Αξιολόγηση του λιμναίου ευτροφισμού με τη χρήση δεδομένων του ενισχυμένου θεματικού χαρτογράφου στο Wuhan, Κίνα

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 15:20, 9 Φεβρουαρίου 2010

Αντικείμενο της εφαρμογής

Ο αυξάνων ευτροφισμός των λιμνών τα τελευταία χρόνια, ως αποτέλεσμα της ανθρώπινης επίδρασης, αποτελεί ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα στην Κίνα. Με την υπέρμετρη απόρριψη οικιακών και βιομηχανικών λυμάτων στα ποτάμια και τις λίμνες αυξάνονται οι συγκεντρώσεις του φωσφόρου και του αζώτου, οδηγώντας στην υπεραύξηση του φυτοπλαγκτού και τη μείωση του διαλυμένου οξυγόνου. Ο ευτροφισμός απορυθμίζει το οικοσύστημα και προκαλεί οικολογική και οικονομική καταστροφή. Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες καλούνται να παρακολουθήσουν την τροφική κατάσταση του υδάτινου όγκου έγκαιρα και με ακρίβεια.

Πώς γινόταν παλιότερα

Στο παρελθόν, οι μελέτες για το λιμναίο ευτροφισμό χρησιμοποιούσαν δύο μεθόδους (Cai, 1997): χρήση μονο-παραμετρικών δεικτών, συμπεριλαμβανομένων της αξιολόγησης χαρακτήρων, της αξιολόγησης παραμέτρων, του δείκτη τροφικής κατάστασης (trophic state index – TSI) και του δείκτη βιολογικού χαρακτήρα (biological character index – BCI) και χρήση πολυ-παραμετρικών μεθόδων συμπεριλαμβανομένων της αξιολόγησης συναρτήσεων, της στατιστικής μεθόδου, της πλήρους αξιολόγησης και της ιεραρχικής ανάλυσης (ΗΑ). Ένας μονο-παραμετρικός δείκτης δε συμφωνεί πλήρως με την πραγματική κατάσταση, είναι όμως έυκολος στη χρήση. Οι πολυ-παραμετρικές προσεγγίσεις μπορούν να προσφέρουν πιο ακριβή αποτελέσματα, αλλά είναι πολύπλοκες και απαιτούν λεπτομερή δεδομένα παρακολούθησης.

Στόχος της εφαρμογής

Πολλές προσπάθειες για την εκτίμηση των τροφικών επιπέδων των λιμνών με τη χρήση τηλεπισκόπισης έχουν γίνει. Κάποιοι επιστήμονες δημιούργησαν ένα σύνολο μοντέλων για την ποσοτική συσχέτιση δεδομένων Landsat με τη συγκέντρωση της χλωροφύλλης-α και έπειτα εκτίμηση της τροφικής κατάστασης του νερού. (Lillesand et al., 1983; Wu et al., 1991; Ekstrand, 1992; Lavery, 1993; She et al., 1996). Ο σκοπός αυτής της μελέτης ήταν η εξέταση της χρησιμότητας της τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση των επιπέδων ευτροφισμού των λιμνών στην περιοχή Wuhan με τη χρήση Landsat εικόνων, συσχετίζοντας τα ETM (Enhanced Thematic Mapper) δεδομένα με το δείκτη τροφικής κατάστασης των υδάτων και η εφαρμογή της μεθόδου και σε άλλες λίμνες σε μια μεγάλη έκταση.

Η περιοχή μελέτης

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή Wuhan βρίσκεται στα ανατολικά την κοιλάδας Plain στην κεντρική Κίνα. Έχει συνολικό εμβαδό 8.467,11km2 και περιλαμβάνει περισσότερες από δώδεκα ριχές λίμνες.

Συλλογή των δεδομένων

Τα δεδομένα για την παρακολούθηση των μικρότερων λιμνών γύρω από τη λίμνη Donghu προήλθαν από το βιβλίο: Ecological Research on Donghu Lake (Liu, 1992), ενώ τα μέσα ετήσια δεδομένα παρακολούθησης των λιμνών της περιοχής Wuhan προήλθαν από το Monitoring Results of Lakes and Reservoirs in Hubei Province (1999), που συντάχθηκε από το Γραφείο Περιβαλλοντικής Προστασίας της επαρχίας Hubei. Οι εικόνες του Landsat 7 χρονολογούνται από το Σεπτέμβριο του 1999.

