. Χρήση τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση αλλαγών στην παράκτια ζώνη ανατολικά του Δέλτα του Νείλου

Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος: Χρήση τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση αλλαγών στην παράκτια ζώνη ανατολικά του Δέλτα του Νείλου

Πρωτότυπος τίτλος: Change detection of the coastal zone east of the Nile Delta using remote sensing

Συγγραφείς: H. M. El-Asmar & M. E. Hereher

Πηγή: https://doi.org/10.1007/s12665-010-0564-9

Περίληψη

Η παράκτια ζώνη του Δέλτα του Νείλου, ζωτικής σημασίας για την ενέργεια και τη βιομηχανία, φιλοξενεί ζωτικά υγροτοπικά οικοσυστήματα. Κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα, υπέστη σημαντικές αλλαγές. Αναλύοντας τέσσερις δορυφορικές εικόνες που εκτείνονται από το 1973 έως το 2007, οι ερευνητές παρατήρησαν χωροχρονικούς μετασχηματισμούς μεταξύ του κλάδου του Νείλου της Νταμιέττα και του Port-Said. Οι μέθοδοι περιλάμβαναν διόρθωση εικόνας, ατμοσφαιρική διόρθωση και ψηφιοποίηση της ακτογραμμής. Τα αποτελέσματα έδειξαν σοβαρή διάβρωση των ακτών κοντά στη Damietta, η οποία μειώθηκε προς τα ανατολικά, με συσσώρευση κοντά στο Port-Said. Περίπου το 50% της ακτής διαβρώθηκε, ενώ το 13% προσχώρησε. Η επιφάνεια της λιμνοθάλασσας Manzala μειώθηκε αισθητά κατά 34,5%, κυρίως λόγω του αντιπλημμυρικού ελέγχου του ποταμού Νείλου και των ανθρωπογενών αλλαγών στη χρήση γης. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν τον αντίκτυπο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στη δυναμική των ακτών.

1.Εισαγωγή

Η τηλεπισκόπηση προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα για τη χαρτογράφηση και την παρακολούθηση των πόρων της Γης, χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες με ευρεία κάλυψη του εδάφους, πολλαπλές φασματικές πληροφορίες και μακροχρόνια αρχεία. Η ανίχνευση αλλαγών, μια βασική εφαρμογή, περιλαμβάνει την ανάλυση των χρονικών μετατοπίσεων με τη χρήση ψηφιακών δεδομένων. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές, συμπεριλαμβανομένων της αναλογίας ζωνών, της διαφοροποίησης, της ανάλυσης κύριων συνιστωσών και της διαφοροποίησης του δείκτη βλάστησης. Οι ερευνητές έχουν εφαρμόσει αυτές τις μεθόδους για τη μελέτη περιβαλλοντικών αλλαγών, όπως οι μετατοπίσεις αμμόλοφων στη Δυτική Έρημο της Αιγύπτου και η αλλαγή της έκτασης της λιμνοθάλασσας Manzala. Οι δείκτες νερού, όπως οι NDWI και MNDWI, έχουν αναδειχθεί ως αποτελεσματικά εργαλεία για την ανίχνευση αλλαγών σε υδάτινα σώματα, βασιζόμενοι σε φασματικές ζώνες για την ενίσχυση των σημάτων νερού. Αυτοί οι δείκτες, που υπολογίζονται από φάσματα ορατού και εγγύς υπέρυθρου, επιτρέπουν την ακριβή παρακολούθηση της δυναμικής του νερού. Προηγούμενες μελέτες έχουν καταδείξει τη χρησιμότητά τους στην αξιολόγηση των αλλαγών που σχετίζονται με το νερό σε διάφορα περιβάλλοντα. Συνολικά, οι τεχνικές ανίχνευσης αλλαγών με βάση την τηλεπισκόπηση προσφέρουν πολύτιμες γνώσεις για τις δυναμικές γήινες διεργασίες, βοηθώντας στις προσπάθειες περιβαλλοντικής διαχείρισης και διατήρησης των πόρων.

