Επίδραση Κλίμακας στη Μέτρηση Υδατικών Παραμέτρων και Παραμέτρων Βλάστησης με Τεχνικές Τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 19:07, 3 Απριλίου 2010

Θωμάς Α. (2003). Επίδραση Κλίμακας στη Μέτρηση Υδατικών Παραμέτρων και Παραμέτρων Βλάστησης με Τεχνικές Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Διδακτορική Διατριβή που υποβλήθηκε στο Τμήμα Γεωπονίας του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης Τομέας Έγγειων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής

Αντικείμενο της διατριβής

Τα αντικείμενα αυτής της μελέτης εστιάστηκαν στην επίδραση που έχει η αλλαγή της κλίμακας μέτρησης και της γεωγραφικής κλίμακας στην καταγραφή διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων. Οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι ο δείκτης βλάστησης NDVI (παράμετρος βλάστησης), η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (υδατική παράμετρος) και οι δείκτες λογιστικής ύδατος (συνδυασμός προηγούμενων παραμέτρων). Επίσης, η μελέτη κατευθύνθηκε στη διερεύνηση μεθόδων βελτίωσης της χωρικής διακριτικής ικανότητας παραγόμενων εικόνων (κλίμακα μέτρησης), και στην αποτίμηση μιας νέας προτεινόμενης μεθόδου. Ως περιοχή μελέτης των παραπάνω αντικειμένων επιλέχθηκε η περιοχή Zhanghe, της κεντρικής Κίνας. Είναι κυρίως αγροτική περιοχή, με ήπιο ανάγλυφο και αρδευόμενη έκταση 1.600.000 στρεμμάτων, περίπου. Ο κύριος τεχνητός ταμιευτήρας έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει τις αρδευτικές ανάγκες της περιοχής, ενώ με την πάροδο του χρόνου, περισσότερο νερό χορηγείται σε άλλες χρήσεις, όπως η βιομηχανική και η αστική. Ωστόσο, η παραγωγικότητα των αγρών σε ρύζι αυξάνει, γεγονός που αποδίδεται στις βελτιωμένες ποικιλίες που εισήχθησαν, στις τεχνικές άρδευσης εναλλασσόμενου υγρού-ξηρού κύκλου (alternate wet – dry irrigation), και στους δεκάδες χιλιάδες μικρότερους ταμιευτήρες που έχουν δημιουργήσει οι παραγωγοί για την κατακράτηση του νερού της βροχής και της επιφανειακής απορροής. Συνεπώς, το αρδευτικό σύστημα της περιοχής παρουσιάζει ιδιαίτερη πολυπλοκότητα, καθιστώντας τη μελέτη του ιδιαίτερα δύσκολη εργασία.

Σκοπός της διατριβής

Στην παρούσα διατριβή αρχικά διερευνώνται οι νεότερες εξελίξεις της επιστήμης της τηλεπισκόπησης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών, ως εργαλεία συλλογής πληροφοριών, σχετικών με τη καταγραφή της βλάστησης και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής.

1.Αρχικός σκοπός είναι η εξέταση του παράγοντα κλίμακα μέσα από τις εξειδικευμένες εφαρμογές τηλεπισκόπησης και GIS και ειδικότερα η διερεύνηση της επίδρασης αλλαγής κλίμακας και η υπόδειξη της βέλτιστης κλίμακας μέτρησης υδατικών παραμέτρων και παραμέτρων βλάστησης στην περιοχή μελέτης.

2. Επίσης, δευτερογενής σκοπός είναι η διερεύνηση των μεθόδων βελτίωσης της διακριτικής ικανότητας (βελτίωση κλίμακας μέτρησης), η παρουσίαση μιας νέας, απλής μεθόδου βελτίωσης διακριτικής ικανότητας των παραγόμενων χαρτών ψηφιδωτού τύπου και η αξιολόγησής της. Η μέθοδος αυτή στοχεύει στη βελτίωση της κλίμακας μέτρησης χρησιμοποιώντας υψηλής διακριτικής ικανότητας εικόνες, χωρίς να μεταβληθούν οι περιγραφικές στατιστικές και η γεωγραφική κατανομή της μεταβλητής που απεικονίζεται στην αρχική εικόνα.

