Χρήση τηλεπισκόπισης και GIS στην παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτων
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος τίτλος: Use of Remote Sensing and GIS in Monitoring Water Quality
Συγγραφέας: Norsaliza Usali and Mohd Hasmadi Ismail
Εισαγωγή
Το νερό είναι πολύτιμος φυσικός πόρος ο οποίος είναι απαραίτητος για την επιβίωση του ανθρώπου και την υγεία των οικοσυστημάτων. Το νερό αποτελείται από παράκτια και «γλυκά» ύδατα (λίμνες, ποτάμια, υπόγεια νερά) και η ρύπανση αυτών τις τελευταίες δεκαετίες αποτελεί πολύ σοβαρό πρόβλημα παγκοσμίως. Το ίδιο συμβαίνει και στην περιοχή της Μαλαισίας όπου τα λύματα των νοικοκυριών, τα εργοστασιακά και τα γεωργικά απόβλητα υποβαθμίζουν την ποιότητα των νερών, κάνοντας την παρακολούθηση των υδάτων αλλά και την ευαισθητοποίηση του κοινού απαραίτητη. Στη Μαλαισία το πρόγραμμα παρακολούθησης της ποιότητας του νερού πραγματοποιήθηκε από το Υπουργείο Περιβάλλοντος της Μαλαισίας. Από την έκθεση προέκυψε ότι το 2006 καταγράφηκαν συνολικά 1064 σταθμοί παρακολούθησης σε 143 λεκάνες απορροής ποταμών. Από αυτά τα 638 (60%) κατηγοριοποιήθηκαν ως καθαρά, 376 (35%) ελαφρώς μολυσμένα και 50 (5%) μολυσμένα, αντίστοιχα. Αυτές οι μετρήσεις είναι ακριβείς για ένα σημείο μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και δεν δίνουν αποτελέσματα μεγάλης κλίμακας. Έτσι, οι τεχνολογίες όπως η τηλεπισκόπιση και το GIS είναι πολύ χρήσιμα ως εργαλεία για την αξιολόγηση και την παρακολούθηση της ποιότητας των υδάτων.
Μεθοδολογία
Στη Μαλαισία, εντοπίστηκαν δύο κύριες αιτίες ρύπανσης των ποταμών, η ανάπτυξη της γης για βιομηχανίες και εξόρυξης φυσικών πόρων αλλά και το άνοιγμα νέων γεωργικών εκτάσεων. Οι δραστηριότητες αυτές επιτρέπουν τη διάβρωση του εδάφους στο νερό, αυξάνουν τη θολερότητα, την οργανική ύλη και την καθίζηση του ποταμού. Στο πρόγραμμα παρακολούθησης ποιότητας νερού υπήρξαν 6 παράμετροι αξιολόγησης:
- Διαλυμένο οξυγόνο (DO)
- Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD)
- Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (COD)
- Αμμωνία - άζωτο αμμωνίας (NH3-N)
- Αιωρούμενα στερεά (SS) και
- pH
Η ποιότητα του νερού είναι η διαδικασία προσδιορισμού των χημικών, φυσικών και βιολογικών χαρακτηριστικών των υδάτινων σωμάτων και τον εντοπισμό της πηγής τυχόν ρύπανσης ή μόλυνσης που θα μπορούσε να προκαλέσει υποβάθμιση της ποιότητας νερού. Αυτοί οι δείκτες κατηγοριοποιούνται ως εξής:
α) Βιολογικοί: βακτήρια, άλγη
β) Φυσικοί: Θερμοκρασία, θολότητα και καθαρότητα, χρώμα, αλατότητα, αιωρούμενα στερεά, διαλυμένα στερεά
γ) Χημικοί: pH, διαλυμένο οξυγόνο, βιολογικά απαιτούμενο οξυγόνο, θρεπτικά συστατικά (συμπεριλαμβανομένου του αζώτου και του φωσφόρου) ανόργανες ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων των τοξικών ουσιών) και
δ) Αισθητική: οσμές, χρώματα κ.α.
Η τηλεπισκόπιση της παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτων ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Αναπτύχθηκε μια πρώιμη εμπειρική προσέγγιση με τις εκτιμήσεις των αιωρούμενων στερεών η οποία εκφράζεται με τη γενική εξίσωση ως εξής:
Υ = Α + ΒΧ ή Υ = ΑΒ^Χ
όπου Y είναι η μέτρηση τηλεπισκόπησης (δηλαδή, ακτινοβολία, ανάκλαση, ενέργεια) και Χ είναι η ποιότητα του νερού με τη παράμετρο ενδιαφέροντος (αιωρούμενο ίζημα, θολερότητα). Τα Α και Β είναι εμπειρικά στοιχεία που προέρχονται από αυτήν την αξία και αποκτώνται από τη στατιστική σχέση η οποία προσδιορίζεται από την τιμή φασματικής ανάκλασης μεταξύ της παραμέτρου της ποιότητας του νερού.
