Ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση χρησιμοποιώντας εικόνες ENVISAT-ASAR: Μία περίπτωση μελέτης για τα προάστια του Πεκίνου

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 17:22, 4 Μαρτίου 2012

Πρωτότυπος τίτλος: Remote Sensing Retrieval of Soil Moisture Using ENVISAT-ASAR Images: A Case Study in Suburban Region of Peking, China

Συγγραφείς: Xuhua Cai, Huili Gong, Xiaojuan Li, Lin Zhu

Πηγή: Geoinformatics, 2010 18th International Conference

Ι. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η υγρασία του εδάφους είναι μια ιδιαίτερα μεταβλητή συνιστώσα του εδάφους και διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις ανταλλαγές υλικών και ενέργειας μεταξύ γης και ατμόσφαιρας. Είναι επίσης η βασική παράμετρος για την ανάπτυξη των καλλιεργειών και την πρόβλεψη της απόδοσής τους. Γι’ αυτό το λόγο πολλοί επιστήμονες έχουν επικεντρώσει την έρευνά τους στην εκτίμηση της υγρασίας του εδάφους και στις μεταβολές της σε διάφορες χρονικές και χωρικές κλίμακες.

Με τα χαρακτηριστικά της παρατήρησης της ευρύτερης περιοχής συγχρονισμένα, έγκαιρα και οικονομικά, η τεχνική της τηλεπισκόπησης καθιστά δυνατή την παρακολούθηση της δυναμικής υγρασίας του εδάφους. Η παρακολούθηση της υγρασίας του εδάφους με τηλεπισκόπηση έχει ιστορία 30 ετών, ενώ έχουν γίνει πολλές έρευνες στο πεδίο αυτό, συμπεριλαμβανομένων μεθοδολογιών τηλεπισκόπησης στο ορατό και υπέρυθρο με βάση τις μεθόδους NVDI (Normalized Difference Vegetation Index), υπερφασματικής τηλεπισκόπησης με βάση αλγόριθμο, μικροκυματικής τηλεπισκόπησης κ.ο.κ.. Μεταξύ αυτών των μεθόδων, η μικροκυματική έχει το μεγάλο πλεονέκτημα στην ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, την κάλυψη νεφών και ηλιακού φωτισμού.

Η τεχνική SAR (Synthetic Aperture Radar) είναι πολύ ευαίσθητη στις συνθήκες της επιφάνειας του εδάφους, ιδιαίτερα στην τραχύτητα και στο ποσοστό της υγρασίας στα πρώτα εκατοστά του εδάφους από την επιφάνεια. Ιδιαίτερες προσπάθειες έχουν αφιερωθεί στη μικροκυματική τηλεπισκόπηση για τη μελέτη της απόκρισης οπισθοσκέδασης του ραντάρ από φυσικές επιφάνειες. Ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα οπισθοσκέδασης (μοντέλα Kirchoff, the small perturbation model (SPM)) και το Μοντέλο της Ολοκληρωμένης Εξίσωσης (Integral Equation Model, ΙΕΜ) αναπτύχθηκαν για την εξέταση αυτού του ζητήματος. Ωστόσο, πειραματικές μετρήσεις έδειξαν ότι αυτά περιορίζονται σε λείες ή πολύ τραχείες επιφάνειες του εδάφους. Αυτές οι δυσκολίες οφείλονται σε δύο παράγοντες: πρώτον, στο ότι η περιγραφή της τραχύτητας του εδάφους βασίζεται μόνο σε δύο παραμέτρους (το ύψος rms (s) και το μήκος συσχέτισης (l)), και γενικά σε μία εκθετική εξίσωση συσχέτισης για όλες τις επιφάνειες, και δεύτερον, στις φυσικές προσεγγίσεις που εισάγονται στα μοντέλα. Για παράδειγμα, το μοντέλο SPM ισχύει μόνο για πολύ λεία εδάφη, οι προσεγγίσεις του μοντέλου Kirchoff για πολύ τραχείες επιφάνειες, ενώ για το ΙΕΜ δεν έχει ανιχνευθεί ακόμη μια μεγάλη περιοχή ισχύος για πραγματικά γεωργικά εδάφη.

Το σήμα του ραντάρ στο κανάλι C είναι ευαίσθητο στην υγρασία της επιφάνειας του εδάφους. Το κανάλι C μπορεί να βρεθεί σε δορυφόρους όπως ο ERS-2 (European Remote Sensing Satellite), ο RADARSAT και ο ENVISAT (Environment Satellite). Οι μετρήσεις στο κανάλι C επηρεάζονται, εκτός από την υγρασία του εδάφους, από τη φυτοκάλυψη και την τραχύτητα της επιφάνειάς του. Πολλές στατιστικές και εμπειρικές μέθοδοι έχουν προταθεί για την ανάκτηση της υγρασίας της επιφάνειας εδάφους χρησιμοποιώντας δεδομένα ENVISAT/ASAR για γυμνές ή καλυμμένες με βλάστηση γεωργικές εκτάσεις. Επειδή όμως υπάρχουν περιορισμοί στην εφαρμογή των στατιστικών ή εμπειρικών μοντέλων, χρησιμοποιούνται αλγόριθμοι για την εκτίμηση της υγρασίας της επιφάνειας του εδάφους των γεωργικών εκτάσεων.

