Η χρήση της τηλεπισκόπησης για την ολοκληρωμένη διαχείριση των υδατικών πόρων: παραδείγματα από τη Βουλγαρία

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 17:35, 9 Φεβρουαρίου 2010

Remote Sensing for the purposes of the Integrated Water Resources Management: Examples from Bulgaria Vassil Vassilev, Radko Radkov, Stefana Popova, Vessela Samoungi, Konstantin Stefanov, BALWOIS 2008 – Ohrid, Republic of Macedonia – 27, 31 May 2008, http://www.balwois.com/balwois/administration/full_paper/ffp-1260.pdf

Τελική διανυσματική βάση δεδομένων και πίνακας χαρακτηριστικών των χαρτογραφημένων υγροτόπων

Εισαγωγή

Οι δορυφορικές εικόνες είναι μια πολύτιμη βοήθεια στην απόκτηση πληροφοριών για τη κάλυψη και τις χρήσεις γης, καθώς και τις αλλαγές τις. Αντιπροσωπεύουν μια ανεξάρτητη πηγή πληροφοριών που μπορεί να αναβαθμίζεται συχνά. Επίσης, η ποικιλία στη διακριτική ικανότητα των δορυφόρων δίνει τη δυνατότητα απεικόνισης των υδρολογικών αντικειμένων σε διάφορες κλίμακες – σήμερα φτάνουμε μέχρι την κλίμακα 1:5.000. Παράλληλα, τα επίγεια μέσα παρακολούθησης μπορούν να συλλέξουν πληροφορίες για την επιφάνεια του νερού σε εκατοντάδες φασματικά κανάλια, επιτρέποντας στους υδρολόγους όχι μόνο να χαρτογραφήσουν τους υγροτόπους αλλά και να εξάγουν πληροφορίες για διάφορα χαρακτηριστικά του νερού όπως τα χρώμα, η αλατότητα, κτλ. Τέλος, η χρήση των δορυφόρων παρέχει χρήσιμα δεδομένα για την παρακολούθηση φυσικών καταστροφών, όπως οι πλημμύρες. Ο αυξανόμενος αριθμός δορυφόρων υψηλής και πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας δίνει τη δυνατότητα για την απόκτηση πληροφοριών με μεγάλη λεπτομέρεια σε μικρό χρονικό διάστημα από το καταστροφικό γεγονός, βοηθώντας στη δημιουργία χάρτη για την αντιμετώπιση της κρίσης.

Δίκτυο των ποταμών και κύριοι υδάτινοι όγκοι αναβαθμισμένοι στη βάση των SPOT 5 (5m color) δορυφορικών εικόνων

Υπηρεσία άμεσης ανάληψης δράσης για τις πλημμύρες του Δούναβη στην περιοχή της πόλης του Vidin, τον Απρίλιο του 2006

