Εφαρμογή συστημάτων τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών πληροφοριών στη διαχείριση των υδάτων αρδευτικών συστημάτων...

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 23:35, 1 Μαρτίου 2022

Εικόνα 1: Κύρια κανάλια, ρυθμιστικές αρχές, αρδευτικές περιοχές του Κυβερνείου Fayoum και οι περιοχές μελέτης των Sinnuris και Gharaq.

Εικόνα 2: Χρονικές μεταβολές στη χρήση της γης στο (α) Sinnuris. β) Περιοχές που εξυπηρετούνται από το Gharaq (έκταση σε ha και %).

Application of remote sensing and geographic information systems in irrigation water management under water scarcity conditions in Fayoum, Egypt

Συγγραφείς:Fahmy Salah Abdelhaleem , Mohamed Basiouny, Eid Ashour, Ali Mahmoud

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [[1]]

Λέξεις κλειδιά:GIS (Geographic Information Systems - Γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών), Αλλαγή χρήσεων Γης, NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – Κανονικοποιημένος Δείκτης Βλάστησης), Τηλεπισκόπηση , Αστικοποίηση, Διαχείριση υδάτων

1. Αντικείμενο

Η μελέτη έχει ως στόχο την ανίχνευση των αλλαγών γεωργικών περιοχών λόγω δραστηριοτήτων αστικοποίησης και αποκατάστασης, σε ένα εύρος 20ετίας, χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες Landsat από το 1999, 2009 και 2019. Παράλληλα, στοχεύει στην εποχιακή παρακολούθηση αυτών με βάση τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI), με σκοπό τον προσδιορισμό της ζήτησης αρδευτικού νερού. Διαχείριση υδάτων του Κυβερνείου Fayoum στην Αίγυπτο χαρακτηρίζεται από μια μη ομοιόμορφη ροή κατανομής πάνω από τα κανάλια της. έτσι, επιλέγονται δύο πιλοτικές περιοχές. Ο πρώτος χώρος είναι η διώρυγα sinnuris, οι εξυπηρετούμενοι τομείς της οποίας αντιπροσωπεύουν το πρόβλημα αστικοποίησης, ενώ ο άλλος είναι το κανάλι Gharaq, οι περιοχές του οποίου αντιπροσωπεύουν τις καταστάσεις αστικοποίησης και γεωργικής επέκτασης.

Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι οι αλλαγές στις γεωργικές περιοχές επηρεάζουν σημαντικά την ομοιομορφία της διαχείρισης των υδάτων. Οι δραστηριότητες αστικοποίησης μειώνουν τη γεωργική έκταση κατά 5,0% και 5,7% στις περιοχές που εξυπηρετούνται από το Sinnuris και το Gharaq, αντίστοιχα. Ωστόσο, οι πρόσφατα καλλιεργημένες εκτάσεις στο Gharaq, διατηρούν αύξηση 5,8% στο σύνολο των γεωργικών περιοχών. Οι σημαντικά τροποποιημένες στρατηγικές κατανομής των υδάτων σε αυτές τις περιοχές πέτυχε, δεδομένου ότι το Sinnuris έχει πάνω από 1,5 m3/s παροχής νερού, ενώ η περιοχή Gharaq αντιμετώπιζε έλλειψη άρδευσης 0,26 m3 το 2019.