Περιοχή μελέτης

Το Δέλτα του Νείλου, μια ζωτικής σημασίας περιοχή της Αιγύπτου, αντιμετωπίζει σημαντικές περιβαλλοντικές αλλαγές λόγω των αλλαγών στη χρήση γης και της αύξησης του πληθυσμού. Η διάβρωση των ακτών και η μετατροπή των υγροτόπων σε γεωργικές εκτάσεις αποτελούν εξέχοντα ζητήματα, τα οποία επιδεινώνονται από τις μεταβολές στο καθεστώς πλημμυρών του ποταμού Νείλου. Τον τελευταίο αιώνα, η ακτογραμμή έχει υποχωρήσει λόγω διάβρωσης, με παράγοντες όπως οι αλλαγές στην προσφορά ιζημάτων και η καθίζηση του εδάφους να συμβάλλουν. Η μελέτη επικεντρώνεται στο βορειοανατολικό Δέλτα του Νείλου, που περιλαμβάνει μια παράκτια έκταση περίπου 60 χλμ. από το Ras El-Bar έως το Port-Said και εκτείνεται 40 χλμ. στην ενδοχώρα. Η περιοχή αυτή φιλοξενεί σημαντικά λιμάνια, βιομηχανικές εγκαταστάσεις και αναπτύξεις υποδομών, όπως ο Διεθνής Παράκτιος Αυτοκινητόδρομος, αναδεικνύοντας τη σημασία της για την οικονομική και αστική ανάπτυξη της Αιγύπτου εν μέσω των συνεχιζόμενων περιβαλλοντικών προκλήσεων.

Εικόνα 1. Σύνθετη εικόνα ψεύτικου χρώματος (FCC) του αισθητήρα ΤΜ που αποκτήθηκε το 1984 και δείχνει την περιοχή μελέτης, η οποία περιλαμβάνει τη λιμνοθάλασσα Manzala και την παράκτια λωρίδα μεταξύ Damietta και Port-Said.

Η ακτή του Δέλτα του Νείλου διαθέτει αμμώδεις παραλίες, αμμόλοφους και παράκτιες πεδιάδες, ενώ οι επικρατούντες βορειοδυτικοί άνεμοι δημιουργούν ένα ανατολικό ρεύμα παραλίας. Τα κύματα προέρχονται κυρίως από τα βορειοδυτικά, φτάνοντας σε ύψος έως και 4,2 μέτρα το χειμώνα. Οι παλίρροιες κυμαίνονται ημι-ημερήσια, με εύρος 25-30 cm κατά μήκος της ακτής. Η λιμνοθάλασσα Manzala, η οποία βρίσκεται στο δέλτα που υποχωρεί, καλύπτει περίπου 950 km2 και είναι ρηχή, με βάθη άνω των 100 cm που αποτελούν μόνο το 25% της έκτασής της. Η λιμνοθάλασσα, που οριοθετείται από αμμώδεις κορυφογραμμές και έλη, συνδέεται με τη Μεσόγειο Θάλασσα μέσω του κόλπου El-Gamil κοντά στο Port-Said, αποτελώντας ζωτικό υγροβιότοπο για τα υδρόβια πουλιά και μεταναστευτική οδό από την Ευρώπη προς την Αφρική. Οι στόχοι της παρούσας μελέτης είναι η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση και την αντιμετώπιση των χωρικών αλλαγών που σημειώθηκαν κατά μήκος της παράκτιας περιοχής του Δέλτα του Νείλου μεταξύ 1973 και 2007. Οι ειδικοί στόχοι περιλαμβάνουν τη χαρτογράφηση των αλλαγών στη θέση της ακτογραμμής μεταξύ της Damietta και του Port-Said και την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της επιφάνειας της λιμνοθάλασσας Manzala μεταξύ 1973 και 2003.

