Επίδραση της ετερογένειας της κάλυψης γης στην ανάκτηση εδαφικής υγρασίας χρησιμοποιώντας μικροκυματικά τηλεπισκοπικά δεδομένα

'''Συγγραφείς'''
Tarendra Lakhankar , Hosni Ghedira, Marouane Temimi, Amir E. Azar 1 and Reza Khanbilvardi

'''Πηγή'''
Effect of Land Cover Heterogeneity on Soil Moisture Retrieval Using Active Microwave Remote Sensing Data


'''Εισαγωγή'''

Η χωρική και χρονική κατανομή της υγρασίας του εδάφους και των ελεγκτικών παραγόντων της προσφέρει μία εξαιρετική μελέτη για την κατανόηση της σημασίας του προτύπου και της κλίμακας στην υφή του εδάφους, την τοπογραφία και την εδαφοκάλυψη. Η αναγνώριση της εδαφικής υγραςίας χρησιμοποιώντας ενεργητικά μικροκυματικά μέσα τηλεπισκόπησης είναι μπερδεμένη από τη μεταβλητότητα των εσωτερικών εικονοστοιχείων της βλάστησης, αφού οι απομακρυσμένοι αισθητήρες παρέχουν μόνο μία τιμή ανά εικονοστοιχείο. Με απλά λόγια, η ετερογένεια ορίζεται ως η παρουσία των διαφόρων καλύψεων γης μέσα σε ένα εικονοστοιχείο. Η παρουσία της χωρικής μεταβλητότητας και η ανομοιογένεια της επιφάνειας της γης, εισάγει μια σειρά από προβλήματα στην ανάκτηση και επικύρωση των ενεργητικών μικροκυματικών δεδομένων για την υγρασία του εδάφους. Η χωρική κατανομή της χρήσης γης και της κάλυψης γης μέσα σε ένα εικονοστοιχείο απαιτεί σε βάθος μελέτη για να κατανοηθεί η επίδρασή του για την ανάκτηση επιφανειακών παραμέτρων. Στατιστικές προσεγγίσεις όπως, υπολογισμός του μέτρου της κεντρικής τάσης (μέσων όρων ή διαμέσων) και της μεταβλητότητας (τυπική απόκλιση ή διακύμανση), έχουν χρησιμοποιηθεί για να αντιμετωπίσουν τη χωρική μεταβλητότητα. Η ακρίβεια της δορυφορικής ανάκτησης της υγρασίας του εδάφους, συνήθως επηρεάζεται από την παρουσία της βλάστησης η οποία τροποποιεί σημαντικά και μειώνει τη διασπορά της μικροκομματικής ακτινοβολίας και καθιστά πιο δύσκολη την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους σε επιφάνειες που υπάρχει βλάστηση. Δύο είναι οι στόχοι αυτής της μελέτης. Πρώτον, η ανάλυση της σχέσης μεταξύ χωρικής μεταβλητότητας της βλάστησης και της διασποράς της μικροκομματικής ακτινοβολίας. Δεύτερον, να αξιολογήσει την επίδραση της ετερογένειας των εδαφικών καλύψεων στον υπολογισμό της υγρασίας του εδάφους.


'''Μεθοδολογία''' 

Το κλίμα στην περιοχή μελέτης χαρακτηρίζεται ως υπο-υγρό με μέση ετήσια βροχόπτωση των 75 εκατοστών. Οι συνθήκες υγρασίας του εδάφους ήταν γενικά ξηρές σε όλη την περιοχή μελέτης. Η χρήσεις γης κυριαρχούνται από βοσκότοπους και περιοχές χειμερινού σίτου και άλλων καλλιεργειών.

Τα δεδομένα για την εδαφική υγρασία με χωρική ανάλυση 800μ, προέρχονται από παθητικό όργανο μικροκυμάτων, Electronically Scanned Thinned Array Radiometer (ESTAR), το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων. Ο NDVI προήλθε από την ορατή και υπέρυθρη μπάντα από εικόνα Landsat TM που αποκτήθηκε κατά τη διάρκεια της εργασίας (25 Ιουλίου του 1997). Χρησιμοποιήθηκαν επίσης δύο RADARSAT-1 εικόνες που αποκτήθηκαν στις 2 Ιουλίου και 12 Ιουλίου του 1997 από το SCANSAR Narrow Mode με 25μ χωρική ανάλυση. Η σύνδεση μεταξύ των RADARSAT εικόνων με άλλες εικόνες, έδειξε ότι η γεωαναφορά που προέκυψε, είχε ακρίβεια έως ένα εικονοστοιχείο (9.40m), κατά μέσο όρο.

