Εφαρμογές τηλεπισκόπησης υγρασίας εδάφους για την ταυτοποίηση περιοχών με πλημμυρικές τάσεις κατά μήκος υποδομών μεταφορών

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 11:57, 19 Ιανουαρίου 2021

Εικόνα 1. Περιοχές μελέτης με πλημμυρισμένα και μη πλημμυρισμένα σημεία

Εικόνα 2. Τύπος εδάφους και χρήσεις γης για τη Västra Götaland με πλημμυρισμένα και μη πλημμυρισμένα σημεία

Εικόνα 3. Τύπος εδάφους και χρήσεις γης για τη Värmland με πλημμυρισμένα και μη πλημμυρισμένα σημεία

Εικόνα 4. Σύγκριση υγρασίας εδάφους μεταξύ ανάλυσης 25 και 1 km για την λεκάνη απορροής του Östra Ringvägen

Αντικείμενο Εφαρμογής: Εφαρμογές τηλεπισκόπησης υγρασίας εδάφους για την ταυτοποίηση περιοχών με πλημμυρικές τάσεις κατά μήκος υποδομών μεταφορών

Πρωτότυπος Τίτλος: 'Soil moisture remote-sensing applications for identification of flood-prone areas along transport infrastructure'

Συγγραφείς: Anna‑Klara Ahlmer(1), Marco Cavalli(2), Klas Hansson(3), Alexander J. Koutsouris(4), Stefano Crema(2) and Zahra Kalantari(5)

(1)   Trivector Traffic, Stockholm, Sweden and KTH, Stockholm, Sweden
(2)   Research Institute for Geo‑Hydrological Protection, National Research Council, Padua, Italy
(3)   Swedish Transport Administration (Trafikverket), 172 90 Stockholm, Sweden
(4)   Department of Physical Geography, Stockholm University, 106 91 Stockholm, Sweden
(5)   Department of Physical Geography and Bolin Centre for Climate Research, Stockholm University, 106 91 Stockholm, Sweden

Πηγή: Environmental Earth Sciences volume 77, Article number: 533 (2018) (1)

Λέξεις Κλειδιά: Πλημμύρες, Οδικές υποδομές, Υγρασία εδάφους, Τηλεπισκόπηση, Βροχόπτωση, Καταλληλότητα εδάφους

Περίληψη: Η αναμενόμενη αύξηση της βροχόπτωσης και της θερμοκρασίας στη Σκανδιναβία, και ιδιαίτερα των βραχυχρόνιων βροχοπτώσεων, θα αυξήσει τη συχνότητα των πλημμυρών. Οι αστικές περιοχές είναι οι πιο ευάλωτες και συγκεκριμένα η οδική υποδομή. Η συσσώρευση μεγάλων όγκων νερού και ιζημάτων σε διασταυρώσεις οδικών ρευμάτων έχει σοβαρές συνέπειες για τις αποχετεύσεις των δρόμων. Αυτή η μελέτη ενσωματώνει τις χωρικές και χρονικές ιδιότητες υγρασίας του εδάφους στην έρευνα σχετικά με τις μεθόδους πρόβλεψης πλημμυρών από μια μελέτη περίπτωσης δύο περιοχών στη Σουηδία, τις Västra Götaland και Värmland, οι οποίες επηρεάστηκαν από σοβαρές πλημμύρες τον Αύγουστο του 2014. Τα δεδομένα υγρασίας του εδάφους προέρχονται από τηλεσκοπικές τεχνικές ανίχνευσης, που επικεντρώνονται στους εξειδικευμένους δορυφόρους για την υγρασία του εδάφους, ASCAT και SMOS. Επιπλέον, αναλύονται αρκετές περιγραφές φυσικών λεκανών απορροής (PCD) και το αποτέλεσμα δείχνει ότι οι μεγαλύτερες πλαγιές και η πυκνότητα αποστράγγισης, γενικά, σημαίνουν υψηλότερο κίνδυνο πλημμύρας. Η βροχόπτωση είναι η ίδια. Ωστόσο, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι περισσότερη βροχόπτωση στις περισσότερες περιπτώσεις δίνει υψηλότερες τιμές υγρασίας εδάφους. Η έλλειψη, ή η διαστασιολόγηση, των κατασκευών αποστράγγισης του δρόμου φαίνεται να έχει μεγάλο αντίκτυπο στον κίνδυνο πλημμύρας καθώς περισσότερα ιζήματα και νερό μπορούν να συσσωρευτούν στη διασταύρωση του οδικού ρέματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέθοδος εφαρμογής δορυφορικών δεδομένων υγρασίας εδάφους είναι πολλά υποσχόμενα για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της αντιμετώπισης των πλημμυρών.

