Η Χρήση Δεδομένων Τηλεπισκόπησης για την Εκτίμηση Επιπέδων Αζώτου στα Επιφανειακά Στρώματα του Εδάφους

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 11:15, 21 Απριλίου 2010

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η εναπόθεση υπερβολικών ποσοτήτων αζώτου στο έδαφος αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες ρύπανσης του περιβάλλοντος. Οι παραγόμενοι από κινητήρες και βιομηχανίες ρύποι που περιέχουν άζωτο σε διάφορες μορφές, καταλήγουν στο έδαφος μέσω των βροχοπτώσεων, ενώ η υπερβολική χρήση νιτρικών λιπασμάτων στη γεωργία, οδηγεί στην άμεση εναπόθεση νιτρικών ενώσεων στα ανώτερα στρώματα του εδάφους. Περαιτέρω βροχοπτώσεις προκαλούν διήθηση των νιτρικών ενώσεων (ΝΟ3 -, ΝΟ2, ΝΗ3, ΝΗ4 +) σε βαθύτερα στρώματα του εδάφους και υπόγεια νερά, μέσω των οποίων είναι δυνατό να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις. Οι αυξημένες ποσότητες νιτρικών ενώσεων έχουν ως αποτέλεσμα τη διατάραξη της χημικής ισορροπίας και προκαλούν την έναρξη μιας αλυσίδας επιδράσεων στο περιβάλλον, οδηγώντας στην περαιτέρω διατάραξη της ισορροπίας μεταξύ των ειδών φυτών και ζώων.

Το άζωτο αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία για την διαβίωση των φυτών και περιέχεται σε μεγάλο αριθμό οργανικών ενώσεων. Μία ομάδα ενώσεων που ανήκουν σε αυτή την κατηγορία είναι και η ομάδα των χρωστικών της χλωροφύλλης. Οι πιο συνήθεις χλωροφύλλες στα ανώτερα φυτά είναι η χλωροφύλλη α και β, υπεύθυνες για την διεκπεραίωση της φωτοσύνθεσης. Η αφθονία ποσοτήτων αζώτου ευνοεί την παραγωγή φυτομάζας και χλωροφύλλης και έχει επισημανθεί η συσχέτιση μεταξύ συγκέντρωσης αζώτου και χλωροφύλλης στα φυτά. Πρόσφατες έρευνες έχουν αναδείξει συγκεκριμένες περιοχές του Ηνωμένου Βασιλείου στις οποίες η εναπόθεση αζώτου μέσω βροχοπτώσεων ξεπερνά τα όρια που έχουν θεσπιστεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Μία από αυτές της περιοχές είναι η περιοχή Ρουάμπον (Ruabon) της Ουαλίας, μεγάλες εκτάσεις της οποίας καλύπτονται από το φυτό Calluna vulgaris L. (κοινή ονομασία: ρείκι).

Σχήμα1. Διάταξη των τεμαχίων φυτών Calluna vulgaris στην περιοχή Ruabon.

Η σπουδαιότητα της εναπόθεσης αζώτου στα επιφανειακά στρώματα του εδάφους, χρίζει απαραίτητη την παρακολούθηση του φαινομένου. Προς το παρόν, η υπάρχουσα μέθοδος συνίσταται από τη συλλογή και κατόπιν εργαστηριακή ανάλυση δειγμάτων εδάφους, μέθοδος η οποία είναι τόσο χρονοβόρα, όσο και πολυδάπανη. Η παρούσα εργασία μελετά την πιθανότητα της χρήσης τηλεπισκόπισης ως πηγή δεδομένων, εκ των οποίων μπορούν να γίνουν εκτιμήσεις για τα επίπεδα αζώτου στα ανώτερα στρώματα του εδάφους χρησιμοποιώντας την επιφανειακή βλάστηση ως δείκτη.