Για την επίτευξη του πρώτου σκοπού, η έρευνα επικεντρώθηκε στα παρακάτω:

• Διερεύνηση των διαφορών κατά τον υπολογισμό του δείκτη βλάστησης NDVI από τρεις διαφορετικούς δορυφόρους διαφορετικής κλίμακας. Απόδοση των διαφορών αυτών σε παράγοντες τεχνικούς, φασματικούς και κλίμακας, και υπόδειξη της βέλτιστης κλίμακας μέτρησης του δείκτη βλάστησης. • Διερεύνηση των διαφορών κατά την αλλαγή κλίμακας μέτρησης σε χάρτη πραγματικής ημερήσιας εξατμισοδιαπνοής, υπολογισμένο μέσω τηλεπισκόπησης. Υπολογισμός της βέλτιστης κλίμακας μέτρησης της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής. • Υπολογισμός δεικτών λογιστικής ύδατος σε διάφορες γεωγραφικές κλίμακες και διερεύνηση της επίδρασης αλλαγής κλίμακας.

Για την επίτευξη του δεύτερου σκοπού, ακολουθήθηκαν τα παρακάτω βήματα:

• Εφαρμογή της νέας μεθόδου καθώς και μίας προϋπάρχουσας μεθόδου σε παραγόμενο χάρτη εποχιακής εξατμισοδιαπνοής. • Σύγκριση των αποτελεσμάτων και αξιολόγηση της νέας μεθόδου.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν είναι διαχρονικές δορυφορικές εικόνες, αλλά και μετρήσεις πεδίου, που προέρχονται από άλλες μελέτες. Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν είναι μέσης (Landsat 7 ETM+) και χαμηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας (Terra MODIS και NOAA AVHRR), οι οποίες είναι χαμηλού ή μηδενικού κόστους, αντίστοιχα. Χαρακτηριστικό των προηγουμένων δορυφορικών απεικονιστών είναι η παρουσία κατάλληλων φασματικών καναλιών για την καταγραφή της βλάστησης, της ανάπτυξης βιομάζας και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής.

Ψηφιακές επεξεργασίες

Ο έλεγχος της γεωγραφικής διακύμανσης της εικόνας και η ανάλυση της υφής είναι οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επίδρασης αλλαγής κλίμακας μέτρησης. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της βέλτιστης κλίμακας, που ορίζεται σαν το επίπεδο κλίμακας μέτρησης που περιγράφει επαρκώς το υπό μελέτη χαρακτηριστικό (μέγιστη μεταβλητότητα), χωρίς περίσσεια δεδομένων (άσκοπη υψηλή ανάλυση). Οι αναλύσεις αυτές εφαρμόστηκαν σε εικόνες δείκτη βλάστησης NDVI τριών δορυφορικών απεικονιστών, καθώς και σε εικόνα πραγματικής εξατμισοδιαπνοής προέλευσης Landsat ETM+, έχοντας δημιουργήσει τεχνητά επίπεδα κλίμακας μέτρησης (πυραμίδες εικόνων). Συγκρίνοντας τα δύο αποτελέσματα παρατηρείται ότι τα διάφορα χαρακτηριστικά απαιτούν διαφορετική κλίμακα μέτρησης για την καλύτερη μελέτη τους, που αντιστοιχεί για την περιοχή μελέτης σε μέγεθος εικονοστοιχείου 120-240μ. Επίσης, παρατηρείται διαφοροποίηση του επιπέδου βέλτιστης κλίμακας σε διαφορετικούς τύπους εδαφικής κάλυψης.

Σημαντικό βήμα για τον έλεγχο της κατανάλωσης νερού και εν τέλει για τον υπολογισμό μιας σημαντικής παραμέτρου του υδρολογικού κύκλου, είναι η εκτίμηση της συνολικής εξατμισοδιαπνοής μιας μακράς χρονικής περιόδου. Η εποχιακή εξατμισοδιαπνοή της καλλιεργητικής περιόδου του ρυζιού υπολογίστηκε με την ολοκλήρωση προσομοιωμένων εικόνων καθημερινής πραγματικής εξατμισοδιαπνοής, χρησιμοποιώντας πέντε εικόνες NOAA AVHRR και μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤο) από μετεωρολογικά δεδομένα.

Συνδυάζοντας τα συμπεράσματα των προηγούμενων παραγράφων, προέκυψε η ανάγκη βελτίωσης της χωρικής διακριτικής ικανότητας της εικόνας εποχιακής εξατμισοδιαπνοής και της εικόνας συνολικής παραγωγής ορυζώνων σε επίπεδο 120 μ. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος, η τροποποιημένη μέθοδος Brovey, η οποία διατηρεί αναλλοίωτες τις στατιστικές τιμές της πρωτογενούς εικόνας. Τα αποτελέσματά της συγκρίθηκαν, ως προς τη φασματική και χωρική ακρίβειά τους, με τα αποτελέσματα μια άλλης μεθόδου βελτίωσης χωρικής διακριτικής ικανότητας.

