Τηλεπισκόπηση της ποιότητας των επιφανειακών υδάτων σε σχέση με τη κατάσταση της λεκάνης απορροής στη Ζιμπάμπουε

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 08:07, 18 Δεκεμβρίου 2017

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση της ποιότητας των επιφανειακών υδάτων σε σχέση με τη κατάσταση της λεκάνης απορροής στη Ζιμπάμπουε

Πρωτότυπος Τίτλος: 'Remote sensing of surface water quality in relation to catchment condition in Zimbabwe'

Συγγραφείς: Mhosisi Masocha, Amon Murwira , Christopher H.D. Magadza , Rafik Hirji , Timothy Dube

Πηγή:Physics and Chemistry of the Earth 100 (2017) 13-18 [1]

Λέξεις Κλειδιά: Υποβάθμιση κατακρήμνισης,Landsat 8,NDVI,Ολικά αιωρούμενα στερεά

Περίληψη:
Ένα σύγχρονο πρόβλημα είναι η υποβάθμιση των λεκανών απορροής που επηρεάζει την ποιότητα των υδάτων στις τροπικές χώρες. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ο Δείκτης βλάστησης διαφοράς (NDVI) για να εκτιμηθείο τρόπος με τον οποίο η κατάσταση της λεκάνης απορροής ποικίλλει εντός και πέρα από τον ποταμό απορροφήσεις στη Ζιμπάμπουε. Έπειτα έγινε χρήση μη γραμμικής παλινδρόμησης για τον έλεγχο της κατάστασης της λεκάνης απορροής, που με βάση τον NDVI μετρούνται τα επίπεδα των ολικών αιωρούμενων στερεών(TSS) στην λεκάνη απορροής στην Ζιμπάμπουε. Τα αποτελέσματα έδειξαν το α να έχει αρνητική καμπυλόγραμμη μεταξύ του NDVI και του TSS. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το NDVI προέρχεται από ελεύθερα και εύκολα διαθέσιμα δεδομένα πολυφασματικών σειρών Landsat (Landsat 8). Συνολικά, η διαπίστωση αυτής της μελέτης υπογραμμίζει τη χρησιμότητα των διαθέσιμων δορυφορικών δεδομένων για την σχεδόν πραγματική παρακολούθηση της φυσικής ποιότητας των υδάτων σε κλίμακα λεκάνης απορροής ποταμού, ιδιαίτερα στο περιοχών περιορισμένων πόρων, όπως η υποσαχάρια Αφρική.

Εισαγωγή:
Σε ορισμένες χώρες, η υποβάθμιση της λεκάνης απορροής είναι ένα τοπικό πρόβλημα αλλά στην Ζιμπάμπουε, το πρόβλημα αυτό είναι ευρέως διαδεδομένο και πλήττει μεγάλα τμήματα του η χώρα. Κατά την τελευταία δεκαετία, οι πόροι γλυκού νερού της Ζιμπάμπουε περιλαμβάνουν ένα δίκτυο ποταμών, φραγμάτων, λιμνών, υγροτόπων, και έτσι οι υδροφορείς, έχουν υποστεί μεγάλη πίεση, λόγω της αύξηση των ρυπογόνων φορτίων. Αυτό το γεγονός οφείλεται στην αύξηση του πληθυσμού, την διάσπαση των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων, στις οικονομικές δυσκολίες της χώρας, στις αλλαγές της χρήσης γης, καθώς και στην υποβάθμιση των φυσικών συστημάτων. Τα τελευταία χρόνια, η ποιότητα του νερού μειώνεται προκαλώντας ασθένειες. Η ανίχνευση έχει την δυνατότητα να παράσχει αποτελεσματική μέθοδο που σχετίζεται με τις αλλαγές της κατάστασης των λεκανών απορροής με την ποιότητα των επιφανειακών υδάτων σε μεγάλες χωρικές κλίμακες. Η θετική σχέση που έχει διαμορφωθεί μεταξύ δορυφορικών δεικτών βλάστησης, και ιδίως των τυποποιημένων δείκτης βλάστησης (NDVI) και κάλυψη βλάστησης, κάνει αυτό το δείκτη ένα ελπιδοφόρο εργαλείο για την ταχεία συνύπαρξη χαρακτηρισμός. Με την τηλεπισκόπησης, παρακολουθείται η κάλυψη της βλάστησης που είναι η προτιμότερη ένδειξη της κατάστασης της λεκάνης απορροής, διότι υπάρχουν πολλοί δορυφόροι παρατηρητές όπως ο Landsat 8, που παρέχουν συχνά πολυφασματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον υπολογισμό του Δείκτης βλάστησης διαφοράς NDVI κατά τρόπο απλό. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα της χρήσης του NDVI είναι ότι η αξία του αντανακλά στην αλληλεπίδρασης πολλών παραγόντων, όπως η χρήση γης και το κλίμα, τα οποία επηρεάζουν την ποιότητα των υδάτων. Επίσης, όσο πιο προστατευμένη είναι η λεκάνη απορροής, τόσο υψηλότερη είναι η κάλυψη της βλάστησης και τόσο υψηλότερη η μέση τιμή NDVI. Το TSS αντιπροσωπεύει την φυσική ποιότητα του νερού και συσχετίζεται με τις παραμέτρους που μελετούν την ποιότητας νερού, όπως η θολερότητα και το βάθος secchi, καθιστώντας το ένα σημαντικό μέσο φυσικής ποιότητας νερού .Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα της χρήσης του TSS είναι ότι είναι ευαίσθητο σε αλλαγές στην κάλυψη της βλάστησης από τις οποίες μπορεί εύκολα να μετρηθεί ο χώρος.

