Χαρτογράφηση υδρολογικών συστημάτων με τη χρήση πολλών τεχνικών τηλεπισκόπησης - Εφαρμογή σε ένα λιμναίο σύστημα της Δυτικής Ανταρκτικής

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 15:24, 9 Φεβρουαρίου 2017

Εικόνα 1: Αφαίρεση εικόνων για τις δύο περιοχές του MacIS όπου εντοπίσθηκαν υπο-παγετώδεις λίμνες από τον ICESat. (α) Η ανώτερη περιοχή που καλύπτει τις υπο-παγετώδεις λίμνες Mac4 και Mac5 (β) Η κατώτερη περιοχή που καλύπτει τις υποπαγετώδεις λίμνες Mac1, Mac2 και Mac3. Η περιοχή νότια του περιγράμματος του Mac1 είναι ένα πιθανό χαρακτηριστικό της αλλαγής του υψομέτρου, το οποίο δεν υποστηρίζεται καλά από τα δεδομένα του ICESat.

Helen Fricker H. A., Ted Scambos, Sasha Carter, Curt Davis, Terry Haran, Ian Joughin 2010. Synthesizing multiple remote-sensing techniques for subglacial hydrologic mapping: application to a lake system beneath MacAyeal Ice Stream, West Antarctica. Journal of Glaciology, Vol. 56, No. 196, 2010. Πηγή: http://www.igsoc.org:8080/journal/56/196/ (6/11/2016)

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μία ανάλυση του ενεργού υδρολογικού συστήματος της ροής πάγου (ως ροή πάγου μεταφράστηκε ο όρος «ice stream», πρόκειται για ένα τμήμα του παγετώνα που κινείται ταχύτερα από τον πάγο που το περιβάλλει) MacAyeal (MacIS) της δυτικής Ανταρκτικής που πραγματοποιήθηκε με πολλαπλές τεχνικές τηλεπισκόπησης. Αναλυτικότερα, χρησιμοποιήθηκε λέιζερ δορυφορικής υψομετρίας, δορυφορική αφαίρεση εικόνας και δυνητική υδρολογική χαρτογράφηση (με τη χρήση ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους DEM που προήλθε από δορυφόρο και ενός DEM υποβάθρου προερχόμενου από αερομεταφερόμενο ραντάρ). Ο συνδυασμός αυτών των τεχνικών αυξάνει τις πληροφορίες που παρέχονται από κάθε μία ξεχωριστά και επιτρέπει την ανάπτυξη ενός “πρωτοκόλλου” για την μελέτη υδρολογικών συστημάτων που βρίσκονται κάτω από πάγο (υπο-παγετώδη συστήματα - μεταφράση του όρου «subglacial», πρόκειται για συστήματα που έχουν καλυφθεί από πάγο).

Η περιοχή μελέτης είναι τα κατώτερα 180 km περίπου του MacIS. Το μωσαϊκό της εικόνας MODIS της Ανταρκτικής σε αυτή τη ροή πάγου δείχνει μία κυματοειδή επιφάνεια, ραβδώσεις γραμμικής ροής και τεμάχια γης με έντονες ρωγμές, που οριοθετούνται από δύο ζώνες διάτμησης. Οι κυματισμοί είναι η εκδήλωση των άκαμπτων χαρακτηριστικών του υποβάθρου στην επιφάνεια.

Η πρώτη τεχνική που εφαρμόστηκε για την αναγνώριση της επιφανειακής παραμόρφωσης, η οποία είναι ενδεικτική της παγετώδους δραστηριότητας, χρησιμοποιεί δεδομένα δορυφορικής υψομετρίας λέιζερ από το Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) στο ICESat. Χρησιμοποιήθηκε μία τεχνική επαναληπτικού εντοπισμού, κατά την οποία αναλύθηκαν πολλά επαναλαμβανόμενα προφίλ υψομέτρου κατά μήκος ενός τμήματος του εδάφους με την τροχιά του ICESat, ώστε εντοπισθούν οι ανωμαλίες από τις αλλαγές του υψομέτρου (Fricker and others, 2007, Fricker and Scambos, 2009). Η ροή πάγου MacIS βρίσκεται περίπου 80° νότια, όπου η μέση απόσταση σάρωσης του ICESat, στην οποία καταγράφουν τα κανάλια του, είναι 20 km. Επομένως, παρέχουν πιο αραιή κάλυψη από ότι οι πιο νότιες ροές πάγου Mercer και Whillans (όπου η μέση απόσταση σάρωσης του ICESat είναι 10 km). Ως εκ τούτου, οι εναλλακτικές τεχνικές απαιτούνται για την πλήρωση των κενών μεταξύ των τροχιών του ICESat.

Σε αυτή την ανάλυση συνδυάστηκαν τα δεδομένα ICESat με βοηθητικές βάσεις δεδομένων τηλεπισκόπησης (αφαιρέσεις εικόνων και ένας δυνητικός υδρολογικός χάρτης) για να ερευνηθεί η υπο-παγετώδης υδρολογία του συστήματος. Τα βοηθητικά δεδομένα αξιοποιήθηκαν αρχικά για να εξετασθεί η εγκυρότητα των παρατηρήσεων αλλαγής του υψομέτρου από τον ICESat (Fricker and others, 2007, Fricker and Scambos, 2009).

Στην παρούσα εργασία γίνεται εμφανές ότι μπορούν να επεκταθούν τα δεδομένα του ICESat πέρα από ένα απλό προφίλ και μπορούν, επίσης, να παρέχουν συναφείς πληροφορίες σχετικά με την υπο-παγετώδη λίμνη. Επιπλέον, βοηθητικά δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να απομακρυνθούν ‘ψευδώς θετικά αποτελέσματα’ στην ανίχνευση λιμνών από τον ICESat.