Νευρωνικά δίκτυα έχουν εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα προβλημάτων τηλεπισκόπησης και έχουν βελτιώσει την ακρίβεια σε σύγκριση με παραδοσιακές στατιστικές μεθόδους. Ένα πολλαπλών στρώσεων νευρωνικό δίκτυο (ή αισθητήρας) χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την έρευνα για την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους από ενεργητικά μικροκυματικά δεδομένα διασποράς. Η τελική αρχιτεκτονική του δικτύου είχε τρία στρώματα εισόδου (διασπορά, υφή εδάφους, NDVI), ένα στρώμα εξόδου (υγρασία του εδάφους) και ένα κρυφό επίπεδο με 10 κόμβους [3:10:01]. Η βέλτιστη αρχιτεκτονική διαμόρφωση του μοντέλου του νευρωνικού δικτύου χρησιμοποιήθηκε για την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους με τις εισροές του SAR, της υφής του εδάφους και των NDVI δεδομένων. Το νευρωνικό δίκτυο εκπαιδεύτηκε χρησιμοποιώντας στρώμα εισόδου διασποράς, υφής του εδάφους, και NDVI και παρήγαγε αργότερα δεδομένα ESTAR για την υγρασία. Η προβλεπόμενη υγρασία του εδάφους με τη χρήση νευρωνικών δικτύων, συγκρίθηκε με την υγρασία του εδάφους ESTAR ώστε να αξιολογηθεί η επίδραση της ετερογένειας των υπο-εικονοστοιχείων της κάλυψης γης.


'''Αποτελέσματα και Συζήτηση'''

Η μετατροπή της κάλυψης γης σε κλίμακα ESTAR (800μ) πραγματοποιήθηκε από την πιο συχνά εμφανιζόμενη κατηγορία βλάστησης εντός των επιμέρους εικονοστοιχείων. Η κατανομή της συχνότητας των εικονοστοιχείων για τις διαφορετικές καλύψεις γης παρουσιάζεται στο ιστόγραμμα (Σχήμα 3). Διαπιστώθηκε ότι η πλειοψηφία (άνω του 80%) των εικονοστοιχείων είναι ετερογενής, παρόλο που έχουν ταξινομηθεί ως προς συγκεκριμένη κάλυψη γης. Η μεταβλητότητα εντός του αποτυπώματος ESTAR (800μ) μετριέται ως τυπική απόκλιση των τιμών NDVI σε ανάλυση 30μ.

Βρέθηκε μία θετική συσχέτιση της μεταβλητότητας των εικονοστοιχείων, με τις μέσες τιμές της διασποράς SAR. Η μεταβλητότητα των εικονοστοιχείων αυξάνεται όσο αυξάνονται οι μέσες τιμές της διασποράς SAR, η οποία σχετίζεται επίσης με την υγρασία του εδάφους, καθώς υψηλότερες τιμές της διασποράς SAR αντιστοιχούν σε συνθήκες υγρασίας του εδάφους. Η μεταβλητότητα της διασποράς σχετίζεται με βιοφυσικές ιδιότητες (NDVI) και καλύψεις γης.

Η ακρίβεια της αναγνώρισης της υγρασίας του εδάφους από ενεργητικά μικροκυματικά στοιχεία εξαρτάται από τον τύπο της εδαφοκάλυψης και ετερογένεια των εικονοστοιχείων της. Ένα εικονοστοιχείο που καλύπτεται από πολλαπλούς τύπους βλάστησης και μη ομοιόμορφη υγρασία του εδάφους, έχει σημαντική επιρροή στη διαδικασία ανάκτησης. Τα στοιχεία της χωρικής κατανομής των κατηγοριών κάλυψης γης σε κάθε εικονοστοιχείο (π.χ. ότι ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο είναι 65% σιτάρι, 25% βοσκότοποι, και 10% κτηνοτροφικά) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό των εικονοστοιχείων με ποιοτικούς όρους, όπως η ομοιογένεια ή ετερογένεια. Ως εκ τούτου, ανακτημένα δεδομένα εδαφικής υγρασίας συγκρίθηκαν για διαφορετικούς τύπους κάλυψης γης, για να αναλυθούν οι επιπτώσεις της ετερογένειας στη διαδικασία ανάκτησης της υγρασίας.


'''Συμπεράσματα''' 

Η μελέτη αυτή εξέτασε το θέμα των προβλημάτων μεταβλητότητας και ετερογένειας, που αναμένονται από αισθητήρες με μεγαλύτερο αποτύπωμα, έχοντας ομογενή και ετερογενή εικονοστοιχεία. Για το λόγο αυτό, αναλύθηκε η στατιστική διακύμανση της βλάστησης (NDVI) και η διασπορά της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη αυτή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους σε μελλοντικές Soil Moisture Active and Passive (SMAP), αποστολές, οι οποίες θα έχουν ενεργό αισθητήρα μικροκυμάτων με μεγαλύτερο αποτύπωμα (1 χλμ. χωρική ανάλυση) με ομοιογενή και ετερογενή εικονοστοιχεία.