Καταγραφή Υγροτόπων

Οι υγρότοποι αποτελούν ένα σημαντικό μέρος του περιβάλλοντος καθώς συγκεντρώνουν μεγάλη βιοποικιλότητα και εμπεριέχουν οικολογική, οικονομική και κοινωνική αξία. Καταστρέφονται λόγω τεχνιτών αλλαγών στη στάθμη του νερού, τοξικών αποβλήτων, εισβολή ξενικών ειδών, αποξήρανση και έπειτα καλλιέργεια, κτλ. Για τους λόγους αυτούς απαιτείται παρακολούθηση, διαχείριση και διατήρηση των υγροτόπων. Όμως η συλλογή και αναβάθμιση των δεδομένων είναι δύσκολη λόγω της όχλησης που δημιουργείται από την έρευνα στο πεδίο και τη δυσκολία στην πρόσβαση. Η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης ξεπερνάει αυτά τα προβλήματα και αποτελεί μια ταχεία μέθοδο για την καταγραφή και παρακολούθηση των υγροτόπων. Το 2002 ο ReSAC (Remote Sensing Application Center) συμμετείχε σε μια έρευνα για την αναγνώριση και τον προσδιορισμό των τοποθεσιών των φυσικών και τεχνητών υγροτόπων της Βουλγαρίας. Κατά τη διάρκεια αυτής της μελέτης οι υγρότοποι απεικονίστηκαν σε κλίμακα 1:50.000, με δεδομένα των ετών 1989 έως 2000 από δορυφόρους LANDSAT TM και LANDSAT ETM με διακριτική ικανότητα 30m. Αναγνωρίστηκαν περισσότεροι από 7.800 υγρότοποι μόνο από την αντανάκλαση του νερού. Κατά τη διάρκεια της χαρτογράφησης χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές για την επεξεργασία των εικόνων. Η διαδικασία ταξινόμησης περιλάμβανε τόσο επιβλεπόμενη και μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση, όσο και οπτική ερμηνεία και ψηφιοποίηση. Αυτή ήταν η πρώτη προσπάθεια απεικόνισης των υγροτόπων της Βουλγαρίας με τηλεπισκόπηση σε εθνική κλίμακα. Για τη σκιαγράφηση των υδάτινων στοιχείων στις εικόνες του Landsat, προσδιορίστηκε ότι το νερό εμφανίζεται σχεδόν μαύρο στα έγχρωμα σύνθετα RGB (4,5,3) και RGB (4,5,7). Για το λόγο αυτό η έρευνα διεξήχθη μόνο σε τέσσερα κανάλια (κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο, μέσο υπέρυθρο, θερμικό), επιταχύνοντας τη διαδικασία, μειώνοντας τη φασματική σύγχυση και αυξάνοντας την ακρίβεια του αποτελέσματος. Παρ’ όλ’ αυτά οι σκιές των νεφών και των λόφων συγχέονταν με τους υγροτόπους οπότε περεταίρω βελτιστοποίηση της ταξινόμησης απαιτήθηκε. Η φασματική διάκριση επιτεύχθηκε μέσω επιβλεπόμενης ταξινόμησης χρησιμοποιώντας περιοχές εκπαίδευσης εικονοστοιχείων που απεικόνιζαν τις μεικτές τάξεις. Ως επιπλέον επίπεδο με φασματική ενίσχυση για τη διάκριση της βλάστησης υπολογίστηκε ο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Ο NDVI είναι μια αναλογία που υπερτονίζει τη διαφορά μεταξύ του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου καναλιού έτσι ώστε να ενισχύσει την ορατότητα των εικονοστοιχείων που εικονίζουν τη βλάστηση. Τα ψηφιδωτά προϊόντα της ταξινόμησης μετατράπηκαν σε διανυσματική μορφή και επιπλέον ιδιότητες προστέθηκαν. Για τους 7.800 αναγνωρισμένους υγροτόπους προστέθηκαν ιδιότητες όπως όνομα, κοντινότερος οικισμός, ποτάμι στο οποίο ανήκει ο υδάτινος όγκος, γεωγραφική τοποθεσία. Αυτό αποτέλεσε το πρώτο χαρτογραφικό προϊόν σε περιβάλλον ΓΣΠ για όλους τους υγροτόπους της Βουλγαρίας όπως και η βάση δεδομένων που δημιουργήθηκε.

Τα προϊόντα της ανάλυσης της στάθμης του νερού για την πόλη Ruse

Ανάλυση της επίδρασης των πλημμυρών στην περιοχή της πόλης Novi Iskar και των περιχώρων της, σε συνδυασμό με την ερμηνεία των επηρεασμένων περιοχών με βάση τους τύπους κάλυψης και χρήσης γης του CORINE 2000

