Μία ανασκόπηση των μεθόδων τηλεπισκόπησης για τον προσδιορισμό του ισοζυγίου της μάζας των παγετώνων

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 07:14, 7 Ιουνίου 2013

A review of remote sensing methods for glacier mass balance determination

Μία ανασκόπηση των μεθόδων τηλεπισκόπισης για τον προσδιορισμό του ισοζυγίου της μάζας των παγετώνων

Συγγραφείς: Jonathan L. Bamber, Andres Rivera

Πηγή: Global and Planetary Change, 2007

Στο παρόν άρθρο γίνεται ανασκόπηση των βασικών δορυφορικών και αερομεταφερόμενων εργαλείων και μεθοδολογιών για τον άμεσο ή έμμεσο προσδιορισμό κάποιου μέτρου του ισοζυγίου της μάζας των παγετώνων.

Οι Άνδεις της Νότιας Αμερικής πιστεύεται ότι έχουν συνεισφέρει στην αύξηση της στάθμης της θάλασσας που προέρχεται από παγετώνες, κατά 10%, κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα. Στην περιοχή βρίσκεται ο μεγαλύτερος παγετώνας εκτός των πολικών περιοχών: το παγωμένο πεδίο της Νότιας Παταγονίας, για το οποίο υπάρχει έλλειψη δεδομένων, καθώς δεν υπάρχει ένα συστηματικό, μακροπρόθεσμο πρόγραμμα για το ισοζύγιο της μάζας του παγετώνα. Οι λίγες επίγειες έρευνες που έχουν διεξαχθεί, είναι εντάσεως εργασίας, ακριβές και συνήθως παρέχουν πολύ περιορισμένη χωρική κάλυψη. Επομένως, οι δορυφορικές και αερομεταφερόμενες παρατηρήσεις προσφέρουν τη μόνη πρακτική προσέγγιση για την απόκτηση ενός στατιστικά αντιπροσωπευτικού δείγματος εκτιμήσεων του ισοζυγίου της μάζας για μία περιοχή. Στη συνέχεια, θα εξετάσουμε τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις.

Η προσέγγιση της συνιστώσας (the component approach)

Η ροή του πάγου που περνά κάποια γραμμή ή «πύλη», κατακόρυφα ως προς την κατεύθυνση της ροής, συγκρίνεται με το καθαρό ισοζύγιο της μάζας του παγετώνα , ανάντη αυτής της γραμμής. Μια βολική τοποθεσία για τον προσδιορισμό της ροής του πάγου είναι η γραμμή εδάφους (grounding line). Τα δεδομένα που απαιτούνται είναι η τοποθεσία της γραμμής εδάφους, το πάχος του πάγου, η επιφανειακή ταχύτητα σε αυτήν τη θέση και το ισοζύγιο μάζας για την ανάντη επιφάνεια απορροής. Η τοποθεσία της γραμμής εδάφους μπορεί να προσδιορισθεί με τεχνικές Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), που μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τον υπολογισμό της ταχύτητας. Για τα υπόλοιπα δεδομένα χρειάζονται επιτόπιες παρατηρήσεις.

Υποκατάστατα μέτρα του ισοζυγίου της μάζας

Ο υπολογισμός μιας υποκατάστατης μεταβλητής που σχετίζεται ποιοτικά και ποσοτικά με το ισοζύγιο μάζας είναι πολύ χρήσιμος. Οι δύο βασικές προσεγγίσεις είναι η ανίχνευση αλλαγών στη θέση της γραμμής του χιονιού (snowline) στο τέλος του καλοκαιριού και οι επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις των αλλαγών στη χωρική έκταση με την πάροδο του χρόνου.

Γεωδαιτική προσέγγιση

Σε αυτή την προσέγγιση, μία αλλαγή στη μάζα του παγετώνα εκφράζεται από την αλλαγή του υψομέτρου στο χρόνο (dh/dt) και έχει εφαρμοστεί, εκτός από την Παταγονία, στη Γροιλανδία, την Ανταρκτική, την Αλάσκα κτλ. Η προσέγγιση αυτή απαιτεί μετρήσεις υψομέτρων από δύο διαφορετικές χρονικές περιόδους, που χωρίζονται από μεγάλο χρονικό διάστημα, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να είναι στατιστικά σημαντικό.

Μέθοδοι

Άμεσες παρατηρήσεις

Εικόνες από τον Landsat TM/ETM και το Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer –ASTER- με αναλύσεις 30m και 15m αντίστοιχα, σε πολυφασματική λειτουργία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσδιορισθεί η γραμμή του χιονιού (snowline) το τέλος του καλοκαιριού διαφοροποιώντας το (υγρό) χιόνι από τον πάγο (Bindschadler, 2001).

Γεωδαιτικοί μέθοδοι

Η πιο επιτυχημένη προσέγγιση για απομακρυσμένες ποσοτικές παρατηρήσεις είναι η γεωδαιτική προσέγγιση. Μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους δεδομένων: σημειακές μετρήσεις και raster DEMs που προέρχονται από φωτογραμμετρία ή τεχνικές interferometric synthetic aperture radar.

