Ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση χρησιμοποιώντας εικόνες ENVISAT-ASAR: Μία περίπτωση μελέτης για τα προάστια του Πεκίνου

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Remote Sensing Retrieval of Soil Moisture Using ENVISAT-ASAR Images: A Case Study in Suburban Region of Peking, China

'''Συγγραφείς:''' Xuhua Cai, Huili Gong, Xiaojuan Li, Lin Zhu

'''Πηγή:''' [http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=5567495 Geoinformatics, 2010 18th International Conference]


'''Ι. ΕΙΣΑΓΩΓΗ'''

Η υγρασία του εδάφους είναι μια ιδιαίτερα μεταβλητή συνιστώσα του εδάφους και διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις ανταλλαγές υλικών και ενέργειας μεταξύ γης και ατμόσφαιρας. Είναι επίσης η βασική παράμετρος για την ανάπτυξη των καλλιεργειών και την πρόβλεψη της απόδοσής τους. Γι’ αυτό το λόγο πολλοί επιστήμονες έχουν επικεντρώσει την έρευνά τους στην εκτίμηση της υγρασίας του εδάφους και στις μεταβολές της σε διάφορες χρονικές και χωρικές κλίμακες. 

Με τα χαρακτηριστικά της παρατήρησης της ευρύτερης περιοχής συγχρονισμένα, έγκαιρα και οικονομικά, η τεχνική της τηλεπισκόπησης καθιστά δυνατή την παρακολούθηση της δυναμικής υγρασίας του εδάφους. Η παρακολούθηση της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση έχει ιστορία 30 ετών, ενώ έχουν γίνει πολλές έρευνες στο πεδίο αυτό, συμπεριλαμβανομένων μεθοδολογιών τηλεπισκόπησης στο ορατό και υπέρυθρο με βάση τις μεθόδους NVDI (Normalized Difference Vegetation Index), υπερφασματικής τηλεπισκόπησης με βάση αλγόριθμο, μικροκυματικής τηλεπισκόπησης κ.ο.κ.. Μεταξύ αυτών των μεθόδων, η μικροκυματική έχει το μεγάλο πλεονέκτημα στην ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, την κάλυψη νεφών και ηλιακού φωτισμού. 

Η τεχνική SAR (Synthetic Aperture Radar) είναι πολύ ευαίσθητη στις συνθήκες της επιφάνειας του εδάφους, ιδιαίτερα στην τραχύτητα και στο ποσοστό της υγρασίας στα πρώτα εκατοστά του εδάφους από την επιφάνεια. Ιδιαίτερες προσπάθειες έχουν αφιερωθεί στη μικροκυματική τηλεπισκόπηση για τη μελέτη της απόκρισης οπισθοσκέδασης του ραντάρ από φυσικές επιφάνειες. Ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα οπισθοσκέδασης (μοντέλα Kirchoff, the small perturbation model (SPM)) και το Μοντέλο της Ολοκληρωμένης Εξίσωσης (Integral Equation Model, ΙΕΜ) αναπτύχθηκαν για την εξέταση αυτού του ζητήματος. Ωστόσο, πειραματικές μετρήσεις έδειξαν ότι αυτά περιορίζονται σε λείες ή πολύ τραχείες επιφάνειες του εδάφους. Αυτές οι δυσκολίες οφείλονται σε δύο παράγοντες: πρώτον, στο ότι η περιγραφή της τραχύτητας του εδάφους βασίζεται μόνο σε δύο παραμέτρους (το ύψος rms (s) και το μήκος συσχέτισης (l)), και γενικά σε μία εκθετική εξίσωση συσχέτισης για όλες τις επιφάνειες, και δεύτερον, στις φυσικές προσεγγίσεις που εισάγονται στα μοντέλα. Για παράδειγμα, το μοντέλο SPM ισχύει μόνο για πολύ λεία εδάφη, οι προσεγγίσεις του μοντέλου Kirchoff για πολύ τραχείες επιφάνειες, ενώ για το ΙΕΜ δεν έχει ανιχνευθεί ακόμη μια μεγάλη περιοχή ισχύος για πραγματικά γεωργικά εδάφη. 

Το σήμα του ραντάρ στο κανάλι C είναι ευαίσθητο στην υγρασία της επιφάνειας του εδάφους. Το κανάλι C μπορεί να βρεθεί σε δορυφόρους όπως ο ERS-2 (European Remote Sensing Satellite), ο RADARSAT και ο ENVISAT (Environment Satellite). Οι μετρήσεις στο κανάλι C επηρεάζονται, εκτός από την υγρασία του εδάφους, από τη φυτοκάλυψη και την τραχύτητα της επιφάνειάς του. Πολλές στατιστικές και  εμπειρικές μέθοδοι έχουν προταθεί για την ανάκτηση της υγρασίας της επιφάνειας εδάφους χρησιμοποιώντας δεδομένα ENVISAT/ASAR για γυμνές ή καλυμμένες με βλάστηση γεωργικές εκτάσεις. Επειδή όμως υπάρχουν περιορισμοί στην εφαρμογή των στατιστικών ή εμπειρικών μοντέλων, χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι για την εκτίμηση της υγρασίας της επιφάνειας του εδάφους των γεωργικών εκτάσεων.