Αντικείμενο μελέτης: Η περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους διαφέρει κάθετα και οριζόντια και επομένως, ποικίλλει ανάλογα με τον όγκο του εδάφους. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για την επιλογή της μεθόδου μέτρησης, καθώς ορισμένες προσεγγίσεις ενδέχεται να παρέχουν εκτιμήσεις μόνο των επιφανειακών στρώσεων μερικών εκατοστών, όπως συμβαίνει με την τεχνολογία τηλεπισκόπησης. Έτσι, η υγρασία του εδάφους κοντά στην επιφάνεια και η περιεκτικότητα σε ογκομετρική υγρασία του εδάφους, δηλαδή η αναλογία μεταξύ του όγκου του νερού και του όγκου του εδάφους (μονάδα m3 / m3), χρησιμοποιείται συχνότερα στην τηλεπισκόπηση. Η χωρική και χρονική ετερογένεια στην υγρασία του εδάφους περιορίζει την ικανότητα μέτρησης της υγρασίας του εδάφους με ακρίβεια σε μεγάλες περιοχές. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν αναπτυχθεί αρκετές προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν δορυφορική τηλεπισκόπηση για την εκτίμηση της περιεκτικότητας σε υγρασία του εδάφους σε μια προσπάθεια να ξεπεραστεί αυτό το ζήτημα. Συνήθως, οι τηλεσκοπικές εκτιμήσεις υγρασίας του εδάφους βασίζονται σε μετρήσεις που χρησιμοποιούν αισθητήρες μικροκυμάτων, SAR, οπτικούς ή θερμικούς υπέρυθρους (TIR). Οι Moran et al. (2004) αξιολόγησαν τις φασματικές μετρήσεις για την υγρασία του επιφανειακού εδάφους και συνέκριναν τις οπτικές, μικροκυματικές και συνθετικές προσεγγίσεις ραντάρ (SAR). Οι οπτικοί αισθητήρες και το ραντάρ θερμικής απεικόνισης (TIR) έχουν καλή χωρική ανάλυση και καλύπτουν μεγάλες περιοχές, ενώ υπάρχουν αρκετοί δορυφορικοί αισθητήρες. Ωστόσο, η διείσδυση της επιφάνειας είναι ελάχιστη (~ 1 mm) και η κάλυψη των νεφών και η βλάστηση εμποδίζουν τις μετρήσεις, καθιστώντας την σχέση με την υγρασία του εδάφους αδύναμη. Οι αισθητήρες μικροκυμάτων δείχνουν μια ισχυρή σχέση με την ανάκτηση δεδομένων υγρασίας εδάφους, διεισδύουν στην επιφάνεια έως και 5 cm, έχουν ευρεία κάλυψη και δεν επηρεάζονται από το κάλυμμα του νέφους. Ωστόσο, η χονδρική χωρική ανάλυση είναι ένα μειονέκτημα, μαζί με διαταραχές κυρίως από τη βλάστηση και την τραχύτητα της επιφάνειας. Το ραντάρ συνθετικού διαφράγματος (SAR) ήταν μέχρι πρόσφατα περιοριστικό λόγω του μεγάλου χρόνου περιόδου επίσκεψης, αλλά, με την ανάπτυξη διαφορετικών αισθητήρων, είναι δυνατές υψηλές χρονικές συχνότητες, μαζί με καλή χωρική ανάλυση. Το SAR έχει κατάλληλο βάθος διείσδυσης 5 cm, δεν επηρεάζεται από σύννεφα και δείχνει ισχυρή σχέση με την υγρασία του εδάφους. Όπως με τους αισθητήρες μικροκυμάτων, οι διαταραχές οφείλονται στην τραχύτητα της επιφάνειας και, σε κάποιο βαθμό, τη βλάστηση (Moran et al. 2004). Το κύριο πλεονέκτημα των αισθητήρων SAR στη μελέτη της υγρασίας του εδάφους είναι η καλή χωρική ανάλυση, η οποία πρέπει να ρυθμιστεί σε σχέση με τη χαμηλή χρονική και ραδιομετρική ανάλυση. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη πλατφορμών όπως SMOS, SMAP, ASCAT και AMSR-E ως συμπληρωματικά με χαμηλότερο σφάλμα ανάκτησης, δυνατότητες σχεδόν σε πραγματικό χρόνο και χρονική ανάλυση 1-3 ημερών, αλλά χονδροειδή χωρική ανάλυση. Η χονδρική χωρική ανάλυση είναι ένα μειονέκτημα κατά την εφαρμογή της μεθόδου σε τοπικές περιοχές, αλλά αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί από τη χρονική ανάλυση λίγων ημερών και τη δυνατότητα για εφαρμογές σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Ο αισθητήρας ASCAT ήταν ο πρώτος με δυνατότητες σχεδόν σε πραγματικό χρόνο και τα δεδομένα μπορούν να παρασχεθούν 130 λεπτά μετά την ανάκτηση, γεγονός που ενισχύει την ικανότητα παρακολούθησης των πλημμυρών την ώρα που συμβαίνουν (Albergel et al. 2012; Brocca et al. 2017). Η ανάγκη για καλύτερη χωρική ανάλυση οδήγησε σε εργασίες για την ανάλυση προϊόντων μεγάλης κλίμακας ώστε να επιτραπεί η χρήση σε λεκάνες μικρής κλίμακας, οπότε η αναγωγή του προϊόντος ανάλυσης ASCAT 25 km σε προϊόν 1 km είναι μία επιλογή (Wagner et al. 2013) ). Οι δορυφόροι που προσδιορίστηκαν ως οι πιο κατάλληλοι για το σκοπό της μελέτης ήταν ο αισθητήρας ASCAT, για τον οποίο αξιολογήθηκαν τόσο το προϊόν χωρικής ανάλυσης 25 km όσο και το προϊόν 1 km και ο δορυφόρος SMOS.

