Εκτίμηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη βοήθεια Τηλεπισκόπησης: Εφαρμογή στη Θεσσαλική Πεδιάδα, Ελλάδα

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 11:18, 1 Απριλίου 2010

Εκτίμηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη βοήθεια Τηλεπισκόπησης: Εφαρμογή στη Θεσσαλική Πεδιάδα, Ελλάδα - Estimation of actual Evapotranspiration by Remote Sensing: Application in Thessaly plain, Greece

Αντικείμενο: Αντικείμενο της παρούσας εφαρμογής αποτελεί η εκτίμηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη χρήση της Τηλεπισκόπησης. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη αφορά σε μία εφαρμογή που έλαβε χώρα στην Ελλάδα και μάλιστα στη Θεσσαλική πεδιάδα.

Στόχος: Στόχος της παρούσας μελέτης αποτελεί ο υπολογισμός της ημερήσιας πραγματικής εξατμισοδιαπνοής στη Θεσσαλική πεδιάδα για 21 ημέρες, ώστε να εκτιμηθούν οι αρδευτικές ανάγκες της περιοχής. Οι μέρες αυτές κατανέμονται ομοιόμορφα κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου του έτους 2001 (Ιούνιος – Ιούλιος – Αύγουστος, άρα 7 ημέρες ανά μήνα).

Πως γινόταν παλαιότερα: Τα τελευταία 50 χρόνια αναπτύχθηκε ένας μεγάλος αριθμός λιγότερο ή περισσότερο εμπειρικών μεθόδων από πολυάριθμους επιστήμονες και ειδικούς παγκοσμίως για τον υπολογισμό της εξατμοδιαπνοής από διαφορετικές κλιματολογικές μεταβλητές. Οι σχέσεις συχνά υπάγονταν σε άκαμπτες τοπικές βαθμονομήσεις και αποδεικνύονταν να έχουν περιορισμένη παγκόσμια ισχύ. Η δοκιμασία της ακρίβειας των μεθόδων κάτω από ένα νέο σύνολο συνθηκών είναι επίπονη, χρονοβόρα και δαπανηρή, ενώ τα δεδομένα εξατμοδιαπνοής συχνά απαιτούνται σε σύντομο χρονικό διάστημα για τον σχεδιασμό κάποιου έργου ή αρδευτικού προγραμματισμού (FAO, 1998. Ch. 2: 1).

Εφαρμόστηκαν τρεις μέθοδοι εκτίμησης της εξατμοδιαπνοής: οι τηλεπισκοπικές μέθοδοι Granger (Granger, 2000) και Carlson-Buffum (Carlson and Buffum, 1989), που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα σε συνδυασμό με επίγειες μετεωρολογικές μετρήσεις, και η προσαρμοσμένη με δορυφορικά δεδομένα μέθοδος FAO Penman-Monteith (FAO, 1998), η οποία αποτέλεσε και την μέθοδο αναφοράς.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων / Δορυφόροι - κανάλια: Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη εφαρμογή ελήφθησαν από τους σταθμούς λήψης του Ινστιτούτου Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή επιλέχτηκαν δορυφορικές εικόνες NOAA-AVHRR (National Oceanic and Atmospheric Administration - Advanced Very High Resolution Radiometer) δεδομένης της διαθεσιμότητάς τους και της κατάλληλης χωρικής τους ανάλυσης (1kmx1km) αναλογικά με το μέγεθος της υπό μελέτη περιοχής (Θεσσαλική πεδιάδα). Η αξία των δορυφορικών δεδομένων ΝΟΑΑ για γεωργικές και υδρολογικές εφαρμογές είναι ήδη από πολύ παλιά αναγνωρισμένη και εδραιωμένη.

Από τις τρεις μεθόδους εκτίμησης της εξατμοδιαπνοής που εφαρμόστηκαν, η μέθοδος FAO Penman-Monteith και η μέθοδος Granger απαιτούν μέσες ημερήσιες επιφανειακές θερμοκρασίες, ενώ η μέθοδος Carlson-Buffum απαιτεί τον μέσο πρωινό ρυθμό αύξησης της επιφανειακής θερμοκρασίας. Συνεπώς, για τις μεθόδους FAO Penman-Monteith και Granger χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες NOAA-15 (τοπική ώρα λήψης από 9:39 ως 10:36) και έγινε αναγωγή των στιγμιαίων τιμών σε ημερήσιες, ενώ για την μέθοδο Carlson-Buffum χρησιμοποιήθηκε συνδυασμός των δορυφορικών εικόνων ΝΟΑΑ-15 και των αντίστοιχων δορυφορικών εικόνων NOAA-14 (τοπική ώρα λήψης από 7:15 ως 8:30). Συνολικά επομένως 42 (21x2) δορυφορικές εικόνες χρησιμοποιήθηκαν και υπέστησαν επεξεργασία.

Και οι τρεις μέθοδοι, μετά από κατάλληλη προσαρμογή, αξιοποιούν από τις δορυφορικές εικόνες NOAA-AVHRR τα ορατά κανάλια 1-2 για τους υπολογισμούς λευκαύγειας και δείκτη βλάστησης που αναφέρονται παρακάτω, και τα υπέρυθρα κανάλια 4-5 για τους υπολογισμούς επιφανειακής θερμοκρασίας.

