Pesticides exposure modeling based on GIS and remote sensing land use data

Από RemoteSensing Wiki

Μοντελοποίηση της έκθεσης σε φυτοπροστατευτικά προϊόντα με τηλεπισκόπηση και Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα.

Pesticides exposure modeling based on GIS and remote sensing land use data (2015). [1]

Συγγραφέας: Neng Wan

Πηγή: http://www.sciencedirect.com

Περίληψη Ο πρωταρχικός σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξετάσει τη δυνατότητα συνδυασμού των πληροφοριών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων, ώστε να προκύψει η δημιουργία ενός μοντέλου έκθεσης του πληθυσμού σε φυτοπροστατευτικά προϊόντα (φ.π.). Χρησιμοποιεί πληροφορίες χρήσης γης που προέρχονται από δορυφορικές απεικονίσεις, σύνολα δεδομένων πλέγματος για τον πληθυσμό (grid) και δεδομένα χρήσης φ.π. σε καλλιέργειες, με σκοπό να δημιουργήσει ένα μοντέλο της έκθεσης των κατοίκων όχι για μικρές περιοχές μελέτης αλλά για μεγάλης έκτασης περιοχές όπως είναι η πολιτεία Νεμπράσκα των ΗΠΑ.

Εισαγωγή Η εκτεταμένη εφαρμογή φ.π. στην σύγχρονη αγροτική καλλιέργεια έχει οδηγήσει σε αυξανόμενη ανησυχία για τις αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον και την υγεία του πληθυσμού. Η ανησυχία για το περιβάλλον αφορά την ρύπανση του νερού και του εδάφους και τις οικολογικές συνέπειες, ενώ για τη δημόσια υγεία επικεντρώνεται κυρίως σε προβλήματα υγείας όπως είναι ο καρκίνος, νευροεκφυλιστικές ασθένειες και προβλήματα αναπαραγωγής, περισσότερα από τα οποία εμφανίζονται σε αγρότες και κατοίκους αγροτικών περιοχών που ζουν κοντά σε περιοχές εφαρμογής φυτοπροστατευτικών. Η έκθεση του πληθυσμού μπορεί να διακριθεί σε δύο κατηγορίες: την επαγγελματική και την μη επαγγελματική. Η παρούσα εργασία ασχολείται με την μη επαγγελματική έκθεση γιατί αφορά μεγαλύτερες γεωγραφικές εκτάσεις και μεγάλο μέρος του πληθυσμού σε σχέση με την επαγγελματική έκθεση των αγροτών. Η αυξανόμενη διαθεσιμότητα και ακρίβεια των δορυφορικών απεικονίσεων παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης της έκθεσης σε φ.π. για πληθυσμούς περιοχών μεγάλης έκτασης. Επιπλέον είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν απεικονίσεις παλαιότερων ετών ώστε να εκτιμηθεί η διάρκεια της έκθεσης, γεγονός που είναι πολύ σημαντικό για την εκτίμηση των χρόνιων ασθενειών όπως είναι το Πάρκινσον.

Μεθοδολογία

Περιοχή μελέτης Η πολιτεία της Νεμπράσκα είναι μια από τις σημαντικότερες αγροτικές περιοχές των ΗΠΑ. 45,6 εκατομμύρια στρεμμάτων γης χρησιμοποιούνται για φυτείες και για την εγκατάσταση κτηνοτροφικών αγροκτημάτων. Το 40% του πληθυσμού της πολιτείας (δηλ. 750.000 από τους 1,8 εκατομμύρια) ζουν σε αγροτικές περιοχές και πιθανόν εκτίθενται σε φυτοπροστατευτικά. Οι καλλιέργειες είναι καλαμπόκι, σόγια, σόργο και τριφύλλι. Φυτεύονται τον Απρίλιο ή Μάιο, αναπτύσσονται τον Ιούνιο, Ιούλιο και η συγκομιδή τους γίνεται τους φθινοπωρινούς μήνες. Για τις καλλιέργειες αυτές χρησιμοποιούνται ζιζανιοκτόνα όπως τα Atrazine, Metolachlor, Cyanazine, Alachlor και Achetochlor. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στο Atrazine μιας και είναι το περισσότερο χρησιμοποιούμενο στη Νεμπράσκα αλλά και τις ΗΠΑ. Η έκθεση σε Atrazine έχει συνδεθεί με μια ποικιλία προβλημάτων υγείας όπως είναι ο καρκίνος, προβλήματα αναπαραγωγικού συστήματος και ελαττώματα γέννησης. Όταν γίνεται εφαρμογή του Atrazine στις καλλιέργειες, τα σταγονίδια μπορεί να παραμείνουν στην ατμόσφαιρα και να μεταφερθούν σε απόσταση μεγαλύτερη των 1000μ. ενώ ο χρόνος ημίσειας ζωής του είναι αρκετά μεγάλος (60 μέρες). Έτσι αποτελεί μια απειλή για όσους κατοικούν στις γύρω περιοχές.