'''ΙΙ. ΣΥΝΟΛΟ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ'''

''Α. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ENVISAT/ASAR''

Το Προηγμένο Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος Κεραίας ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) του δορυφόρου ENVISAT επεκτείνει την αποστολή των οργάνων Active Microwave Instrument (AMI) του Synthetic Aperture Radar (SAR) των European Remote Sensing (ERS) Satellites ERS-1 και ERS-2. Το ASAR χρησιμοποιεί μια ενεργή φασικά ελεγχόμενη στοιχειοκεραία με γωνίες πρόσπτωσης μεταξύ 15 και 45 μοιρών. Λειτουργεί σε μήκος κύματος 5,6 cm (συχνότητα 5.3 GHz, κανάλι C) και  μπορεί να λειτουργεί με τους εξής τρόπους: εικόνα, πόλωση, λωρίδα μεγάλου πλάτους, παγκόσμια παρακολούθηση και κύμα. Οι εφαρμογές αυτού του αισθητήρα περιλαμβάνουν τη μελέτη των ωκεάνιων κυμάτων, της έκτασης και κίνησης των θαλάσσιων πάγων και μελέτες για την επιφάνεια της γης. Η λειτουργία εικόνας Precision Image ASAR παρέχει μια πολλαπλή, δυστοπογραφική, πόλωσης HH or VV, ψηφιακή εικόνα με ανάλυση εδάφους 30m. Τα προϊόντα επιπέδου 1B της λειτουργίας ENVISAT/ASAR IM (ASAR Image mode Precision Image) χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη (ASAR product hand book, 2002).

Πολλές έρευνες, χρησιμοποιώντας το SAR στο κανάλι C, έχουν δείξει ότι όταν χρησιμοποιείται μόνο ένα κανάλι ραντάρ, οι καλύτερες εκτιμήσεις για την υγρασία του εδάφους γίνονται με εικόνες που αποκτήθηκαν με μικρές και μέτριες γωνίες πρόσπτωσης ≤35°. Η ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους από παρατηρήσεις οπισθοσκέδασης με μονοπόλωση και μονή γωνία πρόσπτωσης απαιτεί τα δεδομένα να έχουν μια ελάχιστη ευαισθησία σε άλλες παραμέτρους της επιφάνειας του εδάφους (κυρίως στην τραχύτητα της επιφάνειας). Το σήμα πόλωσης ΗΗ είναι περισσότερο ευαίσθητο στην τραχύτητα σε σχέση με το σήμα VV. Επιπλέον, με την αυξανόμενη γωνία πρόσπτωσης και τραχύτητα της επιφάνειας τα δεδομένα της πόλωσης VV δεν επηρεάζονται από την υγρασία του εδάφους. Έτσι, για αυτή τη μελέτη επιλέχθηκε η λειτουργία εικόνας ASAR Precision Image με πόλωση VV και μικρές και μέτριες γωνίες πρόσπτωσης (19.2º-26.7º).


''Β. Πειραματικοί χώροι''

Για αυτή τη μελέτη λήφθηκαν πειραματικά δεδομένα του εδάφους από πειραματικές περιοχές που βρίσκονται στα προάστια του Πεκίνο (γεωγραφικό μήκος° 37 '~ 116 ° 43' E, γεωγραφικό πλάτος 40 ° 13 '~ 40 ° 19' N). Οι περισσότεροι από τους πειραματικούς χώρους βρίσκονται στην επαρχία Huairou, που είναι μια περιοχή όπου οι υδατικοί πόροι βρίσκονται σε έλλειψη, ενώ λίγοι διασχίζουν τον ποταμό Chaobai στην επαρχία Shunyi. Ανήκουν στις άγονες ή ημιάγονες περιοχές, όπου η επιφάνεια του εδάφους είναι επίπεδη γεωργική έκταση (κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι και τα φιστίκια).

Τα κόκκινα αστέρια στην Εικόνα 1 δείχνουν τους χώρους που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειραματικά δεδομένα του εδάφους. Σε αυτές τις θέσεις, ταυτόχρονα με τις μετρήσεις του ραντάρ, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του εδάφους για μεγάλο αριθμό πειραματικών εκτάσεων γυμνού εδάφους. Οι μετρήσεις περιλαμβάνουν την υγρασία της επιφάνεια του εδάφους, το δείκτη φυλλικής επιφάνειας και την τραχύτητα του εδάφους.