2. Εισαγωγή

Σε άνυδρες περιοχές, πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την αρδευμένη γεωργία, όπως η λειψυδρία, η αστικοποίηση, η αλατοποίηση του εδάφους και η υποβάθμιση, προσθήκη στην αύξηση του πληθυσμού και την κλιματική αλλαγή (Dimov et al., 2016). Η έλλειψη γλυκού νερού έχει δυνητικό αντίκτυπο στη γεωργική παραγωγή, που αντιστοιχεί στο 70% της συνολικής κατανάλωσης γλυκού νερού (Vanino et al., 2018). Η διαχείριση των υδάτων απαιτεί ορισμένες χωρικά κατανεμημένες μεταβλητές σχετικές με το έδαφος, τη βλάστηση και τις παραμέτρους καιρού. Η τηλεπισκόπηση σε συνδυασμό με τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών είναι πολύτιμη για την ανίχνευση και την ανάλυση τέτοιων χωρικά κατανεμημένων μεταβλητών αξιολογώντας επιτυχώς περιβαλλοντικές επιπτώσεις και μελέτες διαχείρισης υδατικών πόρων. Οι δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 προσφέρουν μία γκάμα πολυφασματικών καναλιών σε πολύ καλή χωρική ανάλυση που εξυπηρετούν τον εντοπισμό εποχιακών μεταβολών στην καλλιεργούμενη Γη, όμως οι δορυφορικές εικόνες Landsat λόγω της ιστορικότητας του πρώτου δορυφόρου επιτρέπουν στον χρήστη να εξετάσει τις αλλαγές μιας περιοχής σε βάθος χρόνου, όπως αλλαγές χρήσης Γης, η αστικοποίηση, κ.α. Η χρήση διαφόρων δεικτών, όπως ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI), για την ανίχνευση ζητούμενων χωρικών μεταβλητών για μια περιοχή μπορούν να αναλυθούν μέσω των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και να αποδώσουν αποτελέσματα σημαντικά για διάφορες μελέτες, όπως η διαχείριση των υδάτων.

3. Περιοχή Μελέτης

Στην υπάρχουσα μελέτη εξετάζεται το Fayoum, μια κλειστή λεκάνη νερού που βρίσκεται 25 χιλιόμετρα δυτικά του Νείλου ποταμούκαι 90 χιλιόμετρα νοτιοδυτικά του Καΐρου. To δίκτυο άρδευσης και αποστράγγισης Fayoum αποτελείται από 346 κανάλια μήκους 1398 χιλιομέτρων, 272 αποχετεύσεων με μήκος 1063 χιλιομέτρων, εννέα ρυθμιστών, 79 υδατοφράκτες στα κύρια κανάλια, 1091 στα δευτερεύοντα κανάλια, και περισσότερους από 3800 αεραγωγούς. Για τις ανάγκες της μελέτης εξετάστηκαν δύο ερευνητικές περιοχές στο Κυβερνείο του Φαγιούμ: η περιοχή Sinnuris και η περιοχή Gharaq. Ο σχεδιασμός του καναλιού του Sinnuris, εξαιρώντας την αστική περιοχή, καλύπτεται από 11.458 εκτάρια με 24 υπό-λεκάνες απορροής. Το κανάλι του Gharaq έχει μήκος 27 χιλιομέτρων, ενώ επιπλέον χωρίζεται στο κατάντη άκρο του σε δύο άλλα κανάλια: Μπαχρ Ελ-Μπασαουάτ, μήκους 25 χιλιομέτρων, και Μπαχρ Ελ-Γκαργκάμπα, μήκους 23 χιλιομέτρων.