Μεθοδολογία - Προεπεξεργασίες / Ψηφιακές επεξεργασίες / αλγόριθμοι και αποτελέσματα: Για την επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων και την ανάπτυξη των σχετικών εργαλείων λογισμικού για τις τρεις μεθόδους εκτίμησης της εξατμοδιαπνοής χρησιμοποιήθηκαν τα πακέτα λογισμικού McIDAS και ERDAS IMAGINE, σε Η/Υ Silicon Graphics Challenge και INDIGO2 αντίστοιχα, και σε λειτουργικό σύστημα UNIX (IRIS). Η επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων που έγινε για τις ανάγκες της εργασίας αυτής απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 1 και περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια:

• Εισαγωγή ακατέργαστης δορυφορικής εικόνας στο McIDAS

• Ραδιομετρική βαθμονόμηση

• Γεωμετρική διόρθωση και γεωαναφορά σύμφωνα με την Μερκατορική προβολή

• Εξαγωγή επεξεργασμένης δορυφορικής εικόνας από το McIDAS 52

• Εισαγωγή επεξεργασμένης δορυφορικής εικόνας στο ERDAS

• Γεωμετρική διόρθωση τύπου εικόνα σε εικόνα αφινικού μετασχηματισμού

• Διόρθωση για τις ηλιακές συνθήκες (κανονικοποίηση των ανακλάσεων των καναλιών 1 και 2 με βάση την γωνία ύψους του ηλίου την στιγμή της λήψης)

• Επιλογή περιοχής ενδιαφέροντος (δημιουργία “μασκών” περιοχής μελέτης, νεφών, γυμνού εδάφους)

Μετά την επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων είναι δυνατός ο υπολογισμός της λευκαύγειας (ALBEDO), του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI) και της επιφανειακής θερμοκρασίας (Ts).

Σχήμα 1: Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων και υπολογισμός NDVI, ALBEDO και επιφανειακής θερμοκρασίας Ts

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων: Η ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε, όπως προαναφέρθηκε, σύμφωνα με τις τρεις μεθόδους για τις 21 ημέρες της περιόδου μελέτης. Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται ενδεικτικά οι αντίστοιχες τρεις δορυφορικές εικόνες για μια επιλεγμένη ημερομηνία (17/07/2001).

Σχήμα 2: Ημερίσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή για την ημερομηνία 17/07/2001 σύμφωνα με τις μεθόδους Carlson-Buffum (αριστερά), Granger (κέντρο) και FAO Penman-Monteith (δεξιά)

Επιπλέον, για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με μεγαλύτερη ακρίβεια, παρουσιάζονται οι καθημερινοί υπολογισμοί της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής σύμφωνα με τις τρεις μεθόδους στο κέντρο της Θεσσαλικής πεδιάδας, στον Πίνακα 1 για κάθε ημέρα της περιόδου μελέτης και στο Σχήμα 3 για την περίοδο των 3ων μηνών. Οι τιμές της ταχύτητας του ανέμου από το σταθμό Λαρίσης (κέντρο της Θεσσαλικής πεδιάδας) παρουσιάζονται επίσης στον Πίνακα 1 και στο Σχήμα 3, ώστε να επιδείξουν την επίδραση του ανέμου στα αποτελέσματα των μεθόδων.

Πίνακας 1: Ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή στο κέντρο της Θεσσαλικής πεδιάδας σύμφωνα με τις τρεις μεθόδους: Carlson-Buffum (ΕΤc), FAO Penman-Monteith (ΕΤp) και Granger (ETG) και αποτελέσματα ταχύτητας ανέμου από το σταθμό Λαρίσης.

Σχήμα 3: Ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή στο κέντρο της Θεσσαλικής πεδιάδας σύμφωνα με τις τρεις μεθόδους: Carlson-Buffum (ΕΤc), FAO Penman-Monteith (ΕΤp) και Granger (ETG) και αποτελέσματα ταχύτητας ανέμου από το σταθμό Λαρίσης.

Συμπερασματικά, η συμβολή της τηλεπισκόπησης στην εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής είναι σημαντική και, στην προκειμένη περίπτωση, τα αποτελέσματα της εφαρμογής είναι ενθαρρυντικά. Ο συνδυασμός επίγειων συμβατικών δεδομένων και δεδομένων Τηλεπισκόπησης είναι ακόμα πιο σημαντικός στις περιοχές με ανεπαρκές ή και ανύπαρκτο δίκτυο σταθμών εδάφους. Από τις δορυφορικές εικόνες μπορούν να αξιοποιηθούν τα ορατά κανάλια 1, 2 για τον υπολογισμό της λευκαύγειας (albedo) και του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI) και τα υπέρυθρα κανάλια 4, 5 για τον υπολογισμό της επιφανειακής θερμοκρασίας (Ts), λαμβάνοντας υπόψη τον δείκτη βλάστησης.

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι εκτίμησης της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής. Οι παράμετροι που υπολογίζονται από τις δορυφορικές εικόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισόδου όχι μόνο για τις τηλεπισκοπικές μεθόδους, αλλά και για την επιφανειακή αναγωγή της μεθόδου FAO Penman-Monteith, η οποία θεωρείται ως η πιο αξιόπιστη μέθοδος εκτίμησης της εξατμοδιαπνοής.

Τέλος, η ακρίβεια των μεθόδων εκτίμησης της εξατμοδιαπνοής αναμένεται να αυξηθεί ακόμα περισσότερο αν συνδυαστούν δεδομένα από διαφορετικού τύπου δορυφόρους (π.χ. NOAA-AVHRR, LANDSAT, SPOT) και αν αξιοποιηθούν λεπτομερείς χάρτες εδαφικής κάλυψης από υψηλής ανάλυσης δορυφορικά δεδομένα.

Πηγή: Tsouni A., Koutsoyiannis D., Kontoes C., Mamasis N., Elias P. (2003). Estimation of actual Evapotranspiration by Remote Sensing: Application in Thessaly plain, Greece. Geographical Information Systems and Remote Sensing: Environmental Applications, Proceedings of the International Symposium held at Volos, Creece, 7-9 November 2003