[[ Εικόνα: Pekino.jpg | thumb | center | Εικόνα 1: Τοποθεσίες μετρήσεων (κόκκινα αστέρια) της πειραματικής περιοχής ]]


'''ΙΙΙ. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ'''

''Α. Επεξεργασία δεδομένων''

Ορισμένα χαρακτηριστικά των εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν για ανάλυση δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Η επεξεργασία των δεδομένων έγινε χρησιμοποιώντας το BESTv4.2.2b (www.envisat.esa.int) : αρχικά, χρησιμοποιώντας το speckle filter tool απαλείφθηκε ο θόρυβος speckle από τις εικόνες έντασης, δεύτερον, χρησιμοποιώντας το amplitude to power and image backscattering tool αποκτήθηκε η εικόνα οπισθοσκέδασης σε ψηφιακούς αριθμούς ή στην κλίμακα dB. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ENVI4.2 μετατράπηκαν οι ψηφιακοί αριθμοί DN σε συντελεστές οπισθοσκέδασης με τη μέθοδο και την εξίσωση που περιγράφεται παρακάτω.

Οι ψηφιακοί αριθμοί DN (image digital numbers) είναι μονάδες πλάτους και μετατράπηκαν σε τιμές οπισθοσκέδασης (σ0) χρησιμοποιώντας το ASAR product hand book. Ο υπολογισμός του σ0 έγινε ως εξής:

όπου σ0 η οπισθοσκέδαση του ραντάρ σε (m2/m2), A η ένταση εικονοστοιχείου σε τιμές πλάτους, Κ η εξωτερική σταθερά διακρίβωσης (m2/m2) και σ η κατανεμημένη γωνία πρόσπτωσης. Η εξωτερική σταθερά διακρίβωσης και η κατανεμημένη γωνία πρόσπτωσης βρίσκονται χρησιμοποιώντας το λογισμικό BESTv4.2.2b.


''Β. Μετρήσεις της υγρασίας του εδάφους και της τραχύτητας''

Η υγρασία και η θερμοκρασία του εδάφους σε απόσταση 5cm και 10cm από την επιφάνεια μετρήθηκε με το Wet Sensor σε 16 πειραματικές τοποθεσίες από τους επικρατέστερους τύπους εδαφών στις επαρχίες Huairou και Shunyi (αραιό ή γυμνό έδαφος). Ο στόχος των μετρήσεων αυτών ήταν να συλλάβουν την χωρική μεταβλητότητα της υγρασίας του εδάφους με εικόνες ENVISAT 3x3 pixels για κάθε ένα χώρο. Η ώρα των μετρήσεων χωρίστηκε εξίσου πριν και μετά το πέρασμα του δορυφόρου, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν τα  χρονικά σφάλματα των μεταβλητών της υγρασίας του εδάφους. Ο ανιχνευτής του Wet Sensor πρέπει να διεισδύσει στο έδαφος, ώστε να παρθεί μία μέτρηση για την υγρασία. Για την προστασία του ανιχνευτή και για ακριβή μέτρηση, απαιτείται ένα σημείο στο έδαφος που έχει όσο το δυνατόν λιγότερα θραύσματα πετρωμάτων. 

Η τραχύτητα της επιφάνειας των 16 πειραματικών τοποθεσιών μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα σταθερό σχοινί δύο μέτρων χωρίς ελαστικό και μια μεζούρα. Η διαδικασία των μετρήσεων της τραχύτητας έγινε σε δύο φάσεις. Πρώτον, χρησιμοποιώντας δύο πείρους και σταθερό σχοινί δύο μέτρων για μέτρηση απόστασης δύο μέτρων. Δεύτερον, με τη μεζούρα κοντά στην επιφάνεια του εδάφους επεκτείνοντας φυσικά σε απόσταση δύο μέτρων και στη συνέχεια καταγράφοντας την τιμή. Έτσι, η τραχύτητα του εδάφους μπορεί να περιγραφεί ως εξής: (lr-2) / lr. 

Τα δεδομένα των μετρήσεων που συλλέχθηκαν συνοψίζονται στον Πίνακα 2. Η περιεκτικότητα του εδάφους σε υγρασία για τις πειραματικές τοποθεσίες ήταν μέτρια, με μέσο όρο περίπου 34,34% κατά τη διάρκεια της πειραματικής περιόδου. Η τραχύτητα είναι κατά μέσο όρο 6,1cm.