ΙΙ. ΣΥΝΟΛΟ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Α. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ENVISAT/ASAR

Το Προηγμένο Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος Κεραίας ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) του δορυφόρου ENVISAT επεκτείνει την αποστολή των οργάνων Active Microwave Instrument (AMI) του Synthetic Aperture Radar (SAR) των European Remote Sensing (ERS) Satellites ERS-1 και ERS-2. Το ASAR χρησιμοποιεί μια ενεργή φασικά ελεγχόμενη στοιχειοκεραία με γωνίες πρόσπτωσης μεταξύ 15 και 45 μοιρών. Λειτουργεί σε μήκος κύματος 5,6 cm (συχνότητα 5.3 GHz, ζώνη C) και μπορεί να λειτουργεί με τους εξής τρόπους: εικόνα, πόλωση, λωρίδα μεγάλου πλάτους, παγκόσμια παρακολούθηση και κύμα. Οι εφαρμογές αυτού του αισθητήρα περιλαμβάνουν τη μελέτη των ωκεάνιων κυμάτων, της έκτασης και κίνησης των θαλάσσιων πάγων και μελέτες για την επιφάνεια της γης. Η λειτουργία εικόνας Precision Image ASAR παρέχει μια πολλαπλή, δυστοπογραφική, πόλωσης HH or VV, ψηφιακή εικόνα με ανάλυση εδάφους 30m. Τα προϊόντα επιπέδου 1B της λειτουργίας ENVISAT/ASAR IM (ASAR Image mode Precision Image) χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη (ASAR product hand book, 2002).

Πολλές έρευνες, χρησιμοποιώντας το SAR στο κανάλι C, έχουν δείξει ότι όταν χρησιμοποιείται μόνο ένα κανάλι ραντάρ, οι καλύτερες εκτιμήσεις για την υγρασία του εδάφους γίνονται με εικόνες που αποκτήθηκαν με μικρές και μέτριες γωνίες πρόσπτωσης ≤35°. Η ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους από παρατηρήσεις οπισθοσκέδασης με μονοπόλωση και μονή γωνία πρόσπτωσης απαιτεί τα δεδομένα να έχουν μια ελάχιστη ευαισθησία σε άλλες παραμέτρους της επιφάνειας του εδάφους (κυρίως στην τραχύτητα της επιφάνειας). Το σήμα πόλωσης ΗΗ είναι περισσότερο ευαίσθητο στην τραχύτητα σε σχέση με το σήμα VV. Επιπλέον, με την αυξανόμενη γωνία πρόσπτωσης και τραχύτητα της επιφάνειας τα δεδομένα της πόλωσης VV δεν επηρεάζονται από την υγρασία του εδάφους. Έτσι, για αυτή τη μελέτη επιλέχθηκε η λειτουργία εικόνας ASAR Precision Image με πόλωση VV και μικρές και μέτριες γωνίες πρόσπτωσης (19.2º-26.7º).

Β. Πειραματικοί χώροι

Για αυτή τη μελέτη λήφθηκαν πειραματικά δεδομένα του εδάφους από πειραματικές περιοχές που βρίσκονται στα προάστια του Πεκίνο (γεωγραφικό μήκος° 37 '~ 116 ° 43' E, γεωγραφικό πλάτος 40 ° 13 '~ 40 ° 19' N). Οι περισσότεροι από τους πειραματικούς χώρους βρίσκονται στην επαρχία Huairou, που είναι μια περιοχή όπου οι υδατικοί πόροι βρίσκονται σε έλλειψη, ενώ λίγοι διασχίζουν τον ποταμό Chaobai στην επαρχία Shunyi. Ανήκουν στις άγονες ή ημιάγονες περιοχές, όπου η επιφάνεια του εδάφους είναι επίπεδη γεωργική έκταση (κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι και τα φιστίκια).

Τα κόκκινα αστέρια στην Εικόνα 1 δείχνουν τους χώρους που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειραματικά δεδομένα του εδάφους. Σε αυτές τις θέσεις, ταυτόχρονα με τις μετρήσεις του ραντάρ, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του εδάφους για μεγάλο αριθμό πειραματικών εκτάσεων γυμνού εδάφους. Οι μετρήσεις περιλαμβάνουν την υγρασία της επιφάνεια του εδάφους, το δείκτη φυλλικής επιφάνειας και την τραχύτητα του εδάφους.

ΙΙΙ. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Α. Επεξεργασία δεδομένων

Ορισμένα χαρακτηριστικά των εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν για ανάλυση δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Η επεξεργασία των δεδομένων έγινε χρησιμοποιώντας το BESTv4.2.2b (www.envisat.esa.int) : αρχικά, χρησιμοποιώντας το speckle filter tool απαλείφθηκε ο θόρυβος speckle από τις εικόνες έντασης, δεύτερον, χρησιμοποιώντας το amplitude to power and image backscattering tool αποκτήθηκε η εικόνα οπισθοσκέδασης σε ψηφιακούς αριθμούς ή στην κλίμακα dB. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ENVI4.2 μετατράπηκαν οι ψηφιακοί αριθμοί DN σε συντελεστές οπισθοσκέδασης με τη μέθοδο και την εξίσωση που περιγράφεται παρακάτω.

Οι ψηφιακοί αριθμοί DN (image digital numbers) είναι μονάδες πλάτους και μετατράπηκαν σε τιμές οπισθοσκέδασης (σ0) χρησιμοποιώντας το ASAR product hand book. Ο υπολογισμός του σ0 έγινε ως εξής:

                                                   σ0=Α2sin (α)/Κ,