Απόκτηση δεδομένων Χρήσης γης: Τα δεδομένα προέρχονται από το πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα – Linkoln με βάση τις απεικονίσεις του δορυφόρου Landsat 5 TM. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν 37 απεικονίσεις από τον Μάιο μέχρι τον Σεπτέμβριο 2005 και περιλαμβάνουν σχετικά λιγότερα σύννεφα. Έγινε προεπεξεργασία των εικόνων ώστε να απομακρυνθούν οι περιοχές με σύννεφα και να διαχωριστούν οι αστικές περιοχές. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού 2005 έγινε η επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης. Χρησιμοποιήθηκε η επιβλεπόμενη ταξινόμηση με κανόνες μέγιστης πιθανοφάνειας ώστε να ταξινομηθούν οι διαφορετικοί τύποι καλλιεργειών και οι θέσεις άρδευσης με βάση την φασματική υπογραφή των εικονοστοιχείων. Η μη – επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιήθηκε για περιοχές για τις οποίες υπήρχε διαθέσιμη μια απεικόνιση την ημέρα και για εκείνες με κάλυψη σύννεφων. Οι καλλιέργειες ταξινομήθηκαν σε 19 κατηγορίες με συνολική ακρίβεια 83,9%. Σύμφωνα με την ταξινόμηση χρήσης γης, οι αγροτικές καλλιέργειες καταλαμβάνουν το 93% των χρήσεων γης της Νεμπράσκα. Χρήση φυτοπροστατευτικών προϊόντων: Τα δεδομένα για τη χρήση του Atrazine προήλθαν από τη βάση δεδομένων της Γεωλογικής Υπηρεσίας των ΗΠΑ (USGS). Στη συνέχεια τα δεδομένα γενικεύθηκαν, ενσωματώνοντας δεδομένα χρήσης φ.π. σε επίπεδο επαρχίας όπως και δεδομένα εμβαδού των καλλιεργειών σε επίπεδο πολιτείας. Δεδομένα χρήσης φ.π. ανά τύπο καλλιέργειας συλλέχθηκαν από το πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα – Lincoln για το χρονικό διάστημα 1982 – 1987. Όμοια δεδομένα για τα έτη 1992 και 1997 αποκτήθηκαν από τη βάση δεδομένων του Εθνικού Κέντρου Τροφίμων και Αγροτικής Πολιτικής. Με βάση τα δεδομένα των τεσσάρων ετών, υπολογίστηκε το ποσοστό χρήσης Atrazine ανά στρέμμα για το καλαμπόκι, τον σόργο και σιτηρών. Πληθυσμιακά δεδομένα: Αποκτήθηκαν από σύνολα δεδομένων πλέγματος (grid) για τον πληθυσμό των ΗΠΑ του έτους 2000, τα οποία στη συνέχεια οπτικοποιήθηκαν.

Μοντελοποίηση της έκθεσης σε φυτοπροστατευτικά προϊόντα

Ακολουθήθηκαν δύο διαδικασίες: 1) Αρχικά υπολογίστηκε το σύνολο των εικονοστοιχείων που περιλαμβάνουν ένα συγκεκριμένο τύπο καλλιέργειας και στη συνέχεια υπολογίστηκε η χρήση Atrazine για τα εικονοστοιχεία μέσω μαθηματικού τύπου. Επίσης, υπολογίστηκε η χρήση Atrazine για τα εικονοστοιχεία που ανήκουν σε αρδευόμενες ή μη αρδευόμενες περιοχές. 2) Δημιουργήθηκε μια ζώνη επιρροής (buffer) για κάθε πληθυσμιακό πλέγμα με βάση την απόσταση των 750μ. (Εικόνα 1), υπολογίστηκαν τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στους τύπους καλλιέργειας που βρίσκονται μέσα στη ζώνη επιρροής (buffer). Στη συνέχεια αθροιστικά προέκυψε η χρήση φ.π. Για να γίνει αντιληπτή η πληροφορία που προέκυψε από την πιο πάνω διαδικασία, έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων με δύο δείκτες: τον δείκτη εγγύτητας, σύμφωνα με τον οποίο ένα άτομο εκτίθεται σε φ.π. αν βρίσκεται μέσα σε συγκεκριμένη απόσταση από την αγροτική γη και με τον δείκτη εμβαδού που σημαίνει ότι το επίπεδο της έκθεσης σχετίζεται με το συνολικό εμβαδό που καταλαμβάνει η αγροτική γη γύρω από την κατοικημένη περιοχή.

