Παρακολούθηση υδάτων με χρήση τηλεπισκόπησης για την υποστήριξη διαχείρισης έκτασης ζιζανίων στη λίμνη Βικτόρια

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 19:29, 4 Μαρτίου 2012

Αντικείμενο – Στόχος

Αυτή η μελέτη στοχεύει στον έλεγχο της καταλληλότητας της τηλεπισκόπησης ως μεθόδου για την ενίσχυση της διαδικασίας διαχείρισης υδατικών πόρων και την παραγωγή οικονομικών μεθόδων για τη συλλογή ευρείας κλίμακας δεδομένων που σχετίζονται με το βαθμό εξάπλωσης ζιζανίων και οπτικών παραμέτρων που συνδέονται με την κατάσταση των υδατικών πόρων. Χρησιμοποιήθηκαν τηλεπισκοπικά δορυφορικά δεδομένα και βοηθητικά δεδομένα από το επίπεδο του εδάφους για την παραγωγή χαρτών κάλυψης γης, μέσω τεχνικών ταξινόμησης, και χάρτες σύστασης των υδάτων, εφαρμόζοντας μοντέλα ακτινοβολίας. Η συγκεκριμένη εργασία που προτάθηκε μέσα από το πλαίσιο της συνεργασίας του Ιταλικού Υπουργείου Εξωτερικών (μέσω του Πανεπιστημίου της Ρώμης) και Κενυατικών Αρχών πραγματοποιήθηκε στο Κενυατικό τμήμα της λίμνης Βικτώρια. Η λίμνη αυτή είναι ένας από τους μεγαλύτερους υδροφορείς του κόσμου, όπου κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι περιβαλλοντικές μεταβολές και η ανθρωπογενής δραστηριότητα διατάραξαν την ισορροπία της βιοποικιλότητας. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να οριστούν τα θεματικά προϊόντα που μπορούν να ανακτηθούν από δορυφορικές εικόνες, όπως χάρτες αφθονίας ζιζανίων και συγκεντρώσεων συστατικών των υδάτων. Τα προϊόντα αυτά, όταν παράγονται με την κατάλληλη συχνότητα, είναι χρήσιμα για την αναγνώριση προϋποθέσεων που συνεπάγονται εμφάνιση επικίνδυνων γεγονότων όπως ο ασυνήθης πολλαπλασιασμός μακρόφυτων και για την ανάπτυξη ενός ενημερωμένου συστήματος υποστήριξης το οποίο εφαρμόζεται για μια συνολική διαχείριση περιβαλλοντικών πόρων. Η Κένυα αντιμετωπίζει μία σειρά από κρίσιμα ζητήματα σχετιζόμενα με τη διαχείριση υδατικών πόρων, που περιλαμβάνουν την αύξηση του πληθυσμού, την έλλειψη νερού, τη μεταβλητότητα του κλίματος, την υποβάθμιση και τη μόλυνση των υδροφορέων και την εξαφάνιση ειδών. Ο πολλαπλασιασμός επιδημικών φυτών και ειδών ζώων στην επικράτεια, συμπεριλαμβανομένων ειδών ψαριών και υδρόβιων φυτών, αποτελεί ζήτημα ολοένα αυξανόμενης ανησυχίας. Πιο συγκεκριμένα, κάποια από τα προβλήματα που προέρχονται από την υπέρμετρη αύξηση υδρόβιων φυτών είναι ότι:

• Παρεμβαίνουν σε ανθρώπινες δραστηριότητες, όπως η αλιεία και η ναυτιλία
• Εμποδίζουν ή παρεμβαίνουν στην ισορροπία του πληθυσμού των ψαριών
• Συντελούν σε θανάτους ψαριών λόγω δημιουργίας αναερόβιων συνθηκών
• Συμβάλλουν στη δημιουργία ελών
• Εμποδίζουν τη ροή των υδάτων σε τάφρους αποστράγγισης