Περιοχή μελέτης: Τα δυτικά μέρη της Σουηδίας έχουν αναγνωριστεί ως ιδιαίτερα επιρρεπή σε αυξημένη απορροή (Holgersson et al. 2007) και το 2014, αυτή η περιοχή επηρεάστηκε από σοβαρές πλημμύρες, με σημαντικές συνέπειες για τις Västra Götaland και Värmland (Kalantari et al. 2017 · Michielsen et al. 2016). Δεδομένης της διαθεσιμότητας δεδομένων και πληροφοριών για αυτό το γεγονός, οι περιοχές Västra Götaland και Värmland επιλέχθηκαν ως μελέτες περιπτώσεων για αυτή τη μελέτη (Εικόνα 1).

Μεθοδολογία:

• Συλλογή δεδομένων φυσικών λεκανών απορροής (PCDs) που αντιπροσωπεύουν τη χρήση γης, τον τύπο εδάφους, την τοπογραφία και τα χαρακτηριστικά του οδικού δικτύου από τις προηγούμενες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από τους Kalantari et al. (2014, 2017) και Michielsen et al. (2016).
• Συλλογή και υπολογισμός δεδομένων βροχόπτωσης.
• Υπολογισμός της υγρασίας του εδάφους από συγκεκριμένους δορυφόρους ASCAT και SMOS.
• Ανάλυση PCDs, βροχοπτώσεων και υγρασίας εδάφους και της σχέσης τους με πλημμυρισμένα και μη πλημμυρισμένα σημεία κατά μήκος της υποδομής μεταφορών.

Αποτελέσματα:

• Μεγαλύτερη κλίση δημιουργεί περισσότερες πλημμύρες. Ο μέσος όρος κλίσης στη Värmland ήταν 2,59% για τις πλημμυρισμένες λεκάνες απορροής και 1,33% για τις μη πλημμυρισμένες. Στη Västra Götaland, οι πλημμυρισμένες λεκάνες απορροής είχαν κλίση 1,25% και οι μη πλημμυρισμένες 0,98%.
• Μεγαλύτερη πυκνότητα αποστράγγισης δημιουργεί περισσότερες πλημμύρες. Οι πλημμυρισμένες περιοχές στη Värmland είχαν πυκνότητα αποστράγγισης 19,9 m / ha, δηλαδή 3,9 m / ha περισσότερο από ότι οι μη πλημμυρισμένες, ενώ οι πλημμυρισμένες περιοχές στη Västra Götaland είχαν 15,5 m / ha, που είναι 2 m / ha μεγαλύτερη πυκνότητα αποστράγγισης από τις μη πλημμυρισμένες.
• Μεγαλύτερο μέγεθος της λεκάνης απορροής μπορεί να οδηγήσει σε περισσότερες πλημμύρες, αλλά αυτό το εύρημα είναι αβέβαιο καθώς συμπεριλήφθηκαν πολύ λίγες λεκάνες απορροής. Ισχύει για τη Värmland, αλλά όχι για τη Västra Götaland σε αυτήν την περίπτωση.
• Δεν μπορεί να συναχθεί κανένα συμπέρασμα σχετικά με την επίδραση του τύπου εδάφους καθώς όλες οι περιοχές, πλημμυρισμένες ή μη πλημμυρισμένες, γενικά, είχαν παγετώδη τιλλίτη ή άργιλο ως τον κύριο τύπο εδάφους. Το ίδιο ισχύει για τη χρήση γης, όπου σχεδόν όλες οι λεκάνες απορροής, πλημμυρισμένες και μη πλημμυρισμένες, χαρακτηρίζονταν από δάσος.
• Η βροχόπτωση είναι, κατά μέσο όρο, η ίδια για πλημμυρισμένες και μη πλημμυρισμένες περιοχές και μικρότερες ποσότητες βροχοπτώσεων μπορούν και πάλι να οδηγήσουν σε πλημμύρες σε ορισμένες περιοχές.
• Περισσότερη βροχόπτωση δίνει υψηλότερες τιμές υγρασίας στο έδαφος στις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά αυτό δεν δημιουργεί απαραίτητα περισσότερες πλημμύρες.