2.Μεθοδολογία

Δορυφορικά δεδομένα

Για την αξιολόγηση των αλλαγών στην παράκτια περιοχή του Δέλτα του Νείλου χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις δορυφορικές εικόνες: μία από τον Landsat MSS (ανάλυση 58m) τον Ιανουάριο του 1973, δύο από τον Landsat TM (ανάλυση 28,5m) τον Σεπτέμβριο του 1984 και τον Αύγουστο του 2003 και μία από τον SPOT-4 HRVIR (ανάλυση 10m) τον Μάρτιο του 2007. Ο MSS περιλαμβάνει ζώνες στο πράσινο, το κόκκινο και το εγγύς υπέρυθρο φάσμα, ενώ ο TM έχει επτά ζώνες που περιλαμβάνουν το μπλε, το πράσινο, το κόκκινο, το NIR, το μεσαίο και το θερμικό υπέρυθρο. Το SPOT περιλαμβάνει ζώνες στο πράσινο, το κόκκινο και το εγγύς υπέρυθρο. Το SPOT επικεντρώθηκε στις αλλαγές της ακτογραμμής λόγω της ελλιπούς κάλυψης της λιμνοθάλασσας Manzala, ενώ οι εικόνες Landsat (MSS και TM) χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση των αλλαγών στην έκταση της λιμνοθάλασσας, καθώς καλύπτουν ολόκληρη την περιοχή. Αυτές οι δορυφορικές εικόνες παρείχαν δεδομένα για την ανάλυση των διαχρονικών αλλαγών κατά μήκος της παράκτιας περιοχής του Δέλτα του Νείλου, απαραίτητα για την κατανόηση της περιβαλλοντικής δυναμικής με την πάροδο του χρόνου.

Επεξεργασία εικόνων

Αρχικά, οι εικόνες μετασχηματίστηκαν σε μια κοινή προβολή χάρτη και αντιστοιχίστηκαν με τη χρήση σημείων επίγειου ελέγχου (GCP) για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια. Η διόρθωση ελαχιστοποίησε τα γεωμετρικά σφάλματα, με μέσο τετραγωνικό σφάλμα διαδρομής (RMSE) κάτω από 0,5 εικονοστοιχεία. Στη συνέχεια, η ατμοσφαιρική παρεμβολή διορθώθηκε με τη μέθοδο αφαίρεσης σκοτεινών αντικειμένων. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν δύο μέθοδοι: η ψηφιοποίηση της ακτογραμμής για τη χαρτογράφηση των προτύπων διάβρωσης/απόθεσης κατά μήκος της ακτής από το Ras El-Bar έως το Port-Said, χρησιμοποιώντας εικόνες από το 1973 και το 2007- και αλγόριθμοι δείκτη νερού που εφαρμόστηκαν σε εικόνες Landsat από το 1973, το 1984 και το 2003 για την αξιολόγηση των αλλαγών στην επιφάνεια της λίμνης Manzala. Αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση διευκόλυνε τον εντοπισμό και την ανάλυση των περιβαλλοντικών αλλαγών στην περιοχή του Δέλτα του Νείλου με την πάροδο του χρόνου.

Ψηφιοποίηση ακτογραμμής

Περιγράφεται μια μεθοδολογία για την παρακολούθηση των αλλαγών κατά μήκος της ακτογραμμής από το Ras El-Bar έως το Port-Said με τη χρήση δορυφορικών εικόνων. Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat MSS του 1973 και SPOT του 2007. Οι εικόνες αυτές επικαλύφθηκαν στο λογισμικό ArcGIS, επιτρέποντας τη σύγκριση των θέσεων της ακτογραμμής. Η ψηφιοποίηση επί της οθόνης χρησιμοποιήθηκε για τη σήμανση των θέσεων της ακτογραμμής, διευκολύνοντας τον εντοπισμό των περιοχών διάβρωσης και προσαύξησης. Οι μετατοπίσεις της ακτογραμμής μεταξύ 1973 και 2007 ποσοτικοποιήθηκαν σε μέτρα με τη χρήση εργαλείων μέτρησης του ArcGIS. Η προσέγγιση αυτή παρείχε έναν συστηματικό τρόπο ανάλυσης των παράκτιων αλλαγών κατά τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο.