Τηλεπισκόπηση-Ιστορικό

Κατά τα τελευταία 30 χρόνια, έχουν αξιοποιηθεί πολλοί δορυφορικοί αισθητήρες για τη συγκέντρωση πληροφοριών για την κάλυψη γης και τη μελέτη της βιολογικής δραστηριότητας που σημειώνεται εντός των υδάτινων μαζών. Τα προϊόντα της τηλεπισκόπησης προσφέρουν πολλές νέες δυνατότητες σε μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της διαχείρισης των φυσικών πόρων, την εκτίμηση αποθεμάτων (π.χ. ζιζάνια), περιβαλλοντικών κινδύνων, τον χαρακτηρισμό της τοπικής πανίδας, και την παρακολούθηση της ποιότητας του νερού. Αρκετοί αισθητήρες χαρακτηρίζονται από φασματική και χωρική ανάλυση οι οποίες κατά κύριο λόγο αφορούν την εφαρμογή για τη χαρτογράφηση κάλυψης γης, ενώ μόλις λίγοι προσφέρουν έναν σωστό χωρικό-φασματικό συνδυασμό για να εξασφαλιστεί η φασματική διάκριση των διαφορετικών εδαφών και των ειδών βλάστησης. Διάφορες μελέτες (Cohen και Spies, 1992? Ekstrand, 1994? Gallant et al, 2005?. Wickham et al, 2004a, b?. Giri et al, 2003?.. Huang et al, 2003) ασχολούνται με την μελέτη της κάλυψης γης και τις ιδιότητες των δασών μέσω δορυφορικών δεδομένων με την εφαρμογή συμβατικών αλγορίθμων ταξινόμησης.

Τηλεπισκοπικά δεδομένα

Σε αυτή τη μελέτη τα δεδομένα ETM+ χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση και την αναγνώριση ειδών ζιζανίων, ενώ οι εικόνες ASTER (λόγω του μειωμένου αριθμού των διαθέσιμων φασματικών καναλιών) χρησιμοποιήθηκαν μόνο για την ανίχνευση της έκτασης που καλύπτουν τα φυτά στη λίμνη. Η υψηλή φασματική ανάλυση της εικόνας MERIS χρησιμοποιήθηκε για την ανάκτηση των συστατικών του νερού. (Πίνακας 1)

Η διάκριση των διαφόρων ειδών βλάστησης πραγματοποιήθηκε με τη χρήση 2 εικόνων ETM+ (17 Δεκεμβρίου, 1999 και 12 Μαΐου, 2001) οι οποίες διορθώθηκαν ατμοσφαιρικά με εφαρμογή λογισμικού 6S, ενώ οι εικόνες ASTER που ελήφθησαν κατά το διάστημα Σεπτεμβρίου 2002-Δεκεμβρίου 2006 χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της πρόσφατης μεταβολής της έκτασης που καλύπτεται από ζιζάνια. Επειδή το εύρος των εικόνων ASTER δεν αρκεί να καλύψει ολόκληρο τον κόλπο Winan, αναλύθηκαν δύο τμήματα του κόλπου, για τα οποία καλύφθηκαν από τουλάχιστον τέσσερις εικόνες ASTER. Δεδομένα από τον MERIS χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων του κόλπου Winam, με σκοπό να καθοριστούν οι συγκεντρώσεις των συστατικών στο νερό.

Χαρτογράφηση υδρόβιων ζιζανίων

Οι στόχοι της διαδικασίας χαρτογράφησης είναι η διάκριση ανάμεσα στα διάφορα είδη ζιζανίων που πλέουν στην επιφάνεια της λίμνης μέσω των φασματικών τους χαρακτηριστικών. Για αυτόν το σκοπό ορίστηκαν δύο βήματα της διαδικασίας. Το πρώτο βήμα αντιπροσωπεύεται από μια απλή παραμετρική ταξινόμηση (αλγόριθμος ελάχιστης απόστασης) , που εφαρμόστηκε στα δεδομένα για να αναγνωριστούν οι μεγάλες καλυμμένες επιφάνειες που αφορούν τον κόλπο Winam. Τα επιλεγμένα είδη επιφάνειας είναι:

