χιονισμένων ζωνών με τη χρησιμοποίηση του μη επιβλεπόμενου αλγορίθμου ταξινόμησης K_means. Η επιφάνεια των χιονισμένων περιοχών υπολογίστηκε 4.6 τετραγωνικά χιλιόμετρα από τις εικόνες Landsat.
ΕΞΑΓΩΓΗ ΝΕΟΥ ΧΙΟΝΙΟΥ
Όπως αναφέρεται παραπάνω, το χιόνι έχει υψηλό συντελεστή ανάκλασης στην ορατή περιοχή και κατά συνέπεια το νέο χιόνι έχει υψηλό συντελεστή ανάκλασης στην υπέρυθρη περιοχή. Για να ληφθεί το νέο χιόνι, χρησιμοποιήθηκε η διασπορά των καναλιών 2 και 4 του Landsat. Επιλέξαμε τις περιοχές του καναλιού 2 όπου το χιόνι έχει υψηλό συντελεστή ανάκλασης, και τις περιοχές του καναλιού 4 όπου το νέο χιόνι έχει υψηλό συντελεστή ανάκλασης. Στον εικόνα 3 φαίνεται το νέο χιόνι με κόκκινες περιοχές.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η σημαντικότερη παράμετρος που αποκτήθηκε χρησιμοποιώντας τα στοιχεία τηλεπισκόπησης είναι η περιοχή κάλυψης χιονιού (Snow Cover Area - SCA). Η εκτίμηση SCA είναι πολύ δύσκολη χρησιμοποιώντας την επίγεια παρατήρηση, αλλά χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες για η επεξεργασία γίνεται ευκολότερη. • Οι δορυφορικές εικόνες έχουν υψηλή ικανότητα στην χαρτογράφηση της κάλυψης του χιονιού και στους υπολογισμούς άλλων υδρολογικών παραμέτρων στις ορεινές περιοχές και περιοχές παγετώνων.
• Για την χαρογράφηση του χιονιού στις μεγάλες λήψεις, κατάλληλες είναι οι εικόνες MODIS και NOAA . Αλλά για τις μικρές λήψεις οι εικόνες Landsat έχουν το καλό αποτέλεσμα λόγω της υψηλότερης χωρικής ανάλυσης από τις εικόνες MODIS και NOAA.
• Στην εξαγωγή των χαρακτηριστικών χιονιού από τις οπτικές εικόνες, συνήθως οι οπτικοί αισθητήρες στο ορατό, στις περιοχές NIR και MIR χρησιμοποιούνται επειδή το χιόνι έχει διαφορετικό συντελεστή ανάκλασης από άλλα αντικείμενα σε αυτές τις περιοχές.
• Στην εφαρμογή υδρολογίας όπως οι μακροπρόθεσμες και βραχυπρόθεσμες προβλέψεις απορροών, ένας συνδυασμός παθητικού αισθητήρα για την χαρτογράφηση του ξηρού χιονιού, του ισοζύγιου ύδατος και την αρχή του λιωσίματος και ενεργητικών αισθητήρων για το υγρό χιόνι με υψηλή τοπική ανάλυση θα μπορούσε να εγγυηθεί τις βέλτιστες πληροφορίες.
