Χρήση τηλεπισκοπικών τεχνικών για την εκτίμηση της ποιότητας του νερού και για τον έλεγχο τοπικών υδάτινων διαθεσίμων
Από RemoteSensing Wiki
Χρήση τηλεπισκοπικών τεχνικών για την εκτίμηση της ποιότητας του νερού και για τον έλεγχο τοπικών υδάτινων διαθεσίμων
Use of space technology for assisting water quality assessment and monitoring of inland water bodies
Συγγραφείς:Diofantos Glafkou Hadjimitsis, Marinos Glafkou Hadjimitsis, Leonidas Toulios, Chris Clayton
Πηγή: Physics and Chemistry of the Earth, Vol 35, 115–120, 2010
Στόχος Εφαρμογής
Ο έλεγχος της ποιότητας του νερού παρέχει μια ολοκληρωμένη εκτίμηση των φυσικών, χημικών και βιολογικών χαρακτηριστικών των υδάτινων συστημάτων ως προς τις ανησυχίες σχετικά με την ανθρώπινη υγεία και την κατάσταση του οικοσυστήματος. Οι τηλεπισκοπικές τεχνικές έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμες λόγω της δυνατότητας παροχής ολοκληρωμένων και συνοπτικών γεωγραφικών καλύψεων για τον έλεγχο της ποιότητας του νερού. Καθίσταται επομένως πιθανή η αντικατάσταση των επίγειων δειγματοληπτικών ελέγχων με τηλεπισκοπικές τεχνικές στις περιπτώσεις που η παρουσία των ατμοσφαιρικών παρεμβολών είναι περιορισμένη. Αυτή η μελέτη διερευνά την δυνατότητα αξιοποίησης δορυφορικών τηλεπισκοπικών τεχνικών στην Κύπρο, γεγονός το οποίο παρουσιάζει ενδιαφέρον, αφενός εξαιτίας της μεγάλης συχνότητας επικράτησης συνθηκών απουσίας νεφών, οι οποίες επιτρέπουν την λήψη καλής ποιότητας εικόνων και αφετέρου λόγω του ότι μια και μοναδική εικόνα LANDSAT TM καλύπτει σχεδόν ολόκληρο το νησί (εικόνα 1).
Εναλλακτικές Μέθοδοι
Η παρουσία βιολογικών (βακτήρια, άλγη), φυσικών (θολότητα, αιωρούμενα στερεά), χημικών (pH), αισθητικών (οσμή) ή ραδιενεργών ρυπαντών καθώς και τα γενικότερα χαρακτηριστικά του νερού αποτελούν στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της ποιότητάς του. Οι συμβατικές μέθοδοι ελέγχου της ποιότητας περιλαμβάνουν δαπανηρές και χρονοβόρες επί τόπου μελέτες κατά τις οποίες συλλέγονται δείγματα νερού τα οποία εν συνεχεία υφίστανται εργαστηριακές αναλύσεις. Αυτές οι τεχνικές παρέχουν μεν ακριβή αποτελέσματα, όμως αυτά αφορούν στην κάλυψη ορισμένων μόνο σημείων καθώς είναι δυσχερής η συνοπτική κάλυψη μιας ευρύτερης περιοχής.
Δορυφόροι-Δορυφορικές εικόνες
Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνικές, οι τηλεπισκοπικές δορυφορικές εικόνες παρέχουν ακριβείς, έγκαιρες και οικονομικά προσιτές πληροφορίες. Η καταγραφή των δεδομένων είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί σε διάφορα μήκη κύματος του ορατού ή του υπέρυθρου φάσματος. Στη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες LANDSAT-5 TM οι οποίες ελήφθησαν την 3η Ιουνίου 1985 (καλοκαιρινή περίοδος), την 11η Μαΐου 2000 (περίοδος άνοιξης-καλοκαιριού) ενώ επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα εικόνας LANDSAT-7 (ETM+) η οποία ελήφθη στις 30 Ιανουαρίου 2001 (χειμερινή περίοδος).
Προεπεξεργασίες εικόνων
Ο όρος προεπεξεργασίες εικόνας αφορά στις διαδικασίες οι οποίες προηγούνται της φάσης ανάλυσης της εικόνας και περιλαμβάνουν γεωμετρικές και ραδιομετρικές διορθώσεις. Η διαδικασία μετατροπής μιας τηλεπισκοπικής εικόνας ούτως ώστε να λάβει την κλίμακα και τις προβολικές ιδιότητες ενός κοινού χάρτη καλείται γεωμετρική διόρθωση. Οι εικόνες οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της μελέτης υπέστησαν γεωμετρική διόρθωση με εφαρμογή κλασσικών τεχνικών οι οποίες χρησιμοποιούν σημεία αναφοράς εδάφους και ένα πολυωνυμικό μοντέλο πρώτης τάξης. Χρησιμοποιήθηκαν δώδεκα καλώς ορισμένα χαρακτηριστικά σημεία όπως διασταυρώσεις δρόμων, διάδρομοι αεροδρομίων, κοιλότητες ποταμών και γωνίες φραγμάτων.