Η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί ως μέτρο εγγύτητας την κοντινότερη απόσταση του κεντροειδούς του πλεγματικού πληθυσμού (grid population) από το εικονοστοιχείο που αντιστοιχεί σε αγροτική περιοχή και ως μέτρο εμβαδού το συνολικό εμβαδό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν σε αγροτική καλλιέργεια και βρίσκεται μέσα στην ζώνη επιρροής των 1000μ. Για κάθε πληθυσμιακό πλέγμα, υπολογίστηκαν και συγκρίθηκαν τρεις δείκτες: Ο δείκτης σταθμισμένης έκθεσης σε φ.π. που προτείνεται στην παρούσα εργασία Ο δείκτης κοντινότερης απόστασης από την αγροτική γη και ο δείκτης του συνολικού εμβαδού αγροτικής γης μέσα στη ζώνη επιρροής των 1000μ. Καθώς το Atrazine χρησιμοποιείται μόνο για τρεις τύπους καλλιέργειας (καλαμπόκι, σόργο και σιτηρά) οι υπολογισμοί περιορίστηκαν σε αυτούς τους τύπους καλλιέργειας μόνο. Τα δεδομένα για τη δημόσια υγεία γενικά δημοσιεύονται για μεγάλες περιοχές (πολιτεία, zip code) ώστε να προστατευθούν τα προσωπικά δεδομένα των ανθρώπων. Για τις μελέτες που αφορούν το επίπεδο συσχέτισης ανάμεσα στην έκθεση σε φ.π. και την υγεία, είναι αναγκαίο να συγκεντρωθεί η πληροφορία έκθεσης σε επίπεδο πλέγματος ώστε να ταιριάζει με το επίπεδο της περιοχής μελέτης. Για να γίνει αυτό, στην παρούσα εργασία η έκθεση σε επίπεδο επαρχίας υπολογίστηκε ως ποσοστό έκθεσης σε ολόκληρη την πολιτεία:

Έκθεση= (μέγεθος πληθυσμού*δείκτης σταθμισμένης έκθεσης)/(μέγεθος πληθυσμού)

Όλοι οι υπολογισμοί και η ανάλυση έγιναν σε περιβάλλον ArcGIS 9.3 με εφαρμογές Visual Basic Applications (VBA). Αποτελέσματα 54.4% των πλεγμάτων πληθυσμού είχαν καλλιέργειες μέσα στη ζώνη επιρροής των 1000μ. 25,2% των πλεγμάτων πληθυσμού παρουσιάζει σημαντικά υψηλό κίνδυνο έκθεσης σε φ.π. Οι τρεις δείκτες κανονικοποιήθηκαν με τιμές ανάμεσα στο 0 και 1 και ο παράγοντας συσχέτισης Pearson βρέθηκε 0,86 μεταξύ του δείκτη σταθμισμένης έκθεσης και του δείκτη εμβαδού, ενώ 0,55 μεταξύ του δείκτη σταθμισμένης έκθεσης και του δείκτη κοντινότερης απόστασης. Η συσχέτιση είναι υψηλότερη μεταξύ του δείκτη σταθμισμένης έκθεσης και του δείκτη εμβαδού. Ο χάρτης χρήσης Atrazine (Εικόνα 2) και έκθεσης του πληθυσμού (Εικόνα 3) όπως προέκυψε από την μεθοδολογία της παρούσας εργασίας και τον προτεινόμενο δείκτη σταθμισμένης έκθεσης είναι: Μεταξύ των δύο χαρτών υπάρχουν σημαντικές διαφορές γεγονός που αναδεικνύει τη σημαντικότητα των Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων στην ανάλυση της έκθεσης του πληθυσμού σε φυτοπροστατευτικά προϊόντα. Η έκθεση σε Atrazine είναι μεγαλύτερη στις ανατολικές περιοχές της Νεμπράσκα και μικρότερη στις δυτικές. 4,1% του πληθυσμού της πολιτείας βρίσκεται σε υψηλό κίνδυνο έκθεσης σε Atrazine. Αν συνυπολογιστούν όλοι οι τύποι καλλιεργειών και φυτοπροστατευτικών η αναλογία αυτή μπορεί να φτάσει ποσοστό 12,1%.