Αξιολόγηση του ευτροφισμού της λίμνης από in situ παρακολούθηση

Παλιότερες μελέτες έδειξαν καλή συσχέτιση ανάμεσα στις χημικές, φυσικές και βιολογικές παραμέτρους του ευτροφισμού. Αναλύσεις από πολύχρονα δεδομένα παρακολούθησης των περιφερειακών λιμνών έδειξαν καλή αντιστοιχία ανάμεσα στη χλωροφύλλη-α (Chl-a), στο συνολικό άζωτο (TN), στο συνολικό φώσφορο (TP) και στη βιολογική απαίτηση του οξυγόνου (BOD5). Στη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν οι τέσσερις ανωτέρω δείκτες. Ένας δείκτης τροφικής κατάστασης (TSI) προσδιορίζεται με βάση ποικίλους χημικούς, φυσικούς και βιολογικούς δείκτες, ειδικά στο TSI τύπου Carlson, ο οποίος είναι ο καταλληλότερος για τον υπολογισμό του ευτροφισμού στις λίμνες (Carlson, 1977). Μετά τον Carlson, ένας τροποποιημένος δείκτης TSI υπολογίστηκε με κλίμακα 1 – 100 (TSIM), με βάση τα TP (mg/L of P), TN (mg/L of N), BOD5 (rag/L), και Chl-a (mg/m3), και ήταν αυτός που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη.

Μοντέλο αξιολόγησης βασισμένο στις εικόνες ΕΤΜ

Είναι γνωστό ότι η συνολική ανακλαστικότητα του νερού είναι χαμηλή, είναι όμως υψηλή ανάμεσα στα 0,5 – 0,7μm. Πέρα από τα 0,7μm, η υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφάται ισχυρά από το νερό, έχοντας σαν αποτέλεσμα πολύ μικρή ανακλαστικότητα. Για το λόγο αυτό, οι εικόνες που λήφθηκαν μεταξύ 1,55 – 1,75μm επελέγησαν για καλύτερη αναγνώριση των ορίων του νερού. Αναλύοντας τις ΕΤΜ εικόνες σε επτά κανάλια βρέθηκε ότι οι αισθητήρες του καναλιού 2 ήταν ευαίσθητοι στα βυθισμένα φυτά, ενώ οι αισθητήρες του καναλιού 6 ήταν ευαίσθητοι σε θερμά αντικείμενα στο έδαφος. Αντίθετα, οι πληροφορίες για την ευαισθησία των αισθητήρων του καναλιού 6 και για τη βυθισμένη υδρόβια βλάστηση στις εικόνες του καναλιού 5 ήταν ελάχιστες. Τα όρια του νερού στις ΕΤΜ εικόνες του καναλιού 5 ήταν πολύ ευδιάκριτα και ανιχνεύονταν εύκολα σε σχέση με άλλα αντικείμενα, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι το κανάλι αυτό είναι το καταλληλότερο για τη διάκριση των ορίων του νερού. Όταν ένα υδάτινο σώμα είναι ευτροφικό, η συγκέντρωση της χλωροφύλλης-α του φυτοπλαγκτού θα φαίνεται έντονα κοντά στο υπέρυθρο φάσμα (Sun et al., 1997). Αρχικά, εφαρμόστηκε γεωμετρική διόρθωση, επαναπροβολή και μείωση του θορύβου στις ΕΤΜ εικόνες. Από το ιστόγραμμα της περιοχής των περιφερειακών λιμνών στις γκρίζες εικόνες, λήφθηκε η μέση γκρίζα κλίμακα (GS) της λίμνης Donghu. Από τα δεδομένα παρακολούθησης της περιόδου Ιανουάριος 1991 έως Αύγουστος 1993 (Kuang, 1997) υπολογίστηκαν οι τιμές TSIM(AVΕ) των περιφερειακών λιμνών χρησιμοποιώντας την προσέγγιση TSI. Στον πίνακα φαίνεται η καλή γραμμική συσχέτιση ανάμεσα στην GS των καναλιών 5 και 7 και στις τιμές TSIM(AVΕ). Έπειτα η GS των κύριων λιμνών υπολογίστηκε όπως και τα αποτελέσματα για την κατάσταση ευτροφισμού των λιμνών.

Το επίπεδο ευτροφισμού στις λίμνες της περιοχής Wuhan

Συμπεράσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Η μελέτη αυτή αποδεικνύει ότι η τηλεπισκόπηση είναι ένα χρήσιμο εργαλείο στη μελέτη του ευτροφισμού των λιμνών. Τα τρία επιτεύγματα της έρευνας ήταν:

• τα αποτελέσματα της τηλεπισκόπησης συμφωνούσαν με αυτά που λήφθηκαν από τη χρήση άλλων μεθόδων και το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε μπορεί να τροποποιηθεί ώστε να προσεγγίζει την πραγματικότητα
• μπορεί να παρέχει πληροφορίες για τα διαφορετικά επίπεδα ευτροφισμού σε διάφορες περιοχές μιας λίμνης με τη χρήση ΕΤΜ εικόνων σε γκρίζα κλίμακα
• μπορεί να εφαρμοστεί για την αξιολόγηση του ευτροφισμού των λιμνών σε μεγάλη κλίμακα με μικρό κόστος και σε λίγο χρόνο.

Όμως, απαιτείται βελτίωση και in situ παρακολούθηση, ενώ πρέπει να εφαρμοστεί και η μέτρηση παραμέτρων ποιότητας του νερού σε πραγματικό χρόνο στις πειραματικές περιοχές.