1.1. Μελέτη χημικών ενώσεων μέσω τηλεπισκόπησης

Η συγκεκριμένη έρευνα, μελετά το φυτό Calluna vulgaris L. και προσπαθεί να αναγνωρίσει τις περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που συσχετίζονται με τη συγκέντρωση αζώτου. Στο παρελθόν, η μελέτη της φασματικής ανάκλασης αποξηραμένων και κονιορτοποιημένων φυτικών ιστών, έχει αποκαλύψει συγκεκριμένα μήκη κύματος στα οποία η απορρόφηση της ενέργειας οφείλεται στον αριθμό των δεσμών αζώτου – υδρογόνου, και συνεπώς στην ποσότητα αζώτου στο δείγμα. Τέτοιοι δεσμοί βρίσκονται συνήθως σε μόρια πρωτεϊνών και οι χαρακτηριστικές τους απορροφήσεις εμφανίζονται στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου μεταξύ 1500 και 2400 nm. Η χρήση αυτών των περιοχών του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος παρουσιάζει κάποιες δυσκολίες όταν οι υπό μελέτη ιστοί είναι ακέραιοι και ενυδατωμένοι και ακόμη περισσότερες όταν παρακολουθούνται ολόκληρα φυλλώματα φυτών στη φυσική τους κατάσταση. Συγκεκριμένα οι περιοχές 1360 – 1550 nm και 1850 – 2000 nm χαρακτηρίζονται από έντονη απορρόφηση της ενέργειας από τα μόρια νερού στην ατμόσφαιρα και στους φυτικούς ιστούς. Παρ’ όλα αυτά, η έντονη συσχέτιση χλωροφύλλης – αζώτου επιτρέπει την εκτίμηση της συγκέντρωσης αζώτου στα φύλλα μέσω της χλωροφύλλης. Η χλωροφύλλη απορροφά έντονα την ακτινοβολία στο ορατό φάσμα και χρησιμοποιεί αυτή την ενέργεια για την φωτοσύνθεση. Επιπλέον, η έλλειψη απορρόφησης στο κοντινό υπέρυθρο προκαλεί την απότομη αύξηση της ανάκλασης στην περιοχή 670 – 770 nm του φάσματος (γνωστή ως red edge) και το σημείο της μέγιστης κλίσης αυτής, έχει αποδειχθεί ότι συσχετίζεται με τη συγκέντρωση χλωροφύλλης. Η συγκέντρωση της χρωστικής αυτής παρουσιάζει θετική συσχέτιση με την ποσότητα ενέργειας που απορροφάται στο ορατό φάσμα.

Υπάρχοντες δείκτες χρησιμοποιούν αυτά τα μήκη κύμματος και παρουσιάζουν πολύ στενή σχέση με την ποσότητα χλωροφύλλης. Οι δείκτες αυτοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης, όμως η ακριβής αριθμητική σχέση πρέπει να εξακριβωθεί σε κάθε ειδική περίπτωση.

2. ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕΛΕΤΗΣ

Η παρούσα εργασία μελετά την περίπτωση του φυτού Calluna vulgaris L. τόσο στο φυσικό του περιβάλλον, όσο και σε συνθήκες θερμοκηπίου. Στην περιοχή Ruabon της Ουαλίας (53ο 03’ Βόρεια, 3ο 09’ Δυτικά) η οποία καλύπτεται από το συγκεκριμένο φυτό σε μεγάλες εκτάσεις, δημιουργήθηκαν 20 τεμάχια διαστάσεων 2x2 μέτρων. Τα φυτά δέχτηκαν διαφορετικές ποσότητες νιτρικού αμμωνίου κατά μηνιαία διαστήματα, για πέντε έτη. Το νιτρικό αμμώνιο ψεκάστηκε με μορφή διαλύματος στα ανώτερα στρώματα του φυλλώματος. Πέντε διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρικού αμμωνίου χρησιμοποιήθηκαν (120, 40, 20, 10 και 0 κιλά αζώτου/εκτάριο/έτος) και η κάθε μεταχείριση επαναλήφθηκε τέσσερις φορές. Ο σχεδιασμός των τεμαχίων έγινε με τον πλήρη τυχαιοποιημένο σχεδιασμό κατά block (randomised complete block design) (Σχήμα 1). Τα φυτά του θερμοκηπίου προήλθαν από νεαρούς βλαστούς φυτών από την περιοχή Ruabon, τα οποία φυτεύτηκαν σε μικρά γλαστράκια μέχρις ότου παράγουν ρίζες και κατόπιν μεταφέρθηκαν σε μεγαλύτερες γλάστρες στο θερμοκήπιο. Ως έδαφος χρησιμοποιήθηκε τύρφη που δεν περιείχε σημαντικές ποσότητες ανόργανων θρεπτικών συστατικών. Κατά τη διάρκεια των επομένων 18 μηνών, τα φυτά τροφοδοτήθηκαν με διάλυμα νιτρικού αμμωνίου σε εβδομαδιαία διαστήματα. Τέσσερις διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρικού αμμωνίου χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την περίπτωση (120, 40, 20 και 0 κιλά αζώτου/εκτάριο/έτος) και η κάθε μεταχείριση επαναλήφθηκε 36 φορές. Τα 144 φυτά μεγάλωσαν στο θερμοκήπιο υπό ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και φωτισμού με τη χρήση συστήματος θέρμανσης και ειδικών λυχνίων που εκπέμπουν φως σε μήκη κύματος που ευνοεί την ανάπτυξη των φυτών. Μετά την πάροδο 15 μηνών, τα φυτά μεταφέρθηκαν σε μεγαλύτερες γλάστρες για να μην περιοριστεί η ανάπτυξη του ριζικού συστήματος. Στο τέλος της 18-μηνης περιόδου, τα φυτά είχαν αναπτύξει αρκετή φυτομάζα ώστε να καλύπτουν οπτικά σχεδόν όλη την επιφάνεια των γλαστρών.