Υπολογισμός επιφανειακής έκτασης της λιμνοθάλασσας Manzala

Τα όρια της λίμνης Manzala χαρτογραφήθηκαν χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat από το 1973, το 1984 και το 2003 για να προσδιοριστεί η έκτασή της κάθε φορά. Το λογισμικό ERDAS Imagine 9.1 χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία δύο δεικτών, του NDWI και του MNDWI. Ο NDWI χρησιμοποιήθηκε για την εικόνα του 1973 και υπολογίστηκε ως (Green - NIR)/(Green + NIR) όπου Green και NIR είναι οι ψηφιακοί αριθμοί στην πράσινη και στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη. Το MNDWI χρησιμοποιήθηκε για τις εικόνες του 1984 και του 2003, υπολογιζόμενο με παρόμοιο τρόπο, αλλά χρησιμοποιώντας τη μεσαία υπέρυθρη ζώνη. Η ακρίβεια κάθε δείκτη ελέγχθηκε με την εξέταση των ορίων της λίμνης. Τα pixel πάνω από ένα ορισμένο όριο χαρακτηρίστηκαν ως νερό και κωδικοποιήθηκαν με μπλε χρώμα. Η συνολική υδάτινη έκταση υπολογίστηκε και συγκρίθηκε για κάθε έτος, με οπτικούς ελέγχους που διασφάλιζαν την ακρίβεια. Οι μεταβολές της υδάτινης έκτασης εκτιμήθηκαν για το 1973, το 1984 και το 2003.

Εικόνα 2. Επάνω είναι οι σύνθετες εικόνες ψευδών χρωμάτων της λίμνης Manzala το 1973, 1984 και 2003- στη μέση είναι η εικόνα NDWI του 1973 και οι εικόνες MNDWI του 1984 και 2003- και στο κάτω μέρος φαίνεται το υδάτινο σώμα (μπλε) όπως προκύπτει από τις εικόνες NDWI και MNDWI το 1973, 1984 και 2003.

3.Αποτελέσματα

Το κείμενο περιγράφει τις αλλαγές στη θέση της ακτογραμμής κατά μήκος μιας παράκτιας διαδρομής 58 χιλιομέτρων μεταξύ του ακρωτηρίου της Δαμιέττας και του Port-Said. Τα δορυφορικά δεδομένα αποκάλυψαν τέσσερις θέσεις διάβρωσης (A, B, C και E) και μία θέση προσαύξησης (D). Η περιοχή Α παρουσίασε σημαντική διάβρωση, με μετατόπιση κατά 1,55 km προς την ξηρά μεταξύ 1973 και 2007, οδηγώντας στην καταστροφή του παράκτιου αυτοκινητόδρομου. Η θέση Β παρουσίασε υποχώρηση 0,61 km, ενώ η θέση Γ υποχώρησε κατά 0,37 km. Η θέση Δ παρουσίασε προσαύξηση, με μια μετατόπιση 0,38 km προς τη θάλασσα, όπου κατασκευάστηκαν προβλήτες για την προστασία της λιμνοθάλασσας Μαντζάλα. Η θέση Ε, κοντά στο Port-Said, υποχώρησε κατά 0,21 χλμ. Οι λωρίδες διάβρωσης κάλυψαν 29 km (50% της ακτής), ενώ οι λωρίδες προσαύξησης κάλυψαν το 13% (7,4 km). Το υπόλοιπο 37% δεν επηρεάστηκε από διάβρωση ή προσαύξηση. Το MNDWI επιλέγεται έναντι του NDWI για την οριοθέτηση των υδάτινων σωμάτων σε εικόνες ΤΜ του 1984 και του 2003 λόγω της ικανότητάς του να αναδεικνύει με ακρίβεια το νερό σε θολές ή ρηχές περιοχές. Ωστόσο, το MNDWI δεν μπόρεσε να εφαρμοστεί στην εικόνα MSS του 1973 λόγω της απουσίας της απαραίτητης ζώνης. Χρησιμοποιήθηκαν δοκιμαστικές τοποθεσίες που αντιπροσωπεύουν ρηχά ή θολά νερά για να επαληθευτεί η ακρίβεια των παραγόμενων εικόνων NDWI και MNDWI, με το MNDWI να αποδεικνύεται πιο αποτελεσματικό στον εντοπισμό του νερού. Προσδιορίστηκαν οι τιμές κατωφλίου για το νερό στις εικόνες NDWI του 1973 και στις εικόνες MNDWI του 1984 και του 2003. Οι υπολογιζόμενες εκτάσεις υδάτινων σωμάτων το 1973, το 1984 και το 2003 ήταν περίπου 272.000 στρέμματα (1.100 km2), 260.000 στρέμματα (1.052 km2) και 178.000 στρέμματα (720 km2) αντίστοιχα. Μεταξύ 1973 και 1984, η λίμνη έχασε 12.000 στρέμματα (48 km2), ενώ η απώλεια μεταξύ 1984 και 2003 ήταν περίπου 82.000 στρέμματα (332 km2), δηλαδή συνολικά 34,5% απώλεια έκτασης μεταξύ 1973 και 2003.