- Αιωρούμενη ύλη
Η αιωρούμενη ύλη περιλαμβάνει οργανική και ανόργανη ύλη. Επίσης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη διαχείριση της ποιότητας του νερού καθώς, είναι οι πιο συνήθεις ρύποι στα επιφανειακά ύδατα και σχετίζεται με τις ροές βαρέων μετάλλων και διάφορων μικρότερων ρύπων. Τα αιωρούμενα στερεά αυξάνουν την ακτινοβολία από τα επιφανειακά ύδατα σε ορατή και κοντά σε υπέρυθρη ακτινοβολία. Η επιτόπια και εργαστηριακή μέτρηση έδειξε ότι επηρεάζεται η ακτινοβολία επιφανειακών υδάτων από τον τύπο ιζήματος, την υφή, το χρώμα, τις γωνίες ηλιοφάνειας και το βάθος νερού. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση και τη χαρτογράφηση των συγκεντρώσεων των αιωρούμενων στερεών στο νερό, παρέχοντας τόσο χωρικές όσο και χρονικές πληροφορίες. Οι μελέτες τηλεπισκόπησης των αιωρούμενων στερεών χρησιμοποιούν εικόνες από διάφορες δορυφορικές πλατφόρμες όπως Landsat, SPOT κτλ.. Το εύρος μήκος κύματος των 400 έως 850nm χρησιμοποιείται ειδικά για την εκτίμηση της ποιότητας νερού. Τέλος αρκετοί ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι η TM4 (Landsat εικόνα) είναι καλύτερη σε σχέση με TSM για την εκτίμηση αιωρούμενων σωματιδίων.
- Φυτοπλαγκτόν
Ο ευτροφισμός των υδάτινων σωμάτων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με βάση τη συγκέντρωση της χλωροφύλλης που περιέχεται στο πλαγκτόν. Η χλωροφύλλη είναι ένας από τους φωτοσυνθετικούς παράγοντες, συμβάλλοντας στο χρώμα του νερού. Η απορρόφηση χλωροφύλλης εμφανίζεται σε μικρά μήκη κύματος. Οι υπερφασματικοί αισθητήρες θεωρούνται ως μελλοντικούς αισθητήρες για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης στο νερό. Το ύψος ανάκλασης στα 690nm έως 850nm ήταν ένας ευαίσθητος δείκτης συγκέντρωσης χλωροφύλλης. Στην εικόνα 2 μπορούμε να δούμε το χάρτη χλωροφύλλης του ποταμού Pensacola Bay, στη Φλόριντα που προέρχεται από Landsat 7 ETM +. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν διανομή εύρους ζώνης και παλινδρόμηση όπου οι αναλογίες ΕΤΜ + 1 / ΕΤΜ + 3 ήταν αποτελεσματικές στην εκτίμηση της χλωροφύλλης.
- Θολότητα
Η θολότητα του νερού είναι μια έκφραση των οπτικών ιδιοτήτων του νερού, που προκαλούν διάχυση του φωτός και απορρόφηση του φωτός αντί να μεταδίδεται σε ευθείες γραμμές. Τα δορυφορικά δεδομένα IKONOS αποδεικνύουν τη χρησιμότητα των δορυφορικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης για την καταγραφή θολερότητας στον κάτω ποταμό Charles Charles, USA (εικόνα 3). Ο τελικός αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη συγκεντρώσεων θολερότητας στην Landsat 7 ETM + εικόνα ήταν το κανάλι 3 (κόκκινο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος) και κανάλι 4 (τμήμα υπέρυθρης υπέρυθρης ακτινοβολίας του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος). Ο αλγόριθμος θολερότητας έχει ευρύτερη εφαρμογή σε παγετώδεις λίμνες στην νότια κεντρική Αλάσκα και δυνητικά παγετώδεις λίμνες παγκοσμίως.
- Διαλυμένη οργανική ύλη
Η διαλυμένη οργανική ύλη αποτελείται από φυσικές υδατοδιαλυτές, βιογενές, ετερογενές οργανικές ουσίες που έχουν χρώμα κίτρινο έως καφέ. Η διαλυμένη οργανική ύλη απορροφά ορατό φως ειδικά κάτω από ~ 500 μm και η απορρόφησή του αυξάνεται εκθετικά με τη μείωση του μήκους κύματος. Οι συγκεντρώσεις διαλυμένης οργανική ύλης αυξάνονται στα παράκτια ύδατα λόγω ανθρωπογενούς εισροής βιομηχανικών ή οικιακών αποβλήτων.
