Χαρτογράφηση του θερμοκρασιακού δείκτη GDD (Growing Degree Days) με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων Landsat-7 ETM+ και MODIS

Αντικείμενο εφαρμογής
Χαρτογράφηση του θερμοκρασιακού δείκτη GDD (Growing Degree Days) με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων Landsat-7 ETM+ και MODIS   

Στόχος της εφαρμογής
Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο προσδιορισμός του αριθμού των ημερών κατά τις οποίες η θερμοκρασία του αέρα υπερβαίνει μία θερμοκρασία αναφοράς και η χαρτογράφηση των αποτελεσμάτων σε υψηλής χωρικής ανάλυσης απεικονίσεις των 28,5 m. H ανάλυση βασίστηκε σε προηγούμενα αποτελέσματα του Hassan  (J. Applied Remote Sens., 1, 013511, 12p, 2007) με διακριτική ικανότητα 1 km. Επειδή ο δείκτης GDD χρησιμοποιείται κυρίως στη διαχείριση της ανάπτυξης των φυτών και την αγροτική παραγωγή αναλύθηκαν δορυφορικές εικόνες Landsat-7 ETM+ της περιόδου 1999 έως 2002 και σύνθετα 16 ημερών για τον δείκτη βλάστησης της περιόδου 2003 έως 2005 από τον MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Η διαδικασία εφαρμόστηκε σε δορυφορικά και κλιματικά δεδομένα για μία Καναδική Επαρχία με την ονομασία Nova Scotia. 

Πως γινόταν παλαιότερα χωρίς τηλεπισκόπηση
Υπήρχαν μετρήσεις της θερμοκρασίας και μοντέλα πρόβλεψής της.

Είδη δορυφορικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν
Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες Landsat-7 ETM+ της περιόδου 1999 έως 2002 και σύνθετα του δείκτη βλάστησης της περιόδου 2003 έως 2005 που προέκυψαν από τον MODIS.

Χρησιμότητα των δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν
Οι δέκτες Landsat γενικά επικεντρώνονται στις πλουτοπαραγωγικές πηγές του πλανήτη σε τομείς όπως η γεωλογία, οι μετρήσεις βιομάζας, η χαρτογράφηση των δασών, οι χρήσεις γης, η εδαφοκάλυψη, οι περιβαλλοντικές αλλαγές, οι παράκτιες περιοχές.
Ο δέκτης MODIS είναι το καταγραφικό όργανο του δορυφόρου TERRA και αν και έχει μικρή χωρική διακριτική ικανότητα, το μεγάλο εύρος σάρωσής του επιτρέπει την κατόπτευση εκτεταμένων περιοχών. Η μεγάλη χρονική διακριτική του ικανότητα επιτρέπει τη λήψη φωτογραφιών από περιοχές που μπορεί να έχουν μία ημέρα νεφοκάλυψη αλλά όχι την επόμενη. Έτσι μπορεί να συλλεχθεί μία σειρά ανέφελων τμημάτων μιας περιοχής και να συντεθεί ένα μωσαϊκό της περιοχής ενδιαφέροντος που να καλύπτει μεγάλη έκταση.  