4.Συζήτηση και συμπέρασμα

Η παράκτια ζώνη του Δέλτα του Νείλου είναι μια περιοχή ζωτικής σημασίας για την Αίγυπτο, καθώς φιλοξενεί βιομηχανικές, ψυχαγωγικές και ενεργειακές δραστηριότητες. Ωστόσο, η κατασκευή του Υψηλού Φράγματος του Ασουάν το 1964 είχε σημαντικές κοινωνικοοικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις, διακόπτοντας τη ροή ιζημάτων προς τη Μεσόγειο Θάλασσα και αλλοιώνοντας τους υγροτόπους του Δέλτα του Νείλου, οδηγώντας σε σοβαρή διάβρωση των ακτών.

Οι ρυθμοί διάβρωσης ποικίλλουν κατά μήκος της ακτής μεταξύ του ακρωτηρίου της Δαμιέττας και του Port-Said, με μέγιστη διάβρωση κοντά στις εκβολές του ποταμού Νείλου και μείωση προς τα ανατολικά. Ποιοτικές μελέτες και αναλύσεις τηλεπισκόπησης έχουν σταθερά εντοπίσει μοτίβα διάβρωσης που μετατοπίζονται προς τα ανατολικά κατά μήκος αυτής της ακτογραμμής. Σε καίρια σημεία έχουν κατασκευαστεί κατασκευές προστασίας των ακτών, συμπεριλαμβανομένων θαλάσσιων τειχών και προβλητών, για να μετριάσουν τη διάβρωση και να διευκολύνουν την προσαύξηση. Οι κατασκευές αυτές έχουν αλλάξει τα πρότυπα διάβρωσης/προσαύξησης, με τη δημιουργία τόμβων λόγω της απόθεσης ιζημάτων και την ανάπτυξη παραλιών προσαύξησης κοντά στους μώλους. Ο κρηπιδότοιχος στο ακρωτήριο της Δαμιέττας σταμάτησε επιτυχώς την επιταχυνόμενη διάβρωση.

Συνολικά, η ακτή του Δέλτα του Νείλου συμπεριφέρεται ως μια σειρά τμημάτων με διακριτά πρότυπα διάβρωσης και συσσώρευσης. Τα μέτρα προστασίας των ακτών διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση αυτών των προτύπων, αναδεικνύοντας την πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των ανθρώπινων παρεμβάσεων και των φυσικών διεργασιών στη διαχείριση των ακτών.