Υπηρεσίες άμεσης ανάληψης δράσης

Από το 2005 ο ReSAC συμμετέχει στην κοινή πρωτοβουλία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής και της Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος που έχει σαν στόχο την παροχή ενός κοινού συστήματος απόκτησης πληροφοριών σε όσους έχουν πληγεί από φυσικές και ανθρωπογενείς καταστροφές (αρχές και πολίτες) βασισμένου σε παρατηρήσεις από το διάστημα και από το πεδίο. Στο διάστημα 2005-2007 πολυάριθμες σοβαρές πλημμύρες συνέβησαν σε ολόκληρη τη Βουλγαρία λόγω ισχυρών βροχοπτώσεων και λιωσίματος του χιονιού στην Κεντρική Ευρώπη που επηρέασαν το κατώτερο κομμάτι του Δούναβη. Εικόνες του FORMOSAT και του SPOT χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία υπηρεσιών άμεσης ανάληψης δράσης ώστε να διευκολυνθεί η λήψη αποφάσεων κατά τη διάρκεια της κρίσης όσο και για την ελαχιστοποίηση των κινδύνων μελλοντικών πλημμυρών.

Χαρακτηριστικά των αισθητήρων που χρησιμοποιήθηκαν στο πρόγραμμα

Ο ποταμός Rusenski Lom σε ξηρές συνθήκες – μικροκυματικά δεδομένα υγρασίας του εδάφους στο υπέργειο (αριστερά) και το υπόγειο (δεξιά) τμήμα του

Μοντελοποίηση της στάθμης του νερού

Η μοντελοποίηση της στάθμης του νερού είναι ουσιώδης όταν πρέπει να προγραμματιστεί η απόκριση σε ένα καταστροφικό γεγονός. Δραστηριότητες όπως η εκκένωση, η διάσωση και η πρόληψη μπορούν να οργανωθούν αν είναι γνωστός ο χάρτης της εξέλιξης της στάθμης του νερού ενός ποταμού με μεγάλη ταχύτητας ροής. Κατά τη διάρκεια των πλημμυρών του Δούναβη τον Απρίλιο του 2006, ο ReSAC είχε στη διάθεσή του πληροφορίες Cadastral, IKONOS Orthophotos, Ψηφιακό Υψομετρικό Πρότυπο (DEM) σε κλίμακα 1:5.000 για την περιοχή της πόλης Ruse, με σκοπό να ετοιμάσει χάρτη με τις ευάλωτες στην πλημμύρα περιοχές σε συνδυασμό με τρισδιάστατες προσομοιώσεις, ώστε να προγραμματιστεί έγκαιρη αντίδραση.

Ο ποταμός Rusenski Lom – Ψηφιακό Υψομετρικό Πρότυπο (DEM) που παρήχθη από τον αισθητήρα LIDAR. Γενική επισκόπιση (αριστερά) και λεπτομερής άποψη (δεξιά)

Θερμικά υπέρυθρα δεδομένα από την περιοχή Nikolovo

Χαρτογράφηση των περιχών που απειλούνται από πλημμύρες

Τον Οκτώβριο του 2007 μπήκε σε εφαρμογή η οδηγία της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την αντιμετώπιση του κινδύνου πλημμυρών, σύμφωνα με την οποία τα κράτη-μέλη υποχρεούνται να συντάξουν χάρτες για τις περιοχές που απειλούνται από πλημμύρες καθώς και πλάνα διαχείρισης των καταστροφών. Για το λόγο αυτό ξεκίνησε ένα πρόγραμμα στην περιοχή Novi Iskar, κοντά στη Σόφια, με σκοπό την ανάπτυξη μεθοδολογίας για την προσομοίωση και πρόβλεψη των πιθανών ζημιών στις υποδομές, σε κατοικίες, βιομηχανικές περιοχές, καλλιέργειες, κτλ. Το πρόγραμμα είχε σαν στόχο τη χρήση εικόνων από δορυφόρους σε συνδυασμό με τον έλεγχο της αποδοτικότητας του προϊόντος DEM του SPOT Image, Reference3D, για τους σκοπούς της μοντελοποίησης των πλημμυρών. Η υδραυλική μοντελοποίηση και προσομοίωση της ποσότητας και της στάθμης του νερού απαιτούσε πληροφορίες για το έδαφος στην περιοχή της πλημμύρας με μεγάλη ακρίβεια (περίπου 15cm) και για το λόγο αυτό αστικοί χάρτες με κλίμακα 1:5.000 ψηφιοποιήθηκαν. Λόγω του γεγονότος ότι οι περισσότεροι από αυτούς τους χάρτες δεν είχαν εκσυγχρονιστεί για μια περίοδο 10-15 ετών, μετρήσεις στην πλημμυρική περιοχή κοντά στην πόλη Novi Iskar συλλέχθηκαν με το εργαλείο DGPS (ένα ακριβές σύστημα έρευνας που περιλαμβάνει ένα σταθμό βάσης MAPRT με εξωτερική κεραία MG-A5 και ένα δέκτη rover (Remotely Operated Video Enhanced Receiver) GMS-2. Για την προσομοίωση των πλημμυρών χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό MIKE11 σε συνδυασμό με το ArcView GIS. Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία ενός ψηφιδωτού πλέγματος για την επιφάνεια του νερού. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν, με τη βοήθεια ΓΣΠ, για την αντιμετώπιση των πλημμυρών και την αξιολόγηση της σοβαρότητάς τους.