Συμπεράσματα: Αυτή η μελέτη δοκίμασε διαφορετικούς δορυφόρους για τη λήψη δεδομένων υγρασίας εδάφους. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των PCD, της βροχόπτωσης και της υγρασίας του εδάφους δείχνουν ότι οι μεγαλύτερες κλίσεις και η πυκνότητα αποστράγγισης, γενικά, σημαίνουν υψηλότερο κίνδυνο πλημμύρας. Οι μεγαλύτερες λεκάνες απορροής ενδέχεται να έχουν αυξημένο κίνδυνο πλημμύρας, αλλά το αποτέλεσμα είναι αβέβαιο καθώς πρέπει να διερευνηθούν περισσότερες τοποθεσίες για ένα πιο αξιόπιστο αποτέλεσμα. Δεν μπορεί να εξαχθεί συμπέρασμα από τον τύπο του εδάφους ή τη χρήση γης, καθώς διαφέρει μεταξύ των πλημμυρισμένων περιοχών.

Η βροχόπτωση είναι η ίδια. Ωστόσο, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι περισσότερη βροχόπτωση στις περισσότερες περιπτώσεις δίνει υψηλότερες τιμές υγρασίας εδάφους. Η έλλειψη, ή η διαστασιολόγηση, των κατασκευών αποστράγγισης του δρόμου φαίνεται να έχει μεγάλο αντίκτυπο στον κίνδυνο πλημμύρας καθώς περισσότερα ιζήματα και νερό μπορούν να συσσωρευτούν στη διασταύρωση των οδών. Μερικοί παράγοντες που επηρέασαν τα αποτελέσματα:

Δεν υπολογίστηκαν ούτε τα δεδομένα σχετικά με την υγρασία του εδάφους ASCAT 1 km ούτε τα δεδομένα ραντάρ για βροχόπτωση για κάθε λεκάνη απορροής στη Värmland και τη Västra Götaland. Για βελτιωμένα αποτελέσματα, αυτά πρέπει να συμπεριληφθούν. Οι περιορισμένες πληροφορίες σχετικά με τη θέση των αποχετεύσεων μικρότερων των 2 μέτρων στη Σουηδία αποτελούν περιορισμό σε τέτοιες έρευνες. Οι καλές γνώσεις για το πώς κινούνται τα ύδατα και τα ιζήματα σε μια λεκάνη απορροής σε σχέση με την οδική υποδομή είναι απαραίτητες για την πρόβλεψη πλημμυρών. Ωστόσο, εντοπίζονται πολλές δυνατότητες με τις μεθόδους. Η χρήση δορυφορικών δεδομένων δημιουργεί ικανότητες μέτρησης της υγρασίας του εδάφους σε παγκόσμια κλίμακα και σε λιγότερο χρόνο. Αποφεύγεται η ανάγκη για χρονοβόρες μετρήσεις εδάφους και μειώνεται το κόστος της μέτρησης. Η σχεδόν σε πραγματικό χρόνο δυνατότητα απόκτησης των δορυφορικών δεδομένων ανοίγουν το δρόμο για έρευνες, για παράδειγμα, της υγρασίας του εδάφους λίγες μόνο ώρες μετά τις μετρήσεις, που είναι ένας σημαντικός παράγοντας όσον αφορά τις προβλέψεις και την πρόληψη των πλημμυρών. Η χωρική και χρονική συνέπεια των δορυφορικών αισθητήρων δημιουργούν τεράστιες δυνατότητες ανάκτησης αξιόπιστων τιμών υγρασίας εδάφους. Η περαιτέρω ανάπτυξη δορυφόρων με καλύτερη ανάλυση και βελτιωμένη ικανότητα μέτρησης των χαρακτηριστικών υγρασίας του εδάφους θα αυξήσει την ποιότητα των δεδομένων εισόδου. Η ανάλυση των μοτίβων δυναμικής υγρασίας του εδάφους θα ενισχυθεί με καλύτερη χωρική και χρονική ανάλυση και συνεπώς θα οδηγήσει σε πιο ακριβή αποτελέσματα.