α) Altimetry – Μέτρηση υψομέτρου

Η πρώτη κατηγορία αφορά τη μέτρηση υψομέτρου από αερομεταφερόμενα ή δορυφορικά laser ή radar, ή μετρήσεις με GPS. Μία πτήση έχει πραγματοποιηθεί πάνω από τους παγετώνες Tyndall και Grey το 2001, χρησιμοποιώντας ένα δανέζικο σύστημα laser και πάνω από ένα μέρος του Παγωμένου πεδίου της Νότιας Παταγονίας, το 2002, χρησιμοποιώντας τον Αερομεταφερόμενο Τοπογραφικό Χαρτογράφο (Αirborne Topographic Mapper) της NASA (εικ.1). Αυτά τα δεδομένα προσφέρουν υψηλή ακρίβεια (10cm) για σύγκριση με μελλοντικές μετρήσεις. Οι σημειακές μετρήσεις μπορεί να προσφέρουν υψηλή ακρίβεια, αλλά με σχετικά μικρή χωρική κάλυψη. Τα μοντέλα DEM, που προέρχονται από φωτογραμμετρία ή τεχνικές interferometric synthetic aperture radar, μπορούν να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, αλλά δεν προσφέρουν την ακρίβεια που παρέχεται με τη laser altimetry ή το GPS. Επομένως οι δύο μέθοδοι είναι συμπληρωματικές.

β) Φωτογραμμετρία

Ο πιο κοινός τρόπος για την διεξαγωγή μοντέλων DEM για παγετώνες είναι μέσω της εναέριας stereo φωτογραμμετρίας. Σχετικά πρόσφατα, μέσω Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER), έγιναν διαθέσιμες stereo δορυφορικές εικόνες υψηλής ανάλυσης. Αυτό είναι ένα ραδιόμετρο που βρίσκεται πάνω στο δορυφόρο Terra και αποτελείται από τρία διαφορετικά υποσυστήματα: το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο (visible and near infrared – VNIR), το shortwave υπέρυθρο (SWIR) και το θερμικό υπέρυθρο (thermal infrared – TIR). Η ακρίβεια της stereo φωτογραμμετρίας, δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετά επίγεια σημεία ελέγχου, είναι σχεδόν ισότιμη με το μέγεθος του pixel του δέκτη. Για το ASTER αυτό σημαίνει ότι αντιστοιχεί περίπου σε ±15 m. Τα σημεία ελέγχου πρέπει να είναι ισοκατανεμημένα στην εικόνα και να έχουν ακρίβεια δεκατόμετρου. Αυτό απαιτεί επιτόπιες παρατηρήσεις GPS, περιορίζοντας τη χρήση της φωτογραμμετρίας σε αυτούς τους παγετώνες όπου τέτοιες μετρήσεις είναι διαθέσιμες.

Εικόνα 1: Ψευδοχρωματική σύνθετη εικόνα Landsat ETM+ (κανάλια 1,4,5), 27 Οκτωβρίου, 2000. Το περίγραμμα της λεκάνης Glaciar Chico απεικονίζεται με κίτρινο. Με μαύρο χρώμα απεικονίζονται οι γραμμές της πτήσης του αερομεταφερόμενου τοπογραφικού χαρτογράφου lidar (7 Δεκεμβρίου, 2002). Με άσπρο χρώμα απεικονίζεται η τοποθεσία των δεδομένων GPS που συλλέχθηκαν το Σεπτέμβριο του 2001.

γ) Interferometric SAR

Το γεγονός ότι τα synthetic aperture radars (SARs) καταγράφουν τη φάση του σήματος των μικροκυμάτων που επιστρέφει, έχει επιτρέψει το συνδιασμό δύο εικόνων SAR που έχουν παρθεί σε διαφορετικές χρονικές στιγμές ή/και τοποθεσίες, για να παραχθούν κάποια πρότυπα παρεμβολής, που προκαλούνται από τις διαφορές στη φάση μεταξύ σημείων (στόχων) στις δύο εικόνες. Οι διαφορές στη φάση προκαλούνται από μικρές διαφορές στο μήκος της πορείας προς το στόχο (ri-rj, εικ.2) και μπορούν να μετρηθούν από το αντιστάθμισμα της φάσης μεταξύ συνεκτικών κομματιών στην επιφάνεια δύο εικόνων.

Εικόνα 1: Διάγραμμα που δείχνει τη γεωμετρία των μετρήσεων του InSAR

Όπως και στη stereo φωτογραμμετρία, το InSAR μπορεί να παρέχει μόνο σχετική πληροφορία για το ύψος. Τα επίγεια σημεία ελέγχου είναι απαραίτητα είτε με τη μορφή δεδομένων GPS είτε με τη μορφή ενός μοντέλο DEM, για να παρέχουν απόλυτο έλεγχο του ύψους. Το InSAR μπορεί να προσδιορίσει τις ροές του πάγου, που χρειάζονται στην προσέγγιση της συνιστώσας (Rott, 1998), ή την τοπογραφία που χρειάζεται στη γεωδαιτική προσέγγιση.

Συμπεράσματα

Για άμεσες παρατηρήσεις του ισοζυγίου μάζας του παγετώνα σε περιφερειακό επίπεδο, η γεωδαιτική μέθοδος φαίνεται ως η πιο ελκυστική μεθοδολογία, καθώς προσφέρει ένα αναμφίβολο μέτρο της απώλειας/ κέρδους της μάζας χρησιμοποιώντας σταθερές και περιεκτικές παρατηρήσεις. Βέβαια, τόσο οι γεωδαιτικές όσο και οι άμεσες προσεγγίσεις, προσφέρουν μικρή άμεση πληροφορία για την εξήγηση πίσω από τις αλλαγές στο ισοζύγιο της μάζας του παγετώνα. Επαναλαμβανόμενες μετρήσεις ταχύτητας ή/και κλιματικά/μετεωρολογικά στοιχεία είναι απαραίτητα για την εκτίμηση κάθε παρατηρούμενης τάσης. Σε αυτό το σημείο η προσέγγιση της συνιστώσας προσφέρει ένα σημαντικό πλεονέκτημα, καθώς συνδιάζει το επιφανειακό ισοζύγιο μάζας με τις δυναμικές παρατηρήσεις του πάγου, επιτρέποντας και το διαχωρισμό πιθανώς, του ρόλου αυτών των δύο παραγόντων (Rott, 1998).