Χρήση της Τηλεπισκόπησης για την Αποτύπωση Μεταβολών Χρήσεων Γης και για την Διαχείριση της Υδρολογικής Λεκάνης της λίμνης Τριχωνίδας.

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 12:47, 5 Ιανουαρίου 2010

Χρήση Προϊόντων Τηλεπισκόπησης για την Αποτύπωση Μεταβολών Χρήσεων Γης και για την Διαχείριση των Υδατικών Πόρων της Υδρολογικής Λεκάνης της λίμνης Τριχωνίδας.

Ηλίας Δημητρίου Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών – Ινστιτουτο Εσωτερικών Υδάτων, 46,7 χλμ. Λ. Αθηνών – Σουνίου, 19013, Ανάβυσσος Αττικής, Τηλ. 2291076389, Fax: 2291076419, email: elias@ath.hcmr.gr

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τεχνική Υδρολογία Σκοπός Εφαρμογής: Στη συγκεκριμένη επιστημονική εργασία χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από τον δορυφόρο Landsat 5 και αεροφωτογραφίες προκειμένου να αντληθούν στοιχεία που αφορούν στις χρήσεις γης της υδρολογικής λεκάνης της λίμνης Τριχωνίδας, στην καταγραφή της εδαφικής υγρασίας και των υπολιμναίων εκφορτίσεων νερού (πηγών) καθώς και στην καταγραφή της φυτοκάλυψης της περιοχής. Τα δεδομένα που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν για την υδρολογική μοντελοποίηση και την διαχείριση των υδατικών πόρων της περιοχής. Εισαγωγή Η επιστήμη της τηλεπισκόπησης και τα δορυφορικά δεδομένα, αποτελούν σήμερα ένα σύγχρονο επιστημονικό εργαλείο, αφού παρέχουν πλήθος σημαντικών πληροφοριών διευκολύνοντας σημαντικά την έρευνα σε πολλά επιστημονικά πεδία. Εφαρμογές τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται συχνά στις μέρες μας σε επιστήμες όπως η Γεωλογία, η Υδρολογία, η Μετεωρολογία, η Ωκεανογραφία, και η Βιολογία με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα, αφού παρέχουν άμεσα και ακριβή επιστημονικά δεδομένα. Συγκεκριμένα, η παρατήρηση της γης με μεθόδους τηλεπισκόπησης δίδει την δυνατότητα, εκτός από μετρήσεις περιβαλλοντικών παραμέτρων, να αποτυπώνονται οι χωροχρονικές μεταβολές στους φυσικούς πόρους, που οφείλονται σε ανθρωπογενείς παρεμβάσεις αλλά και σε εποχικές διακυμάνσεις. Επιπρόσθετα, είναι συνήθης πρακτική στην σημερινή εποχή, τηλεπισκοπικές εφαρμογές να υποστηρίζουν κλιματολογικές μελέτες, ποσοτικοποίηση αλλαγών στις χρήσεις γης, διαχείριση και εκμετάλλευση υδατικών πόρων. Επιπρόσθετα, σημαντικό ρόλο δύναται να διαδραματίσει η τηλεπισκόπηση στην διαχείριση των υδατικών πόρων και ιδιαίτερα σε λιμναίες υδρολογικές λεκάνες, αφού παρέχει πληροφορίες σχετικά με την μεταβολή ακτογραμμών, διαθέσιμων επιφανειακών υδατικών αποθεμάτων και ποιοτικών χαρακτηριστικών των υδάτων σε χωρική και χρονική κλίμακα. Έτσι, οι αρμόδιοι διαχειριστικοί φορείς μπορούν να εκτιμούν άμεσα τις επιπτώσεις των διαχειριστικών σχεδίων που εφαρμόζονται και να προβαίνουν σε διορθωτικές επεμβάσεις, εφόσον αυτό κρίνεται αναγκαίο. Επίσης, πλήθος επιμέρους υδρολογικών παραμέτρων, αναγκαίων στην διαχείριση των υδατικών αποθεμάτων, μπορούν να ποσοτικοποιηθούν με την συνεισφορά τηλεμετρικών μεθόδων, όπως η εδαφική υγρασία, η εξατμισοδιαπνοή και η επιφανειακή απορροή. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε δορυφορική εικόνα Landsat, προκειμένου να αντληθούν στοιχεία που αφορούν στις χρήσεις γης της υδρολογικής λεκάνης της λίμνης Τριχωνίδας, στην καταγραφή της εδαφικής υγρασίας και των υπολιμναίων εκφορτίσεων νερού (πηγών) καθώς και στην καταγραφή της φυτοκάλυψης που δύναται να συμβάλλει στον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής και των αρδευτικών αναγκών της περιοχής.