Εικόνα 3. α. Ο θαλάσσιος κρηπιδότοιχος που κατασκευάστηκε στην ανατολική πλευρά του ακρωτηρίου της Δαμιέττας, β. ο θόλος που σχηματίστηκε μπροστά από τη μονάδα κυματοθραύστη και γ. ένα ιστορικό κτίριο στη λιμνοθάλασσα Manzala, το οποίο βυθίστηκε λόγω καθίζησης της γης.

Η μελέτη αποκαλύπτει σημαντική απώλεια στην έκταση της λιμνοθάλασσας Μαντζάλα, υποδεικνύοντας μείωση κατά 12.000 στρέμματα (4,4%) μεταξύ 1973 και 1984 και μια πιο επιταχυνόμενη απώλεια από το 1984 έως το 2003, η οποία ανήλθε συνολικά σε 82.000 στρέμματα (30,1%). Η απώλεια αυτή, που αποδίδεται εν μέρει στην κατασκευή της διώρυγας El-Salam και του διεθνούς αυτοκινητόδρομου, οφείλεται κυρίως στη μετατροπή του νερού της λιμνοθάλασσας σε γεωργική γη. Η συνολική απώλεια από το 1973 έως το 2003 ανέρχεται σε 94.000 στρέμματα (34,5%), υποδεικνύοντας μια ανησυχητική τάση συρρίκνωσης της λιμνοθάλασσας. Τα μοντέλα δείκτη νερού που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη ευθυγραμμίζονται με προηγούμενα ευρήματα από μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση, αν και υπάρχουν αποκλίσεις στις εκτιμήσεις συγκεκριμένων εκτάσεων.Η αποξήρανση της λιμνοθάλασσας για γεωργικούς σκοπούς αποτελεί μια νέα πρόκληση, η οποία επιδεινώνεται περαιτέρω από περιβαλλοντικούς κινδύνους, όπως η υποβάθμιση της ποιότητας του νερού. Η λιμνοθάλασσα Manzala λειτουργεί ως μεταβατικός αποδέκτης για τα γεωργικά και δημοτικά απόβλητα της Αιγύπτου, οδηγώντας σε ευτροφισμό και εποχιακές ανθίσεις φυκών που απειλούν την υδρόβια ζωή. Επιπλέον, το βαρύ φορτίο ιζημάτων και η αναμενόμενη μετανάστευση του πληθυσμού επιτείνουν τις προκλήσεις της λιμνοθάλασσας. Στο ευρύτερο πλαίσιο, οι διακυμάνσεις της στάθμης της θάλασσας συνιστούν σημαντική απειλή για το Δέλτα του Νείλου, με τις προβλέψεις να δείχνουν πιθανή πλημμύρα του ενός τετάρτου του Δέλτα και μετακίνηση του 10% του πληθυσμού της Αιγύπτου μέχρι το 2100. Η καθίζηση του εδάφους, που αποδίδεται στη συμπίεση των ιζημάτων, την τεκτονική δραστηριότητα και την ισοστασία, επιδεινώνει την απειλή αυτή, με ρυθμούς καθίζησης συγκρίσιμους με άλλους δέλτα παγκοσμίως.

Οι ιστορικές δομές που κατασκευάστηκαν μετά την ισλαμική κατάκτηση βρίσκονται τώρα βυθισμένες, υπογραμμίζοντας τη σοβαρότητα της καθίζησης της γης στην περιοχή. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν την επείγουσα ανάγκη λήψης ολοκληρωμένων μέτρων για την αντιμετώπιση της συρρίκνωσης των λιμνοθαλασσών, τον μετριασμό της περιβαλλοντικής υποβάθμισης και την προσαρμογή στις διαφαινόμενες προκλήσεις που θέτει η άνοδος της στάθμης της θάλασσας και η καθίζηση του εδάφους στο Δέλτα του Νείλου.