4. Συλλογή και επεξεργασία χωρικών και δορυφορικών δεδομένων

Αρχικά, σχεδιάστηκαν τα πολύγωνα των αρδευτικών καναλιών των δύο περιοχών μελέτης Sinnuris και Gharaq από χάρτες κλίμακας 1:2500 της Αιγυπτιακής Αρχής Γενικής Έρευνας. Αυτά εξετάστηκαν μέσω Google Earth και με τη βοήθεια δορυφορικών εικόνων Landsat παρακολουθήθηκαν οι αλλαγές σε βάθος 20ετίας. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες Landsat Thematic Mapper (TM5) του 1999 και 2009 και δορυφορικές εικόνες Landsat-8 Operational Land Imager (OLI) του 2019. Στην περίπτωση των δορυφορικών δεδομένων TM5 χρησιμοποιήθηκαν όλα τα κανάλια, όπως και το θερμικό το οποίο ενίσχυσε το διαχωρισμό μεταξύ αστικών περιοχών και περιοχών αγρανάπαυσης στο Gharaq. Όσον αφορά τα δορυφορικά δεδομένα του Landsat 8 χρησιμοποιήθηκαν τα αντίστοιχα κανάλια με αυτά του TM5, όπως και το θερμικό κανάλι 10, εξαιρώντας τα κανάλια 1, 8, 9 και 11. Όλα τα κανάλια των δορυφορικών δεδομένων Landsat που χρησιμοποιήθηκαν είχαν χωρική ανάλυση 30μ, ενώ τα θερμικά επεξεργάστηκαν για να αποκτήσουν επίσης χωρική ανάλυση 30μ. Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα Sentinel-2 από τις αρχές του κάθε μήνα από τον Σεπτέμβριο του 2019 έως τον Δεκέμβριο του 2020, με σκοπό την εξέταση της μετάβασης από τις καλοκαιρινές στις χειμερινές καλλιεργητικές περιόδους. Στην περίπτωση των των δορυφορικών δεδομένων Sentinel-2 χρησιμοποιήθηκαν μόνο τα κανάλια 4 και 8 με χωρική ανάλυση 10μ, για την δημιουργία εικόνων σύμφωνα με τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI). Η λήψη των δεδομένων πραγματοποιήθηκε από το USGS και από την ESA, αντίστοιχα για τους δύο δορυφόρους.

Για την επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων Landsat χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ENVI 5.3, όπου πραγματοποιήθηκε αρχικά ατμοσφαιρική διόρθωση των εικόνων με τη μέθοδο της αφαίρεσης του σκοτεινού αντικειμένου και στη συνέχεια η στρωματοποιημένη τυχαία δειγματοληψία για την απεικόνιση των διαφόρων κατηγοριών χρήσης Γης ανάλογα με την περιοχή και την ομοιογένεια της κάθε τάξης. Για τη δημιουργία αντιπροσωπευτικών δειγμάτων για κάθε κατηγορία χρησιμοποιήθηκαν πρόσφατες μετρήσεις πεδίου, καθώς έγινε και χρήση του Google Earth. To 70% εξ΄ αυτών χρησιμοποιήθηκαν ως περιοχές εκπαίδευσης για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση που εφαρμόστηκε, ενώ το υπόλοιπο 30% αξιοποιήθηκαν ως περιοχές ελέγχου για την εκτίμηση της ακρίβειας της ταξινόμησης. Η ταξινόμηση που πραγματοποιήθηκε ήταν βασισμένη στα εικονοστοιχεία όλων των δορυφορικών δεδομένων χρησιμοποιώντας ένα ταξινομητή διανυσματικής μηχανικής υποστήριξης (SVM), ευρέως χρησιμοποιούμενος σε ταξινομήσεις εικόνων. Οι παράμετροι του SVΜ ορίστηκαν σε ακτινικής βάσης συνάρτηση, ως τύποι πυρήνα, με εύρος από 1 έως 100. Ο ταξινομητής SVM σε σύγκριση με άλλους ταξινομητές, όπως νευρωνικά δίκτυα, μπορεί να επιτύχει υψηλές αποδόσεις ακόμη και με μικρό αριθμό περιοχών εκπαίδευσης. Έπειτα με τη χρήση των δορυφορικών δεδομένων Sentinel-2 και την εφαρμογή δεικτών NDVI ανιχνεύθηκαν οι αλλαγές στις καλλιεργούμενες περιοχές όσον αφορά την βλάστηση και την ξηρασία σε χρονικό εύρος από τον Σεπτέμβριο του 2019 έως το Δεκέμβρη του 2020.