Μεθοδολογία Για την παραγωγή του χάρτη χρήσεων γης στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος αυτόματης ταξινόμησης δορυφορικών δεδομένων προκειμένου να πραγματοποιηθεί το πρώτο στάδιο της κατηγοριοποίησης των χρήσεων γης και έπειτα ακολούθησε το στάδιο της επιβλεπόμενης ταξινόμησης και οι διορθώσεις του χάρτη. Ο αλγόριθμος αυτός ονομάζεται ISODATA (Iterative Self-Organizing Data Analysis Technique) και χρησιμοποιείται ευρέως από την επιστημονική κοινότητα, ενώ έχει δοκιμαστεί σε πλήθος περιοχών και συνθηκών. Τα δεδομένα εισόδου στον αλγόριθμο, εκτός από την δορυφορική εικόνα είναι περιορισμένα και αφορούν τον αριθμό των επαναλήψεων του υπολογιστικού σταδίου και το ποσοστό σύγκλισης των μοναδιαίων περιοχών της εικόνας (εικονοστοιχεία) στις ομάδες ταξινόμησης. Ο χάρτης που παράχθηκε από την συγκεκριμένη διαδικασία συγκρίθηκε με παλαιότερους χάρτες χρήσεων γης της περιοχής αλλά και με σχετικά δεδομένα πεδίου και διορθώθηκε κατάλληλα στο πρόγραμμα Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών που χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας γενικότερα (ArcView. και Image Analysis). Στην συγκεκριμένη εργασία τα δορυφορικά δεδομένα επεξεργάστηκαν κατάλληλα έτσι ώστε να παραχθεί ένας ακριβής χάρτης φυτοκάλυψης που παρέχει λεπτομερή στοιχεία για την βλάστηση της περιοχής. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης:

NVDI=(DN(4)-DN(3))/(DN(4)+DN(3))

όπου NVDI: ο δείκτης φυτοκάλυψης, DN: η ψηφιακή καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε κάθε μοναδιαίο τμήμα της εικόνας και οι αριθμοί 4 και 3: οι φασματικές περιοχές της υπέρυθρης και κόκκινης ορατής ακτινοβολίας αντίστοιχα. Ο μαθηματικός αυτός τύπος εφαρμόστηκε σε κάθε μοναδιαίο τμήμα της εικόνας (εικονοστοιχείο) με την χρήση των λογισμικών ArcView και Image Analysis. Οι τιμές φυτοκάλυψης που παράγονται με την ανωτέρω μεθοδολογία κυμαίνονται από –1 για περιοχές χωρίς καθόλου βλάστηση (καλύπτονται κυρίως από νερά) έως 1 για περιοχές με πολύ υψηλό ποσοστό βλάστησης. Οι άγονες εκτάσεις, οι οικισμοί και οι δρόμοι παρουσιάζουν τιμές που τείνουν στο μηδέν. Ο χάρτης που δημιουργείται με την ανωτέρω διαδικασία είναι σε μορφή που μπορεί να εισαχθεί άμεσα σε μοντέλα προσομοίωσης του υδρολογικού κύκλου προκειμένου να διευκολυνθεί και να βελτιστοποιηθεί ο υπολογισμός της επιφανειακής απορροής καθώς και της εξατμισιδιαπνοής. Για τον εντοπισμό των θέσεων υπολίμνιων πηγών της λίμνης Τριχωνίδας χρησιμοποιήθηκε η εφαρμογή θερμικής χαρτογράφησης η οποία είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική. Συγκεκριμένα, οι δορυφορικές εικόνες Landsat, καταγράφουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία των υλικών σωμάτων σε διάφορες φασματικές περιοχές, χρησιμοποιώντας σχετικούς αισθητήρες που μετρούν την ένταση της ακτινοβολίας σε μια κλίμακα από 0 έως 255 μονάδες (ψηφιακός αριθμός, DN). Η μέτρηση αυτή πρέπει έπειτα να διορθωθεί με κατάλληλους συντελεστές και να μετατραπεί αρχικά σε μονάδες ακτινοβολίας (Watt/m2*sr*μm).