Αποτελέσματα
Ο σκοπός παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτων στη Μαλαισία, με τη χρήση τηλεπισκόπισης γίνεται για τη βελτίωση του περιεχομένου των πληροφοριών, για την παραγωγή του ψηφιακού χάρτη και για την παρακολούθηση μεγάλης κλίμακας, η οποία θα προσφέρει σημαντικές πληροφορίες. Η εικόνα 4 απεικονίζει τις υψηλότερες συγκεντρώσεις ολικών αιωρούμενων στερεών. Στο ρηχό νερό, η θολερότητα μπορεί να προκληθεί από τον πυθμένα λόγω των κυμάτων και των ενεργειών του ανέμου. Η συγκέντρωση φαίνεται να είναι σχετικά χαμηλότερο στο βαθύτερο μέρος της θάλασσας. Από τη μελέτη, ο συνολικός χάρτης για την αναμενόμενη ποιότητα του νερού γύρω από το νησί Penang δημιουργήθηκε με επιτυχία χρησιμοποιώντας την εικόνα Tiungsat-1. Ωστόσο, δεν είναι σε θέση να καθορίσει και την εγκυρότητα της φαινομενικά υψηλότερης συγκέντρωσης στη δυτική ακτή του νησιού Penang λόγω της απουσίας δεδομένων για τη θάλασσα. Ο σκοπός της μελέτης ήταν να προβλέψουμε τη ζώνη δυναμικού υπογείων υδάτων μέσω των διαφόρων θεματικών χαρτών με τη βοήθεια τηλεπισκόπισης και GIS. Από τα αποτελέσματα, σχεδόν όλη η λεκάνη Langat έχει μεγάλες δυνατότητες εμφάνισης υπογείων υδάτων (Εικόνα 5). Ο χάρτης αποτελείται από πέντε κατηγορίες αποδόσεων υπογείων υδάτων: πολύ ψηλή, υψηλή , μέτρια, χαμηλή και πολύ χαμηλή. Το μοντέλο DRASTIC στο GIS αναπτύχθηκε για να παράγει υπόγεια ύδατα χρησιμοποιώντας κλιματικές και βιοφυσικές παραμέτρους. Σε μια απόκρημνη ορεινή περιοχή με παρουσία γρανίτη, το δυναμικό για τα υπόγεια ύδατα είναι πολύ χαμηλό. Απ’ την άλλη μεριά, οι περιοχές με σκληρό βράχο έχουν δυναμικό υπόγειων υδάτων υψηλό. Τα δορυφορικά δεδομένα έχουν αποδειχθεί πολύ ενημερωτικά και χρήσιμα για την ανίχνευση επιφανειακών χαρακτηριστικών και χαρακτηριστικών χρήσης γης. Η ολοκληρωμένη αξιολόγηση των θεματικών χαρτών με βάση το μοντέλο που βασίζεται στις τεχνικές GIS είναι η καταλληλότερη μέθοδος υποδιαίρεσης δυναμικού πρόβλεψης υπογείων υδάτων. Ωστόσο, η μελέτη αυτή ήταν αποτελεσματική μόνο για την πρόβλεψη ζώνης υπόγειων υδάτων σε σκληρό βράχο, αλλά ήταν λιγότερο αποτελεσματική σε περιβάλλον αλλουβίου. Τα φράγματα Langat και Semenyih είναι σημαντική πηγή παροχής νερού σε σχεδόν 1,9 εκατομμύρια άτομα στη γύρω περιοχή και στην πόλη της Κουάλα Λουμπούρ. Από το μοντέλο παλινδρόμησης και φασματικής ανάκλασης των δορυφορικών εικόνων, έγινε εκτίμηση της θολερότητας (εικόνα 6). Αυτές οι τιμές παραμένουν χαμηλές και ασφαλής για δημόσιους σκοπούς. Εντούτοις, ορισμένες ενέργειες ελέγχου θα πρέπει να προγραμματιστούν για να εξασφαλιστεί ο ρυθμός μεταφοράς ιζημάτων που δεν θα επηρεάσει την ποιότητα του νερού στο φράγμα στο εγγύς μέλλον. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των τηλεπισκοπικών παρατηρήσεων σχετικά με τις παραδοσιακές μετρήσεις για την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού παρέχει τόσο χωρική όσο και χρονική πληροφόρηση για τα χαρακτηριστικά επιφανειακών υδάτων. Τα δεδομένα που ανιχνεύονται από απόσταση έχουν τη δυνατότητα να παράσχουν δεδομένα αλλά και αλλαγές ευρείας κλίμακας, τη σχέση μεταξύ υπεράκτιων και παράκτιων υδάτων, και την ικανότητα να αποκτήσουν μια μακροπρόθεσμη, σχεδόν καθημερινή εικόνα της περιοχής ενδιαφέροντος που να δείχνει την εποχική και τη διαρκή μεταβλητότητα . Εκτός από αυτό, με την τηλεανίχνευση είναι φθηνότερη και επαναλαμβανόμενη ποσοτική τεχνική για τη μέτρηση της ποιότητας του νερού που θα επιτρέψει την κατάλληλη διαχείριση. Οι τεχνικές τηλεανίχνευσης και GIS είναι αποτελεσματικές, οικονομικές και έτσι αποτελούν πολύτιμα εργαλεία στην παρακολούθηση της ποιότητας του νερού σε παράκτιο επίπεδο και τα συστήματα γλυκών υδάτων (λίμνες, ποτάμια, υπόγεια ύδατα και δεξαμενές).