3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Η συλλογή των δεδομένων αντανάκλασης έγινε με τη χρήση του spectroradiometer ASD FieldSpec Pro. Η συγκεκριμένη συσκευή καταγράφει την ένταση της ακτινοβολίας στο εύρος 350 – 2500 nm χρησιμοποιώντας τρεις αισθητήρες, έναν για το ορατό και κοντινό υπέρυθρο φάσμα (350 – 1000 nm), με διακριτική ικανότητα 1.4 nm και δύο για το μέσο υπέρυθρο (1000 – 2500 nm) με διακριτική ικανότητα 2 nm. Η ακτινοβολία συλλέγεται από οπτικές ίνες οι οποίες σχηματίζουν ένα probe στη μία άκρη και μεταφέρουν το εισερχόμενο σήμα στους αισθητήρες. Για τον υπολογισμό της ανάκλασης ως ποσοστό της εισερχόμενης ακτινοβολίας, χρησιμοποιήθηκε ένας δίσκος κατασκευασμένος από ειδικό υλικό που έχει σαν χαρακτηριστικό να ανακλά την ακτινοβολία με την ίδια ένταση σε όλο το φάσμα των 350 – 2500 nm (Spectralon panel). Για τα φυτά στο Ruabon, η ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιήθηκε ως πηγή ενέργειας, ενώ για τα φυτά του θερμοκηπίου οι μετρήσεις καταγράφηκαν σε σκοτεινό θάλαμο, με τη χρήση λυχνίας που εξομοιώνει την ηλιακή ακτινοβολία. Και στις δύο περιπτώσεις μετρήσεις συλλέχθησαν με τον συλλέκτη επάνω από το φυτό ή το panel να “κοιτάει” προς το ναδίρ. Οι μετρήσεις ανάκλασης από το φυτό και το panel, συλλέχθησαν εναλλάξ και κατόπιν ο λόγος των δύο μετρήσεων έδωσε το ποσοστό της ανακλώμενης ενέργειας.