Αποτελέσματα

Δημιουργία χάρτη χρήσεων γης Μετά την εφαρμογή της προαναφερθείσας μεθοδολογίας στην περιοχή μελέτης παράχθηκε ο χάρτης χρήσεων γης της υδρολογικής λεκάνης της λίμνης Τριχωνίδας (εικόνα 1) και ποσοτικοποιήθηκε η έκταση κάθε κατηγορίας χρήσης γης (Πίνακας 1). Η ονοματολογία των κατηγοριών χρήσεως γης της περιοχής πραγματοποιήθηκε με την συνεισφορά των προϋπαρχόντων σχετικών χαρτών (ορθοφωτοχάρτες Υπ. Γεωργίας, 1:50.000) και επιτόπιων επισκέψεων. Ο πίνακας 1 υποδεικνύει ότι το μεγαλύτερο τμήμα της υδρολογικής λεκάνης καλύπτεται από γεωργικές καλλιέργειες (141,16 km2 – 34,94%), ενώ ακολουθούν τα δάση (137,04 km2 – 33,97%) και οι υδάτινες επιφάνειες (93,86 km2 –23,23%). Οι οικισμοί και οι άγονες εκτάσεις δεν καλύπτουν σημαντική έκταση της περιοχής μελέτης, αφού δεν ξεπερνούν το 8% της συνολικής έκτασης. Το μεγαλύτερο ποσοστό δασών αφορά δάση θαμνώνων αείφυλλων, πλατύφυλλων και δρυών (12,38% της περιοχής μελέτης), ενώ το μικρότερο ποσοστό δασών καλύπτεται από ελάτη (11.59% της περιοχής). Όσον αφορά τις γεωργικές εκτάσεις, χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες ανάλογα με το είδος της καλλιέργειας και το στάδιο ανάπτυξης τους, χαρακτηριστικά που δημιουργούν διαφορετικές ψηφιακές φασματικές υπογραφές στην δορυφορική εικόνα και καταγράφονται σε διαφορετικές κατηγορίες κατά την ανάλυση και επεξεργασία της. Η επιφάνεια νερού που αντιστοιχεί στην λίμνη Τριχωνίδα είναι σχετικά μειωμένη (93,86 km2), συγκριτικά με την μέση ετήσια επιφάνεια της λίμνης που πλησιάζει τα 96 km2, διότι η χρησιμοποιηθείσα δορυφορική εικόνα έχει καταγραφεί τον μήνα Οκτώβριο όταν η στάθμη της λίμνης Τριχωνίδας και επομένως και η έκταση της είναι στα χαμηλότερα επίπεδα του έτους. Επιπρόσθετα, οι οικισμοί εμφανίζονται στην ίδια κατηγορία με άγονες εκτάσεις και ιδιαίτερα με εκτάσεις που αντιστοιχούν στις κορυφές ορεινών όγκων που δεν καλύπτονται από βλάστηση, διότι οι ψηφιακές φασματικές υπογραφές των δύο αυτών κατηγοριών χρήσης γης είναι παραπλήσιες και έτσι ο συγκεκριμένος αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε δεν δύναται να τις διαχωρίσει. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκαν ορθοφωτοχάρτες του Υπ. Γεωργίας, προκειμένου να ψηφιοποιηθούν οι άγονες εκτάσεις και να αφαιρεθούν από τους σχετικούς υπολογισμούς της δορυφορικής εικόνας.