Έλεγχος της επίδρασης αλλαγής γεωγραφικής κλίμακας (μεταβαλλόμενη έκταση της περιοχής μελέτης) μελετήθηκε σε συνδυασμό με τον υπολογισμό των δεικτών λογιστικής ύδατος (water accounting indicators), οι οποίοι είναι βελτιωμένοι δείκτες απόδοσης αρδευτικών συστημάτων και υδρολογικών λεκανών. Η αλλαγή γεωγραφικής κλίμακας μελετήθηκε από το επίπεδο του αγρού (λιγότερο από ένα εκτάριο), μέχρι το επίπεδο ολόκληρης της αρδευτικής περιοχής (μισό εκατομμύριο εκτάρια περίπου).

Διάγραμμα ροής μεθοδολογίας

Σημαντικά αποτελέσματα

Η επίδραση αλλαγής της γεωγραφικής κλίμακας εξετάστηκε σε τέσσερις δείκτες λογιστικής ύδατος, οι οποίοι χρησιμοποιούν σαν δεδομένα εισόδου υδατικές και βλαστικές παραμέτρους. Οι τιμές των τριών δεικτών μεταβλήθηκαν σημαντικά με την αλλαγή του μεγέθους της μελετώμενης περιοχής. Αυτές οι μεταβολές εξηγήθηκαν βάσει της έντονης επαναχρησιμοποίησης του νερού, που είναι μια χαρακτηριστική τεχνική που χρησιμοποιούν οι αγρότες της περιοχής μελέτης.

Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη την παραπάνω εξάρτηση από την κλίμακα, συμπεραίνεται ότι η βέλτιστη κλίμακα μέτρησης θα πρέπει πρώτα να επιλεχθεί για τη μελέτη κάποιου χαρακτηριστικού της περιοχής μελέτης, πριν γίνει οποιαδήποτε περαιτέρω ανάλυση.

Επιπρόσθετα, συμπεράσματα που συνάγονται σε μία γεωγραφική κλίμακα, δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε μία άλλη, εφόσον τα υπό μελέτη χαρακτηριστικά δεν είναι ανεξάρτητα κλίμακας.

Η βέλτιστη κλίμακα μέτρησης, που ορίζεται ως το επίπεδο κλίμακας όπου περιγράφεται ικανοποιητικά το υπό μελέτη χαρακτηριστικό χωρίς περίσσεια δεδομένων, υποδεικνύεται για τις παραμέτρους βλάστησης και τις υδατικές παραμέτρους στην περιοχή μελέτης. Συγκεκριμένα, η βέλτιστη κλίμακα για την παρατήρηση βλάστησης μέσω εικόνων NDVI βρέθηκε ίση με 250μ, ενώ η βέλτιστη κλίμακα για την παρατήρηση της χρήσης νερού μέσω εικόνων πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) βρέθηκε 120 έως 240μ. Αυτή η τάση για ομοιότητα εξαρτάται κυρίως από το χωρικό πρότυπο των υπό μελέτη παραμέτρων. Είναι πιθανόν να οφείλεται στο περιορισμένο και πολλές φορές σταθερό σχήμα των αρδευόμενων ορυζώνων των χαμηλών περιοχών, που κυριαρχούν στην περιοχή. Πιο σίγουρα συμπεράσματα θα δίνονταν αν η ανάλυση γινόταν σε πιο λεπτομερή επίπεδα κλίμακας, λαμβάνοντας μικρότερα διαστήματα μεταξύ των επιπέδων των πυραμίδων δεδομένων.

Όπως αναφέρθηκε η βέλτιστη κλίμακα μέτρησης θα έπρεπε να μην αποκλίνει σημαντικά από τη λειτουργική κλίμακα, η οποία είναι η κλίμακα που πρέπει να αναλύεται η κάθε διαδικασία, ώστε να αποφεύγεται η επίδραση άλλων διαδικασιών. Στην παρούσα εργασία η λειτουργική κλίμακα δεν εντοπίστηκε με ακρίβεια, καθώς έγιναν λίγες μόνο παρατηρήσεις στο πεδίο ορισμού της συνεχούς μεταβλητής «κλίμακα». Ωστόσο, ακόμη κι αν πραγματοποιούνταν πιο πυκνές παρατηρήσεις, τα συμπεράσματα δεν θα ήταν πρακτικά αξιοποιήσιμα, μια και είναι διαθέσιμα δεδομένα συγκεκριμένων επιπέδων κλίμακας μόνο.