Για τη μέτρηση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης και αζώτου έγινε δειγματοληπτική συλλογή βλαστών από το κάθε φυτό. Στην περίπτωση των φυτών του Ruabon, οι βλαστοί στο ανώτερο στρώμα του φυλλώματος κάλυπταν σχεδόν ολοκληρωτικά τόσο τα κατώτερα στρώματα του φυλλώματος, όσο και το έδαφος. Συνεπώς η συλλογή των βλαστών έγινε κατά κύριο λόγο από το ανώτερο στρώμα του φυλλώματος. Αντιθέτως στην περίπτωση των φυτών του θερμοκηπίου, οι νεαροί βλαστοί είχαν εμφανώς διαφορετικό χρώμα από τους παλαιότερους βλαστούς και επιπλέον, η κατανομή των νεαρών βλαστών επέτρεπε σε ένα σημαντικό ποσοστό των παλαιότερων βλαστών να είναι εμφανείς από την οπτική γωνία από την οποία συλλέχθηκαν τα δεδομένα ανάκλασης. Κατά τη δειγματοληψία των βλαστών, συλλέχθηκαν τόσο νεότεροι, όσο και παλαιότεροι βλαστοί, οι οποίοι αναμείχθηκαν και τελικά ένα τυχαίο μέρος του συνολικού δείγματος χρησιμοποιήθηκε στη διαδικασία μέτρησης της συγκέντρωσης χλωροφύλλης και αζώτου. Η μέτρηση της u963 συγκέντρωσης χλωροφύλλης σε κάθε φυτό, έγινε με τη χρήση της μεθόδου που πρότειναν οι Barnes και συνεργάτες η οποία χρησιμοποιεί διμεθυλ-σουλφοξίδιο (DMSO) για την εξαγωγή της χλωροφύλλης από τους φυτικούς ιστούς. Σύμφωνα με αυτή οι βλαστοί εισέρχονται στον διαλύτη και αποθηκεύονται για 24 ώρες σε θερμοκρασία δωματίου και σε σκοτεινό μέρος. Η χλωροφύλλη εξέρχεται από τους χλωροπλάστες και διαλύεται στο DMSO, στο οποίο μπορεί να παραμείνει μέχρι και 7 ημέρες χωρίς να καταστραφεί. Εν συνεχεία, μετράτε η απορρόφηση του διαλύματος σε συγκεκριμένα μήκη κύματος με τη χρήση σπεκτροφωτόμετρου και οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιούνται σε τύπους που έχουν προτείνει οι Barnes και συνεργάτες για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης της χλωροφύλλης. Ο υπολογισμός συγκέντρωσης του αζώτου απαιτεί την αποξήρανση των βλαστών και εν συνεχεία την καταστροφή των κυτταρικών δομών και διάσπαση πολύπλοκων ενώσεων σε πυκνό θειικό οξύ σε θερμοκρασία 360 βαθμών κελσίου. Η διαδικασία επιτυγχάνεται λόγω της χρήσης καταλύτη μίγματος σελινίου (Se) και θειικού καλίου (K2SO4) ο οποίος επιτρέπει την διεξαγωγή της αντίδρασης. Μετά το πέρας της διαδικασίας, τα άτομα αζώτου είναι δεσμευμένα σε ιόντα αμμωνίας (ΝΗ4 +) η συγκέντρωση των οποίων μετράτε με τη χρήση ιοντικού χρωματογράφου.

3.1. Επεξεργασία δεδομένων Τα δεδομένα ανάκλασης που μετρήθηκαν από το ASD είχαν φασματική διακριτική ικανότητα της τάξεως του 1 nm. Πριν την στατιστική ανάλυση, η φασματική διακριτική ικανότητα μειώθηκε στα 5 nm για τα φυτά του θερμοκηπίου και στα 10 nm για τα φυτά του Ruabon, με εξαίρεση την περιοχή 670 – 770 nm όπου η ανάκλαση αυξάνει απότομα σε διάστημα λίγων νανόμετρων. Η απώλεια της φασματικής διακριτικής ικανότητας σε αυτή την περιοχή θα προκαλούσε σημαντική απώλεια πληροφοριών, ενώ στο υπόλοιπο φάσμα η μεταβολή της έντασης της ανάκλασης είναι σταδιακή με αποτέλεσμα πολύ συχνά μέχρι και δέκα διαδοχικά μήκη κύματος να έχουν την ίδια ανάκλαση. Οι χαρακτηριστικές απορροφήσεις τόσο των χρωστικών όσο και των δεσμών αζώτου – υδρογόνου έχουν εύρος τουλάχιστο 10 nm, οπότε θα πρέπει να είναι ανιχνεύσιμες ακόμη και με φασματική διακριτική ικανότητα της τάξης των 10 nm. Επιπλέον, ο μικρός αριθμός ανεξάρτητων μετρήσεων στην περιοχή Ruabon σε συνδυασμό με το μεγάλο αριθμό μετρήσεων ανάκλασης (μία ανά 1 nm), απαιτεί τη μείωση των μεταβλητών που θα χρησιμοποιηθούν ως ανεξάρτητες στην παλινδρόμηση.