Η περιοχή μελέτης εμπίπτει στην περιοχή κάλυψης των δορυφόρων ERS και Envisat RA, επομένως μπορούν να εξετασθούν τα δεδομένα του Envisat RA πάνω από τις λίμνες, ώστε εκτιμηθεί η καταλληλότητα τους για την παρακολούθηση της δραστηριότητας των λιμνών έξω από το παράθυρο 2003-09 της αποστολής ICESat.

Χρησιμοποιήθηκε μία διαδραστική μέθοδος επανάληψης τροχιάς για την αναζήτηση σημάτων ανωμαλίας της αλλαγής υψομέτρου στα δεδομένα επαναλαμβανόμενης τροχιάς (Fricker and Padman, 2006, Fricker and others, 2007, Fricker and Scambos, 2009). Αρχικά, δημιουργήθηκε ένα σχέδιο με τις τροχιές που δείχνει ποιες τροχιές διασχίζουν την περιοχή. Στη συνέχεια αναλύθηκε συνεχόμενα κάθε τροχιά προκειμένου να εντοπισθούν οι ανωμαλίες από τις αλλαγές του υψομέτρου.

Η αφαίρεση εικόνας χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς σε άλλες ροές πάγου για να επιβεβαιωθεί το σημείο ICESat και να οριοθετηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η περιοχή που αλλάζει το υψόμετρο (Fricker and others, 2007; Fricker and Scambos, 2009; Bindschadler and others, in press). Οι εικόνες με αφαίρεση καταγράφουν τις αλλαγές της φωτεινότητας, ορισμένες από τις οποίες αντιστοιχούν σε αλλαγές στην κλίση σε περιοχές με μεταβολές του υψομέτρου.

Δημιουργήθηκε ένα νέο DEM για το MacIS με την τεχνική της «photoclinometry» για να ενισχυθεί η ακρίβεια σε ένα υπάρχον DEM ακρίβειας 1 Km, που δημιουργήθηκε από ραντάρ και λέιζερ υψομετρίας (Bamber and others, 2009). Γι’ αυτό το DEM συνδυάστηκαν περίπου 25 εικόνες MODIS που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια 2003-2004.

Η μελέτη μας δείχνει ότι πολλά σύνολα δεδομένων μπορούν να συγχωνευτούν μαζί για την μελέτη ενός υπο-παγετώδους συστήματος σε μία ολιστική προσέγγιση, για να μάθουμε περισσότερες πληροφορίες για το σύστημα, αντί να χρησιμοποιούμε μία μόνο τεχνική. Αυτά τα σύνολα δεδομένων συμπληρώνουν το ένα το άλλο και, όταν χρησιμοποιούνται συνδυαστικά, μπορούν να επεκτείνουν τη δυνατότητα του καθενός να ανιχνεύει, να χαρτογραφεί και να παρακολουθεί την εξέλιξη μίας ενεργής υποπαγετώδους λίμνης.

Η ανάλυση εντόπισε πέντε ενεργές λίμνες στο σύστημα MacIS (Εικόνα 1), η μεγαλύτερη από τις οποίες υφίσταται αλλαγές όγκου τουλάχιστον 1 km3. Υπολογίσθηκαν οι υδρολογικές διαδρομές του νερού μέσω του συστήματος, οι οποίες υποδεικνύουν κάποια συνδεσιμότητα μεταξύ κάποιων εκ των λιμνών. Αυτό, σε γενικές γραμμές, είναι σύμφωνο με το προσωρινό μοτίβο στις παρατηρήσεις ICESat της υψομετρικής αλλαγής της επιφάνειας πάνω από τις λίμνες. Επίσης, αξιολογήθηκε η βασική διατμητική τάση για τη ροή πάγου χρησιμοποιώντας ένα νέο DEM εφαρμόζοντας την τεχνική των Joughin and others (2004). Τρεις από τις ενεργές λίμνες φαίνεται να συνυπάρχουν με το μέγιστο στη βασική διατμητική τάση ή με κολλώδη σημεία (stiky spots). Η συσχέτιση αυτή προτείνει ότι δεν είναι όλο το νερό από τις λίμνες από το ευρύτερο υδρολογικό σύστημα, αλλά ένα σημαντικό ποσοστό παράγεται τοπικά μέσω της τήξης.

Η κίνηση του υπο-παγετώδους νερού κάτω από μεγάλα κομμάτια-φύλλα πάγου είναι μία διαδικασία για την οποία πολύ λίγα είναι γνωστά, όμως η κατανόησή τους είναι απαραίτητη προκειμένου να αξιολογηθεί η σημασία της δυναμικής του πάγου, να μελετηθεί το ισοζύγιο και να γίνει κάποια πρόβλεψη για τις μελλοντικές συνθήκες. Με βάση αυτό, είναι απαραίτητος ο εντοπισμός των υπο-παγετωδών πηγών (reservoirs) και η συχνότητα ανταλλαγής νερού μεταξύ τους, η κατανόηση του αποτελέσματος της ανακατανομής του νερού στη βασική διατμητική τάση, καθώς και ο τρόπος που διαμορφώνονται οι υπο-παγετώδεις αγωγοί κάτω από τις ροές πάγου. Τα σύνολα δεδομένων για τη μελέτη υπο-παγετωδών υδρολογικών δικτύων είναι περιορισμένα, λόγω της δύσκολης πρόσβασης στο περιβάλλον. Ως εκ τούτου, η χαρτογράφηση με δορυφορικές μεθόδους είναι πολύ σημαντική για την κατανόηση αυτού του πεδίου.

Πρόσθετες Πηγές

• Wikipedia, «Ice Stream». https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_stream (πρόσβαση στις 22/01/2017)