• Αναδυόμενη παραποτάμια και πλεούμενη βλάστηση
• Διάσπαρτα πλεούμενα υλικά
• Νερό
• Έδαφος

Η διαδικασία κατάτμησης που εφαρμόστηκε στις εικόνες Landsat ETM+ και ASTER βοήθησε στην απομόνωση των πλεούμενων μακρόφυτων με σκοπό την ανάδειξη της εξέλιξης των ζιζανίων κατά τα τελευταία 6 χρόνια.

Κατά το δεύτερο βήμα οι εικόνες χωρίζονται σε κλάσεις και επιλέγεται η κλάση της πλεούμενης βλάστησης. Η κλάση αυτή αναλύθηκε για να διακριθούν τα διάφορα είδη ανάλογα με τη φασματική συμπεριφορά όπως παρατηρήθηκαν από την επιτόπια μελέτη. Για αυτόν το σκοπό εφαρμόστηκε μια ανάλυση σε υποεικονοστοιχεία για να εκτιμηθεί, για κάθε εικονοστοιχείο, τι ποσοστό του καθενός ανήκει σε διαφορετικά είδη ζιζανίων.

Χάρτες συστατικών των υδάτων

Οι χάρτες συγκεντρώσεων των συστατικών του νερού κατασκευάστηκαν με χρήση ενός βίο-οπτικού μοντέλου (καθορίζει τις οπτικές ιδιότητες των βασικών συστατικών του νερού και τις συνδέει με τις οπτικές ιδιότητες του σώματος του νερού) και ενός μοντέλου μεταφοράς ακτινοβολίας (το οποίο συνδέει τις οπτικές ιδιότητες του νερού με τη ραδιομετρία). Η ένωση των δύο μοντέλων επιτρέπει την εκτίμηση της ραδιομετρικής ποσότητας σε σχέση με την αφθονία των συστατικών των υδάτων και τις ιδιότητές τους ως προς την απορρόφηση και τη σκέδαση της ακτινοβολίας. Στη συνέχεια, μέσω μιας απλής αντίστροφης διαδικασίας, είναι δυνατό να ανακτηθούν τα ποσά των συγκεντρώσεων των συστατικών από μετρούμενες ραδιομετρικές ποσότητες. Έλεγχος μοντέλου

Τα διαφορετικά βήματα της επεξεργασίας των δεδομένων (ατμοσφαιρικές διορθώσεις και άλλες προεπεξεργασίες, επιτόπια επεξεργασία δεδομένων, παραμετροποίηση μοντέλου κλπ) δυσχεραίνουν την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την εκτίμηση της αβεβαιότητας των τελικών αποτελεσμάτων. Για αυτό το λόγο, πραγματοποιήθηκε μια σειρά από επιμέρους βήματα επικύρωσης-ελέγχου, τα οποία περιλαμβάνουν βιο-οπτικό και θεματικό έλεγχο.

• Έλεγχος προεπεξεργασίας

Η ατμοσφαιρική διόρθωση της εικόνας MERIS επικυρώθηκε με μέσω σύγκρισης με αντίστοιχες ποσότητες που μετρήθηκαν τοπικά μέσω ASD. Για την πραγματοποίηση της σύγκρισης, εξήχθη η μέση τιμή ένος τετραγώνου 3x3 εικονοστοιχείων, επικεντρωμένου στην περιοχή της επιτόπιας μέτρησης για να ληφθούν υπόψιν πιθανές τοπικές αναμίξεις υδάτων. Η διαφορά ανάμεσα στη μέτρηση από το επίπεδο του εδάφους και στην ένδειξη του δορυφόρου θα μπορούσε πιθανόν να ευθύνεται για τη ατελή ταύτιση των συγκρινόμενων φασμάτων.