Ένα από τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η χρήση δεδομένων τηλεπισκόπισης για τον υπολογισμό βιοχημικών ουσιών, είναι η μερική ή ολική αλληλοεπικάλυψη χαρακτηριστικών απορροφήσεων διαφορετικών ουσιών στις ίδιες περιοχές του φάσματος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μην είναι δυνατό να εκτιμηθεί το μέγεθος της απορρόφησης, ούτε και να διαπιστωθεί η ουσία υπαίτια για την πρόκληση της απορρόφησης. Η μέθοδος που ακολουθείται για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, είναι η χρήση της “πρώτης παραγώγου” η οποία ορίζεται σαν τη διαφορά της ανάκλασης μεταξύ δύο διαδοχικών μετρήσεων στο φάσμα, προς την απόσταση μεταξύ των δύο αυτών μετρήσεων στο φάσμα (στη συγκεκριμένη περίπτωση σε νανόμετρα).

4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Η χρήση διαφορετικών ποσοτήτων νιτρικού αμμωνίου είχε προφανή επίδραση στα φυτά, τόσο στο φυσικό περιβάλλον όσο και στο θερμοκήπιο. Τα φυτά που παρέλαβαν μεγάλες ποσότητες αζώτου δημιούργησαν περισσότερη φυτομάζα, ειδικά τα φυτά του θερμοκηπίου όπου οι συνθήκες θερμοκρασίας και φωτισμού ήταν ευνοϊκότερες. Η χημική ανάλυση παρουσιάζει μεγαλύτερες ποσότητες αζώτου και χλωροφύλλης στην υψηλότερη μεταχείριση και στις δύο περιοχές μελέτης (Σχήματα 2 και 3).

Σχήμα 2. Μέσοι όροι συγκέντρωσης χλωροφύλλης ανά μεταχείρηση στο θερμοκήπιο και στο Ruabon.

Σχήμα 3. Μέσοι όροι συγκέντρωσης αζώτου ανά μεταχείρηση στο θερμοκήπιο και στο Ruabon.

Όπως ήταν αναμενόμενο, η συσχέτιση μεταξύ χλωροφύλλης και αζώτου στα φυτά στο Ruabon παρουσιάζεται αρκετά ισχυρή (r = 0.754, Σχήμα 4). Στην περίπτωση των φυτών του θερμοκηπίου όμως, δεν φαίνεται να υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ χλωροφύλλης και αζώτου (r = 0.174, Σχήμα 5).

Σχήμα 4. Συσχέτιση χλωροφύλλης – αζώτου για τα φυτά στην περιοχή Ruabon.

Σχήμα 5. Συσχέτιση χλωροφύλλης – αζώτου για τα φυτά στο θερμοκήπιο.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η μέγιστη συγκέντρωση χλωροφύλλης που μετρήθηκε σε φυτά του θερμοκηπίου ήταν σχεδόν διπλάσια από την αντίστοιχη στα φυτά στο φυσικό περιβάλλον (2.84 έναντι 1.59 mg/g χλωρού ιστού). Επιπλέον ο μέσος όρος της συγκέντρωσης χλωροφύλλης των φυτών του θερμοκηπίου ήταν αρκετά μεγαλύτερος από αυτόν των φυτών του Ruabon (1.94 έναντι 1.29 mg/g χλωρού ιστού).

Αντιθέτως, τα εύρη συγκεντρώσεων και οι μέσοι όροι αζώτου στις δύο περιοχές που μελετήθηκαν ήταν παρόμοια, με αυτά του Ruabon να παρουσιάζουν οριακά μεγαλύτερες τιμές (Πίνακας 1).

Η μέθοδος της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης που ακολουθήθηκε ήταν η stepwise και εφαρμόστηκε τόσο στις αρχικές μετρήσεις ανακλάσεων, όσο και στο προϊόν της εφαρμογής της πρώτης παραγώγου. Σε κάθε περίπτωση η εξαρτημένη μεταβλητή ήταν η συγκέντρωση χλωροφύλλης ή αζώτου. Για τη μελέτη της χλωροφύλλης χρησιμοποιήθηκε μόνο η περιοχή 500 – 800 nm, καθώς η χρωστική δεν έχει καμία επίδραση στην ανάκλαση σε μήκη κύματος πέρα των 800 nm και επιπλέον, ο σκεδασμός του φωτός είναι αρκετά έντονος σε μήκη κύματος κάτω των 500 nm. Στην περίπτωση του αζώτου, η περιοχή του φάσματος που χρησιμοποιήθηκε ήταν μεταξύ 1480 και 2400nm, με εξαίρεση την περιοχή 1795 – 1975 nm, όπου η απορρόφηση του νερού και των υδρατμών αποκρύπτει τις συγκριτικά ασθενείς απορροφήσεις των δεσμών αζώτου – υδρογόνου. Οι μετρήσεις ανάκλασης ή πρώτης παραγώγου σε κάθε μήκος κύματος στις προαναφερθείσες περιοχές του φάσματος, εισήχθησαν ως ανεξάρτητες μεταβλητές στην stepwise πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση. Τα μήκη κύματος που αποδόθηκαν από τις παλινδρομήσεις με τους αντίστοιχους συντελεστές προσαρμογής (r2) παρουσιάζονται στους Πίνακες 2 και 3 για τη χλωροφύλλη και το άζωτο αντίστοιχα.