5. Αποτελέσματα

Στην περιοχή μελέτης Sinnuris, η ταξινόμηση των συνολικών δεδομένων Landsat κατέδειξε συνολική ακρίβεια και συντελεστή kappa 98% και 0,94 για το 1999, 96%, και 0.93 για το 2009 και 97% και 0,96 για το 2019, αντίστοιχα. Η αστική ανάπτυξη αυξάνεται το 2019 έως και 5% εις βάρος των γεωργικών εκτάσεων, μειώνοντας έτσι την άρδευση απαιτήσεις νερού για ολόκληρη την εξυπηρετηθείσα περιοχή. Αντίστοιχα, αποτελέσματα υπήρξαν και στην περιοχή Gharaq όπου παρατηρείται αύξηση της αστικής ανάπτυξης το 2019 κατά 5.7% εις βάρος των γεωργικών εκτάσεων. Όσον αφορά την μελέτη των αλλαγών βλάστησης και ξηρασίας με χρήση δορυφορικών δεδομένων Sentinel-2 και του δείκτη NDVI εποχιακά παρατηρήθηκε ότι σε γενικές γραμμές κατά τη διάρκεια της θερινής περιόδου, οι καλλιεργήσιμες περιοχές είναι πολύ λιγότερες συγκριτικά με τις χειμερινή περίοδο. Αυτό πιθανόν αποδίδεται στην έλλειψη και στην κακή διαχείριση υδατικών πόρων για αρδευτικούς σκοπούς. Η καλλιεργούμενη έκταση στο Sinnuris κυμαίνεται από 6249,4 έως 9946,8 εκτάρια, ενώ οι μέγιστες καλλιεργήσιμες εκτάσεις εντοπίστηκαν τον Ιανουάριο και τον Ιούλιο, αντίστοιχα για τις δύο περιόδους. Στο Gharaq η καλλιεργούμενη έκταση κυμαίνεται από 6007,4 έως 12688,5 εκτάρια, οι μέγιστες καλλιεργήσιμες εκτάσεις εντοπίστηκαν τον Ιανουάριο και τον Αύγουστο, αντίστοιχα για τις δύο περιόδους, ενώ η μικρότερη εντοπίσθηκε τον Οκτώβριο του 2020 στα 231.5 εκτάρια.

6. Επίλογος

Συμπερασματικά, παρόλο που η ετήσια παροχή νερού έχει αυξηθεί στην περιοχή του Fayoum τα τελευταία 20 χρόνια περίπου κατά 30%, η μη ενιαία κατανομή του έχει επιφέρει μείωση των καλλιεργήσιμων εκτάσεων. Αυτό οφείλεται σε διάφορους παράγοντες, όπως η συνεχώς αυξανόμενη απαίτηση νερού από την πλευρά των αγροτών, η επιδείνωση των υποδομών που οδηγεί σε χαμηλή παροχή νερού με συνέπεια, οι γεωργοί να αυξάνουν παράνομα τον εφοδιασμό τους μέσω μη εξουσιοδοτημένης τροποποίησης της δομής, προκαλώντας μία σύγχυση στο συνολικό αρδευτικό σύστημα με ανισορροπίες ανά περιοχές. Η τηλεπισκόπηση σε συνδυασμό με τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών είναι ικανή για την παρακολούθηση των γεωργικών περιοχών, την εκτίμηση των απαιτήσεων σε αρδευτικό νερό με αποτέλεσμα η τρέχουσα γεωργική έκταση να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποκατάσταση αρδευτικών καναλιών βελτιώνοντας τις πραγματικές απαιτήσεις. Η αστικοποίηση είναι ο πρωταρχικός παράγοντας που επηρεάζει το πρόβλημα ιδίως μετά το 2011. Η μελέτη αυτή έδειξε τις δυνατότητες των πολυφασματικών δεδομένων Sentinel-2 για την παρακολούθηση των αλλαγών των γεωργικών περιοχών βοηθώντας τον αρμόδιο φορέα για καλύτερα προσανατολισμένα στη ζήτηση σχέδια διαχείρισης των υδάτων.