Αποτίμηση της μεθόδου βελτίωσης κλίμακας

Για την βελτίωση της κλίμακας μέτρησης της εποχιακής εξατμισοδιαπνοής (ETs) χρησιμοποιήθηκε μια νέα τροποποιημένη μέθοδος, καθώς και μία άλλη που είχε ήδη εφαρμοστεί σε παρόμοιες μελέτες. Και ο δύο μέθοδοι χρησιμοποίησαν το λεπτομερές χωρικό πρότυπο της υψηλής διακριτικής ικανότητας εικόνας Landsat 7 ETM+, ενώ στόχος ήταν να διατηρηθεί σταθερή η μέση τιμή του νερού που εξατμίστηκε και να βελτιωθεί η εκτίμηση του συνολικού όγκου του. Η μέθοδος που επιλέχθηκε παράγει μια εικόνα χαμηλής οπτικής αξίας, λόγω της «τετραγωνισμένης» εμφάνισης. Ωστόσο, η τοπική κατανομή της ETs είναι σωστότερη, καθώς βασίστηκε στην επανακατανομή του νερού εξατμισοδιαπνοής που υπολογίστηκε σε επίπεδο 1,21 km2, σε μια πιο λεπτομερή χωρική διακριτική ικανότητα. Περιορίζεται όμως από το επίπεδο που μια εικόνα ETa είναι αντιπροσωπευτική για την ETs όλης της καλλιεργητικής περιόδου. Χρήση περισσότερων εικόνων υψηλής διακριτικής ικανότητας θα βελτίωνε την ποιότητα του αποτελέσματος, αλλά με ταυτόχρονη αύξηση του κόστους.

Περιορισμοί και περαιτέρω έρευνα

Η ύπαρξη μετεωρολογικών δεδομένων από περισσότερες θέσεις, διάσπαρτες στην περιοχή μελέτης, θα βοηθούσε στην ακριβέστερη εκτίμηση της ETa, της ETs και της παραγωγής ρυζιού με τις μεθόδους τηλεπισκόπησης και GIS που χρησιμοποιήθηκαν. Επίσης, η ανεπάρκεια μετρήσεων πεδίου περιόρισε σημαντικά τις προσπάθειες επιβεβαίωσης των προαναφερθέντων μεθόδων. Επιπλέον, μια πηγή ανασφάλειας κατά την εκτίμηση της ETa με το μοντέλο SEBAL, η οποία προκύπτει από τη χρήση δορυφορικών δεδομένων μίας χρονικής στιγμής (της στιγμής λήψης της εικόνας) για τον υπολογισμό της ETa ενός 24ώρου, δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί εφόσον δεν υπάρχει διαθέσιμος απεικονιστής που να λαμβάνει δεδομένα υψηλής διακριτικής ικανότητας στο θερμικό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος το μεσημέρι, όταν παρατηρείται το μέγιστο της λανθάνουσας θερμότητας. Παρόλους τους περιορισμούς, βελτίωση των αποτελεσμάτων των αναλύσεων κλίμακας θα παρατηρούνταν μόνο στο βαθμό που θα επηρεάζονταν η χωρική κατανομή των παραπάνω παραμέτρων. Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να επικεντρωθεί στην επιβεβαίωση της προτεινόμενης βέλτιστης κλίμακας. Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί έχοντας δεδομένα «εργαστηρίου», δηλαδή εικόνες με ελεγχόμενη χωρική δομή. Εκτός από τη μελέτη της κλίμακας στο πεδίο ορισμού του χώρου, μελλοντικές εργασίες θα μπορούσαν να εξετάσουν τη χρονική κλίμακα και να καθορίσουν τη βέλτιστη συχνότητα παρατήρησης ενός φαινομένου σε μια περιοχή. Λαμβάνοντας μάλιστα υπόψη την διαθεσιμότητα δορυφόρων που παρέχουν καθημερινή κάλυψη μιας περιοχής (ΝΟΑΑ, Terra, Aqua, μετεωρολογικοί), προκύπτει η χρησιμότητα αυτής της διερεύνησης.