Νέοι αισθητήρες για την παρακολούθηση του νερού και της εδαφικής υγρασίας

Τον Αύγουστο του 2007, η ομάδα του ReSAC συμμετείχε σε ένα διεθνές πείραμα τηλεπισκόπησης. Μια ομάδα εμπειρογνωμόνων δημιούργησε ένα νέο αερομεταφερόμενο σύστημα πολυ-αισθητήρων που βοηθάει τον πολιτικό κόσμο να λάβει ταχείες, ακριβείς και αποτελεσματικές αναλύσεις κινδύνου για υδάτινα σώματα και φράγματα, ακτές, χωράφια και άλλες περιοχές. Το σύστημα αυτό αποτελείται από διάφορα όργανα, συμπεριλαμβανομένου ενός σαρωτή για την ανίχνευση της (υπόγειας) υγρασίας του εδάφους και της ξηρασίας, μιας θερμικής υπέρυθρης κάμερας για τα θερμοκρασιακά δεδομένα του εδάφους, ενός σαρωτή lidar για υψομετρικά μοντέλα, χαρτογραφική απεικόνιση της βλάστησης και ανίχνευση των παραμορφώσεων, καθώς και μιας ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής για εικόνες από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο φάσμα της περιοχής μελέτης. Όλοι οι αισθητήρες βρίσκονται πάνω στο ίδιο ελαφρύ αεροσκάφος και λειτουργούν ταυτόχρονα για την παραγωγή ενός μεγάλου εύρους πληροφοριών, οι οποίες στη συνέχεια αναλύονται από ένα σύστημα ελέγχου πληροφοριών (IMS). Η περιοχή μελέτης κάλυψε την περιοχή των ποταμών Yantra και Roussenski Lom που εκβάλουν στο Δούναβη. Κατά τη διάρκεια του πειράματος ο καιρός άλλαζε με μεγάλη ταχύτητα από ξηρός σε πολύ υγρό, έτσι ώστε μοναδικές πληροφορίες συλλέχτηκαν σχετικά με την επιφανειακή υγρασία (ξηρές συνθήκες 0,05 – 0,10 g/cc, διάβρεξη έως 0,35 g/cc), την υπόγεια υγρασία (έως 0,35 g/cc σε κατάσταση διάβρεξης, αποκαλύπτοντας υπέρυγρες ζώνες κοντά σε φράγματα) και άλλες παραμέτρους υγρασίας. Η μικροκυματική ραδιομετρία είναι η τεχνολογία για τη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους (στο υπέργειο και το υπόγειο τμήμα του) και για το λόγο αυτό είναι κατάλληλη για την παρακολούθηση των αναχωμάτων και των υδρολογικών παραμέτρων με τρόπο γρήγορο και αξιόπιστο. Το πρόγραμμα απέδειξε με επιτυχία την αποτελεσματικότητα της χρήσης της τεχνολογίας των πολυ-αισθητήρων για την προληπτική διαχείριση των φυσικών κινδύνων, μέρος των οποίων είναι τα μέτρα πρόληψης των πλημμύρων και ο προληπτικός έλεγχος των εγκαταστάσεων προστασίας από τις πλημμύρες.