Για τη χλωροφύλλη στα φυτά θερμοκηπίου, τα μήκη κύματος από τα δεδομένα απλής ανάκλασης που επιλέχθηκαν από τη γραμμική παλινδρόμηση, ανήκαν στο “πράσινο” φάσμα (500 – 600 nm), ενώ από τα δεδομένα της πρώτης παραγώγου, χρησιμοποιήθηκε και ένα μήκος κύματος στο τέλος του “κόκκινου” φάσματος και δύο από το κοντινό υπέρυθρο. Κανένα μήκος κύματος δεν επιλέχθηκε από την περιοχή της μέγιστης κλίσης της red edge (690 – 720 nm). Τα αποτελέσματα της γραμμικής παλινδρόμησης στα δεδομένα απλής ανάκλασης από τα φυτά του Ruabon, δεν παρουσιάζουν υψηλότερους συντελεστές προσαρμογής, συγκριτικά με αυτούς των δεδομένων θερμοκηπίου, αν και επιλέχθηκαν κάποια μήκη κύματος στην περιοχή της red edge. Οι υψηλότεροι συντελεστές προσαρμογής αποδόθηκαν με τη χρήση της πρώτης παραγώγου στα φυτά Ruabon, όπου τα επιλεγμένα μήκη κύματος ήταν αποκλειστικά από την περιοχή της red edge.

Τα αποτελέσματα του αζώτου δίνουν πολύ υψηλότερους συντελεστές προσαρμογής για τα φυτά του Ruabon απ’ ότι για τα φυτά του θερμοκηπίου. Από τα μήκη κύματος που επιλέχθηκαν στα φυτά θερμοκηπίου, η απλή ανάκλαση και η πρώτη παράγωγος έδωσαν από δύο μήκη κύματος που είναι συσχετισμένα με απορροφήσεις οφειλόμενες σε πρωτεΐνες (2190, 2135 και 2140, 2305 nm αντίστοιχα) [19, 20]. Αντίθετα, η παλινδρόμηση στα δεδομένα απλής ανάκλασης από τα φυτά του Ruabon, έδωσε δύο μήκη κύματος σχετισμένα με απορροφήσεις των πρωτεϊνών (2350 και 1970 nm), ενώ στα δεδομένα της πρώτη παραγώγου επέλεξε τέσσερα τέτοια μήκη κύματος (2360, 1990, 2160 και 2050 nm).

5. ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ

Η παρουσία της σχέσης μεταξύ χλωροφύλλης και αζώτου στα φυτά του Ruabon, ήταν αναμενόμενη και επιβεβαιώνει παλαιότερες μελέτες. Αντιθέτως, τέτοια σχέση δεν φαίνεται να υπάρχει στα φυτά του θερμοκηπίου. Αιτία είναι πιθανότατα η αυξημένη παραγωγή χλωροφύλλης, η οποία προκλήθηκε από τις ευνοϊκές συνθήκες φωτισμού και θερμοκρασίας. Επιπλέον, το γεγονός ότι οι ετήσιοι βλαστοί είχαν εμφανώς διαφορετική συγκέντρωση χλωροφύλλης (και πιθανότατα αζώτου) από τους παλαιότερους βλαστούς, σε συνδυασμό με την κατακόρυφη ανάπτυξη των ετησίων βλαστών που επέτρεπε στους παλαιότερους βλαστούς να είναι ορατοί από την κατακόρυφη οπτική γωνία, είχε σαν αποτέλεσμα η ολική ανάκλαση του φυλλώματος να είναι συνδυασμός ανάκλασης από παλαιότερους και ετήσιους βλαστούς σε άγνωστη αναλογία. Είναι πολύ πιθανό η αναλογία παλαιών/νέων βλαστών στην περιοχή όπου μετρήθηκε η ανάκλαση να ήταν διαφορετική από την αναλογία παλαιών/νέων βλαστών που διατηρήθηκε κατά τη δειγματοληψία των βλαστών για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης και αζώτου. Αυτό αποτελεί γνωστό πρόβλημα που αντιμετωπίζει η τηλεπισκόπιση, το οποίο πολλές φορές είναι δύσκολο να επιλυθεί.