• Βιο-οπτικός έλεγχος

Επειδή δεν υπήρχε η δυνατότητα επιτόπιας μέτρησης των συντελεστών απορρόφησης και σκέδασης, ακολουθήθηκε ένα έμμεσο μοντέλο επικύρωσης, προσομοιώνοντας τις μετρούμενες ραδιομετρικές ποσότητες με λογισμικό Hydrolight, χρησιμοποιώντας ως εισόδους τις οπτικές ιδιότητες των συστατικών των υδάτων και τις συγκεντρώσεις που μετρήθηκαν στο εργαστήριο. Τα προσομοιωμένα φάσματα συγκρίθηκαν με επιτόπιες μετρήσεις ραδιομετρικών ποσοτήτων. Ένας ανάλογος έμμεσος έλεγχος πραγματοποιήθηκε εφαρμόζοντας το αντίστροφο μοντέλο.

Συμπεράσματα

Η μέθοδος που περιγράφηκε εφαρμόστηκε, όπως προαναφέρθηκε, σε ένα τμήμα της λίμνης Βικτώρια της Κένυα (Κόλπος Winam), για την οποία η διαχείριση των υδατικών πόρων γίνεται μια σοβαρή πρόκληση λόγω της πληθυσμιακής αύξησης, της λειψυδρίας, της μεταβλητότητας του κλίματος και της υποβάθμισης των υδατικών πόρων και της ρύπανσης των υδάτων. Ένα κατάλληλο σύστημα ταξινόμησης που εφαρμόστηκε σε ένα ζευγάρι εικόνων ΕΤΜ, λαμβάνοντας υπόψη τα φασματικά δεδομένα που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια του 2004, επιτρέπει τη διάκριση μερικών από τα υδρόβια φυτά που υπάρχουν στη λίμνη. Το απλοποιημένο μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας του νερού που εφαρμόστηκε σε μια εικόνα MERIS, η οποία ελήφθη κοντά στην περιοχή, επιτρέπει την εκτίμηση για τα συστατικά που υπάρχουν στα ύδατα. Η σύγκριση αυτών των πληροφοριών με τα αποτελέσματα από την ανάλυση των δειγμάτων νερού που συνελέγησαν κατά τη διάρκεια της εκστρατείας δείχνει μια γενικά καλή αντιστοιχία. Μια χρονοσειρά εικόνων ASTER επιτρέπει την ανάδειξη του πώς ο πολλαπλασιασμός των ζιζανίων στη λίμνη, μετά τις χαμηλές τιμές της περιόδου 2001-2004, ήταν υψηλός και άστατος κατά τα έτη 2005 και 2006. Μια χρονοσειρά εικόνων MERIS απαιτήθηκε επίσης για την ανάλυση της χρονικής διακύμανσης των της συγκέντρωσης των ρύπων του νερού ώστε να αποσαφηνιστεί η συσχέτιση μεταξύ της διάδοσης των ζιζανίων και των συστατικών του νεού. Αυτό θα μπορούσε να να είναι μέρος μιας επόμενης μελέτης. Παρ’όλα αυτά, τα αποτελέσματα, επιβεβαιώνουν ότι οι περιοχές με υψηλή συγκέντρωση των ιζημάτων ταιριάζουν με την εμφάνιση ζιζανίων. Αφότου αποκτηθούν σημαντικά δορυφορικά δεδομένα, γίνεται σαφές ότι ο ρόλος αυτών των πληροφοριών μπορεί να είναι εξαιρετικά σημαντικός στην υποστήριξη ενός συστήματος λήψης αποφάσεων για τη διαχείριση των υδατικών πόρων. Επιπλέον, η αντανάκλαση στο περιβάλλον οποιασδήποτε δράσης που έχει αναληφθεί για τον περιορισμό της υποβάθμισής του μπορεί να ελεγχθεί με έναν σχετικά απλό και οικονομικό τρόπο.