Προεπεξεργασίες, προχωρημένες, ειδικές και ψηφιακές επεξεργασίες και αποτελέσματά τους, χάρτες και αιτιολόγηση της χρησιμοποίησης κάθε στοιχείου 
Ο ρόλος της θερμοκρασίας στον κύκλο ζωής των φυτών είναι πολύ σημαντικός, διότι είναι παράγοντας που συμμετέχει σε διαδικασίες όπως η εξατμισοδιαπνοή, η φωτοσύνθεση, η αναπνοή, η μετακίνηση νερού και θρεπτικών συστατικών μέσα στο φυτό. Ο δείκτης GDD ορίζεται ως η εποχική απόκλιση της μέσης ημερήσιας θερμοκρασίας του αέρα από μία τιμή θερμοκρασίας κάτω από την οποία δεν υφίσταται φυτική ανάπτυξη. Στόχος της υπό εξέταση εργασίας είναι να αναπτυχθεί μία μεθοδολογία για τη βελτίωση της χωρικής ανάλυσης των χαρτών που εικονίζουν το GDD (διακριτικής ικανότητας 250 m) και να παραχθεί μία συγχωνευμένη εικόνα με διακριτική ικανότητα 28,5 m από δεδομένα Landsat-7 ETM+ και MODIS.
Περιοχή ελέγχου αποτελεί η Nova Scotia του Καναδά, η οποία καλύπτεται από δάση στο 79% της έκτασής της και το κλίμα της επηρεάζεται αρκετά από την εγγύτητά της προς τον κόλπο Fundi στα βόρεια και τον Ατλαντικό ωκεανό στα νότια και ανατολικά. Χαρακτηρίζεται από δροσερό και υγρό κλίμα με μέση ετήσια θερμοκρασία 3,5-6,5°C και συνολική βροχόπτωση 900-1500 mm.       
Το αρχικό στάδιο στην εργασία είναι να παραχθεί ο βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) από επιφανειακές ανακλαστικότητες του Landsat-7 ETM+ χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία των Huete et al εφόσον είναι γνωστό ότι οι εκτιμήσεις του GDD και τα σύνθετα του δείκτη βλάστησης συσχετίζονται. O δείκτης βλάστησης υπολογίζεται από τη σχέση 1. 
(1) EVI=2,5*(ρNIR-ρR)/(ρNIR+6ρR-7,5ρB+1) , όπου:
ρκ η επιφανειακή ανακλαστικότητα που έχει διορθωθεί για την ατμοσφαιρική πίεση και κ το κανάλι για το οποίο υπολογίζεται η ανακλαστικότητα, δηλαδή το μπλε (Β), το κόκκινο (R) ή το εγγύς υπέρυθρο (NIR).
Αν και οι σχέσεις του Huete εφαρμόζονται μόνο στην επεξεργασία δεδομένων MODIS για να υπολογιστεί ο δείκτης βλάστησης, οι ίδιες σχέσεις εφαρμόστηκαν και για τα δεδομένα Landsat επειδή οι 2 δέκτες έχουν τα ίδια κανάλια (μπλε, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο) και παρόμοια φασματικά πεδία τιμών. Για παράδειγμα στο μπλε κανάλι ο Landsat-7 ETM+ έχει φασματικές τιμές 0,450 έως 0,520 ενώ ο MODIS 0,459 έως 0,479. Οι τιμές του δείκτη βλάστησης που προέρχονται από τον Landsat μετατρέπονται σε μακροχρόνιες μέσες τιμές (ενώ αναφέρονταν σε συγκεκριμένες μέρες) χρησιμοποιώντας τιμές του MODIS της περιόδου 2003-2005. Κατόπιν, συγχωνεύονται οι μακροχρόνιες τιμές του δείκτη βλάστησης με τον χάρτη του GDD που έχει διακριτική ικανότητα 1 km. Τέλος, παράγεται χάρτης του GDD με βελτιωμένη ανάλυση για την περίοδο 1971-2000. 

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων
Στο ερευνητικό αυτό έργο παρουσιάστηκε μία μεθοδολογία παραγωγής χάρτη μακροχρόνιων τιμών του δείκτη GDD υψηλής διακριτικής ικανότητας (28,5 m) για την περίοδο 1971-2000 χρησιμοποιώντας δεδομένα επιφανειακής ανακλαστικότητας του Landsat-7 ETM+ ίδιας διακριτικής ικανότητας, δεδομένα για τον δείκτη βλάστησης από τον MODIS με διακριτική ικανότητα 250 m και έναν προϋπάρχων χάρτη του δείκτη GDD που είχε προκύψει αρχικά από δεδομένα του MODIS για την επιφανειακή θερμοκρασία με διακριτική ικανότητα 1 km. H καινοτομία της παρούσας εργασίας σε σχέση με προηγούμενες παρόμοιας φύσης έγκειται στο γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε η σχέση που υπάρχει ανάμεσα στο δείκτη βλάστησης και το GDD.
Η Εικόνα 1 παρουσιάζει την χωρική διακύμανση (a) και τη διακύμανση στη συχνότητα (b) των μακροχρόνιων μέσων τιμών του δείκτη GDD σε χάρτη διακριτικής ικανότητας 28,5 m για την περίοδο 1971-2000. Παρουσιάζεται, επίσης, η συσχέτιση των τιμών GDD διακριτικής ικανότητας 250 m με τις μέσες τιμές GDD διακριτικής ικανότητας 28,5 m.
[[Εικόνα:Xoriki_diakimansi.jpg|thumb|right|H χωρική διακύμανση (a), η διακύμανση στη συχνότητα (b) των μακροχρόνιων μέσων τιμών του δείκτη GDD σε χάρτη διακριτικής ικανότητας 28,5 m για την περίοδο 1971-2000 και η συσχέτιση των τιμών GDD διακριτικής ικανότητας 250 m με τις μέσες τιμές GDD διακριτικής ικανότητας 28,5 m (c),Πηγή:http://www.ucalgary.ca/qhassan/files/Hassan_JARS_2nd_GDD_07.pdf]]



Πηγή
1. Quazi K. Hassan - Charles P. - A. Bourque - Fan-Rui Meng, «Application of Landsat-7 ETM+ and MODIS products in mapping seasonal accumulation of growing degree days at an enhanced resolution», Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 1, 013539 (28 September 2007)
2. Κωνσταντίνος Καρτάλης – Χαράλαμπος Φειδάς, Βιβλίο «Αρχές και εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης», Β. Γκιούρδας Εκδοτική