''Γ. Προσομοιώσεις υγρασίας και τραχύτητας του εδάφους''

Το Integral Equation Model (IEM) ποσοτικοποιεί το μέγεθος της οπισθοσκέδασης, σε συνάρτηση με την περιεκτικότητα σε υγρασία και την τραχύτητα της επιφάνειας, οι οποίες είναι άγνωστες, και με τις γνωστές ρυθμίσεις του ραντάρ. Η εκτίμηση της τραχύτητας της επιφάνειας ή της υγρασίας του εδάφους με την επίλυση του IEM με δύο αγνώστους είναι ένα κλασικό παράδειγμα underdetermination και αποτελεί τον πυρήνα των προβλημάτων που συνδέονται με τη χρήση εικόνων ραντάρ σε συνδυασμό με IEM μοντέλα. 

Με πολλαπλά τρεξίματα του ΙΕΜ, προσομοιώθηκε μια σειρά συνόλων δεδομένων σ0 για τις ρυθμίσεις του ραντάρ όμοια με τις εικόνες ENVISAT/ASAR της 16ης Ιουλίου και 29ης Οκτωβρίου (Πίνακας 1). Σύμφωνα με το αποτέλεσμα των προσομοιώσεων IEM, προσδιορίστηκε η εξίσωση παλινδρόμησης μεταξύ της υγρασίας του εδάφους και του συντελεστή οπισθοσκέδασης. 

Σε γυμνή επιφάνεια εδάφους, η ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους με οπισθοσκέδαση μονής πόλωσης και μονής γωνίας πρόσπτωσης επηρεάζεται κυρίως από την υγρασία και την τραχύτητα του εδάφους. Οπότε ο συντελεστής οπισθοσκέδασης μπορεί να περιγραφεί ως εξής

όπου σ0 είναι οι επιθυμητοί τελικοί συντελεστές οπισθοσκέδασης, mv η συμβολή της επιφάνειας του εδάφους, lr η συμβολή της τραχύτητα, και F1, F2 οι συναρτήσεις των  mv και lr, αντίστοιχα, συναρτήσει του μήκους κύματος και της γωνία πρόσπτωσης.


'''IV. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ'''

Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της εξίσωσης παλινδρόμησης δείχνουν ότι η πόλωση VV με χαμηλής γωνίας πρόσπτωσης στο κανάλι C δεν είναι ευαίσθητη στην τραχύτητα της επιφάνειας του εδάφους και είναι κατάλληλη για την ανάκτηση της υγρασίας της επιφάνεια του εδάφους. 

Η νέα περιγραφή της τραχύτητας της επιφάνειας απλοποιεί τον υπολογισμό της τραχύτητας. Διαπιστώθηκε ότι η τραχύτητα της επιφάνειας του εδάφους της εικόνας ήταν λίγο μεγαλύτερη από τη μετρούμενη τραχύτητα του εδάφους. Αυτό ίσως δείχνει ότι η τραχύτητα του υπεδάφους που προκλήθηκε από θραύσματα πετρωμάτων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο. Το σήμα του ραντάρ είναι πιθανόν να ανταποκρίνεται στις πολλαπλές αναπηδήσεις των θραυσμάτων πετρωμάτων του υπεδάφους, όταν διεισδύει λίγα εκατοστά κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, εκτός από την σκέδαση λόγω τραχύτητας της επιφάνειας. Συνεπώς, η τραχύτητα που αντιλαμβάνεται το ραντάρ μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των μετρήσεων. 

Η συσκευή μέτρησης τραχύτητας δεν έχει σχεδιαστεί για την τραχύτητα του υπεδάφους. Ως εκ τούτου, οι μετρήσεις της τραχύτητας με μεζούρα μπορεί να μην είναι επαρκείς για να χαρακτηρίσουν την τραχύτητα της επιφάνειας για εισαγωγή δεδομένων στο IEM, ειδικά για τις περιοχές μελέτης με μεγάλες ποσότητες θραυσμάτων πετρωμάτων.


'''V. ΕΠΙΛΟΓΟΣ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ'''

Παρουσιάστηκε, λοιπόν, μια περιγραφή της τραχύτητας της επιφάνειας, προκειμένου να βελτιωθούν οι προσομοιώσεις οπισθοσκέδασης σε γυμνό έδαφος. Με βάση τα πειραματικά δεδομένα, προσδιορίστηκε η σχέση μεταξύ του συντελεστή οπισθοσκέδασης, της υγρασίας και της τραχύτητας του εδάφους. Επίσης, προτάθηκε μια εμπειρική σχέση που συνδέει τις δύο αυτές παραμέτρους.

Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται παραπάνω αποδεικνύουν ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος είναι κατάλληλος για την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους στην περιοχή μελέτης. Το πιο σημαντικό είναι ότι αυτή είναι η πρώτη φορά που τα δεδομένα ENVISAT ASAR εφαρμόζονται σε περιοχή του Πεκίνου με έλλειψη υδατικών πόρων.