Η χρήση δορυφορικών εικόνων οι οποίες έχουν ληφθεί σε διαφορετικές χρονικές περιόδους ή από διαφορετικούς ανιχνευτές, θα πρέπει να μετατραπούν μέσω συντελεστών ανάκλασης ή ακτινοβολίας. Η βαθμονόμηση σε μονάδες ανάκλασης ή ακτινοβολίας αποτελεί ένα σημαντικό βήμα το οποίο προηγείται των διορθώσεων των ατμοσφαιρικών παρεμβολών. Οι συγκεκριμένες δορυφορικές εικόνες υπέστησαν μετατροπή από ψηφιακούς αριθμούς σε μονάδες ακτινοβολίας με χρήση πρότυπων τιμών βαθμονόμησης για τις εικόνες των LANDSAT TM και ETM+ (Εarth System Analysis 2006).
Η τιμή η οποία αντιστοιχεί σε κάθε εικονοστοιχείο μιας δορυφορικής τηλεπισκοπικής εικόνας δεν αντιπροσωπεύει την πραγματική ακτινοβολία που εκπέμπει το εκάστοτε σημείο του εδάφους. Όλοι οι ανιχνευτές καταγραφής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ουσιαστικά λαμβάνουν δύο προελεύσεων σήματα, ένα από την ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από το σημείο-στόχο και ένα δεύτερο σήμα λόγω οπισθοσκέδασης της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα προτού φτάσει στο έδαφος. Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψιν οι ατμοσφαιρικές παρεμβολές πριν την διεξαγωγή συμπερασμάτων. Για την εικόνα του θεματικού χαρτογράφου LANDSAT-5 στα κανάλια 1, 2 και 3 η ατμοσφαιρική διόρθωση επετεύχθη με αφαίρεση του σκοτεινότερου εικονοστοιχείου (ελάχιστο στο ιστόγραμμα). Η ίδια μέθοδος ατμοσφαιρικής διόρθωσης εφαρμόστηκε και στην εικόνα του δορυφόρου LANDSAT ETM+.
Σημαντικά αποτελέσματα
Στην ανωτέρω μελέτη χρησιμοποιήθηκε ένα τμήμα της εικόνας Landsat-5 TM της περιοχής Φράγμα Κουρή της Κύπρου, η οποία ελήφθη στις 11 Μαΐου 2000. Με επιλογή δύο σημείων ενδιαφέροντος στην ευρύτερη εικόνα του φράγματος, καθίσταται προφανές ότι υψηλότερες τιμές ανακλαστικότητας παρατηρούνται πλησίον του κολπίσκου του φράγματος ενώ το αντίθετο συμβαίνει στην έξοδο (εικόνα 2). Η παρατήρηση αυτή αποδίδεται στην αυξημένη θολότητα του νερού πλησίον του κόλπου εισόδου όπου τα ύδατα έχουν μόλις απομακρυνθεί από το ποτάμι. Στην εικόνα οι περιοχές αυξημένης θολότητας παριστάνονται με υψηλές τιμές ανακλαστικότητας.
Χρήσιμες πληροφορίες εξάγονται ως προς την ποιότητα του νερού από τα δεδομένα της εικόνας του καναλιού 4 του δορυφόρου LANDSAT TM (ανεπεξέργαστα δεδομένα κατόπιν ατμοσφαιρικής διόρθωσης) για την περιοχή του φράγματος Ασπρόκρεμμος στην περιοχή της Πάφου, η οποία ελήφθη στις 3 Ιουλίου 1985 (εικόνα 3). Στην εικόνα 3 παριστάνονται με διαφορετικά χρώματα οι διαφορετικοί ψηφιακοί αριθμοί. Είναι προφανές ότι υψηλότερες τιμές παρατηρούνται πλησίον του σημείου εισόδου (καφέ χρώμα) και χαμηλότερες στο σημείο εξόδου (μπλε χρώμα). Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να αποδοθεί στους διαφορετικούς χρόνους παραμονής του νερού στα διάφορα σημεία του φράγματος.