Τα αποτελέσματα των φυτών του Ruabon παρουσιάζουν αρκετά υψηλούς συντελεστές προσαρμογής, το οποίο οφείλεται στον μικρό αριθμό δειγμάτων. Ωστόσο, η επιλογή μηκών κύματος που είναι γνωστά ως περιοχές απορρόφησης των πρωτεϊνών, είναι πολύ ενθαρρυντική. Η ομοιογένεια της συγκέντρωσης χλωροφύλλης και αζώτου στα επιφανειακά στρώματα του φυλλώματος, έκανε πιο ακριβή τη συλλογή αντιπροσωπευτικού δείγματος βλαστών, με αποτέλεσμα να επιλεχθούν μήκη κύματος που σχετίζονται με τη χλωροφύλλη και το άζωτο.

6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η επιλογή μηκών κύματος που σχετίζονται με περιοχές απορρόφησης των πρωτεϊνών (οι οποίες περιέχουν δεσμούς Ν-Η), επιβεβαιώνει το γεγονός ότι είναι δυνατό να γίνουν εκτιμήσεις συγκέντρωσης αζώτου με δεδομένα τηλεπισκόπισης.

Από τα αποτελέσματα είναι προφανές ότι το στάδιο ανάπτυξης του φυτού είναι πολύ σημαντικός παράγοντας στην ερμηνεία των δεδομένων τηλεπισκόπισης. Η ανομοιογένεια μεταξύ βλαστών του ίδιου φυτού, έχει τα ίδια αρνητικά αποτελέσματα με την ανομοιογένεια μεταξύ διαφορετικών φυτών που συχνά παρατηρείται σε δεδομένα τηλεπισκόπισης από μεγάλες αποστάσεις.Ωστόσο, στο φυσικό περιβάλλον, το φυτό ρείκι βρίσκεται να κυριαρχεί σε μεγάλες εκτάσεις και η διακύμανση της συγκέντρωσης χλωροφύλλης και αζώτου δεν μεταβάλλεται σημαντικά σε κοντινές αποστάσεις. Επιπλέον, οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης που μετρήθηκαν στα φυτά θερμοκηπίου αποτελούν ακραία κατάσταση η οποία δεν συναντάται στο φυσικό περιβάλλον. Συνεπώς, αναμένεται ότι δεδομένα τηλεπισκόπισης από αεροπλάνο θα περιέχουν ομοιογενή φυλλώματα στο οπτικό πεδίο της ελάχιστης χωρικής διακριτικής ικανότητας (συνήθως μεταξύ 1 και 4 μ2).

Τα αποτελέσματα της εργασίας υποδεικνύουν ότι η πιθανότητα χρήσης δεδομένων τηλεπισκόπισης από αεροπλάνο για την παρακολούθηση συγκεντρώσεων αζώτου στα φυτά είναι υπαρκτή. Περαιτέρω αξιολόγηση δεδομένων τηλεπισκόπισης από αεροπλάνο είναι απαραίτητη και θα πρέπει να αποτελέσει το επόμενο βήμα αυτής της μελέτης.

Πηγή : Χ. ΚΑΛΑΪΤΖΙΔΗΣ, S. J. M. CAPORN M. and E. J. CUTLER (2005). Η Χρήση Δεδομένων Τηλεπισκόπισης για την Εκτίμηση Επιπέδων Αζώτου στα Επιφανειακά Στρώματα του Εδάφους, 5o Εθνικό συνέδριο «Ολοκληρωμένη διαχείριση υδατικών πόρων με βάση τη λεκάνη απορροής», Ξάνθη 6-9 Απριλίου 2005.