Υλικά και μέθοδοι- Κανονικοποιημένη απόκτηση δεδομένων δείκτη βλάστησης διαφοράς
Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχτηκε κατάλληλα ο NDVI γιατί δορυφορικά ο δείκτης βλάστησης θεωρήθηκε κατάλληλος αφού η απορρόφηση της υγιής βλάστησης στο φως είναι στην κόκκινη περιοχή, ενώ αντανακλάει στο κοντινό υπέρυθρο περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το NDVI υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τις κόκκινες και τις υπέρυθρες ζώνες του πρόσφατα εγκατεστημένου Landsat 8,πολυφασματικές εικόνες που αποκτήθηκαν στη Ζιμπάμπουε .Το NDVI υπολογίστηκε μετά τον Tucker (1979) ως εξής: NDVI=(pNIR – pR) / (pNIR +pR)

Αποτελέσματα Διακύμανση της κατάστασης της λεκάνης απορροής
Η κατάσταση της λεκάνης απορροής ποταμού με βάση τον NDVI ποικίλλει μεταξύ των 32 επιμέρους λεκανών απορροής που συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη .Από το Σχήμα 2 παρατηρούμε ότι το NDVI είναι υψηλότερο στο βρεγμένο υπο-λεκάνες απορροής Mazowe και Manyame σε σύγκριση με το στεγνές υπο-λεκάνες απορροής των Sanyati και Runde. Για παράδειγμα, στο υγρές υπο-λεκάνες απορροής Mazowe και Manyame NDVI είναι γύρω 0,8 ενώ στις ξηρότερες υπογειακές λεκάνες της Sanyati και της Runde NDVI είναι περίπου 0,4.

Εικόνα 1. Χωρικές μεταβολές της κατάστασης της λεκάνης απορροής υπολογίζονται τον  (NDVI) στις 32 υποζώνες της Ζιμπάμπουε που έχουν υποβληθεί σε δειγματοληψία.

Η σχέση μεταξύ NDVI και ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS)
Στη εικόνα 2 παρατηρούμε μια αρνητική καμπυλόγραμμη σχέση μεταξύ του TSS και του NDVI στις υποζώνες ξηράνσεως της Mzingwane και τις λεκάνες απορροής του Sanyati, καθώς και στις υγρότερες υπογιανώσεις των λεκανών Mazowe και Manyame. ΣτιςMzingwane και Sanyati NDVI εξηγεί το 98% της διακύμανσης στο TSS, ενώ στις λεκάνες Mazowe και Manyame αποκαλύπτει το NDVI Το 64% της διακύμανσης στο TSS. Περαιτέρω παρατηρήστε ότι για τις χαμηλές βροχοπτώσεις (Mzingwane και Sanyati), μια τιμή NDVI περίπου 0,41 σηματοδοτεί τη μετάβαση κάτω από το οποίο το TSS μειώνεται ταχέως με το NDVI. Πάνω από αυτό το όριο TSS μειώνεται σταδιακά καθώς αυξάνεται το NDVI.

Εικόνα 2. Σχέση μεταξύ του NDVI που προέρχεται από Landsat και του μετρημένου πεδίου TSS για (α) τις λεκάνες απορροής Mzingwane και Sanyati και (β) τις λεκάνες Mazowe και Manyame. Η καλύτερη εφαρμογή Εμφανίζεται η μη γραμμική παλινδρόμηση. Οι κατακόρυφες διακεκομμένες γραμμές απεικονίζουν τα σημεία κλίσης της κατάστασης της λεκάνης απορροής στο NDVI = 0,425 στις λεκάνες Mzingwane και Sanyati και NDVI = 0,416 στις λεκάνες Mazowe και Manyame.

Συμπεράσματα
Η μελέτη αυτή αποσκοπούσε στον έλεγχο της κατάστασης του ποταμού που εκτιμάται με τη χρήση εξ αποστάσεως NDVI, που σχετίζεται με τα TSSπου μετρήθηκαν σε 32 σημεία δειγματοληψίας τέσσερις λεκάνες απορροής της Ζιμπάμπουε. Το γενικό συμπέρασμα είναι ότι η κατάσταση της λεκάνης απορροής υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το NDVI που ανιχνεύεται εξ 'αποστάσεως (a=0.05) εξηγεί τα επίπεδα του TSSστις λεκάνες απορροής. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια σταθερή αρνητική καμπυλόγραμμη σχέση μεταξύ του Landsat 8 προερχόμενα από NDVI και TSS σε όλες τις λεκάνες απορροής της Ζιμπάμπουε. Τα αποτελέσματα έδειξαν περαιτέρω ότι το 98% της μεταβολής στο TSS είναι εξηγείται από το NDVI στις λεκάνες στεγνωτηρίου. Τα αποτελέσματά λοιπόν αποδεικνύουν ότι το NDVI προέρχεται τα πολυφασματικά δεδομένα της σειράς Landsat (Landsat 8) και παρέχουν τα περισσότερα ελκυστικό σύνολο εργαλείων ή εναλλακτικό σύνολο δεδομένων που απαιτείται για την ταχεία αξιολόγηση της φυσικής ποιότητας των υδάτων σε φτωχές λεκάνες απορροής δεδομένων. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας για πρώτη φορά παρέχουν τις βασικές κατανόηση και έμπνευση για τους επιστήμονες τηλεπισκόπησης. τους διαχειριστές λεκάνης απορροής και τους εμπειρογνώμονες για την ποιότητα των υδάτων για να προχωρήσουν σε άλλες μελέτες, συμπεριλαμβανομένων των δεικτών βλάστησης που προέρχονται από δωρεάν και άμεσα από νέας γενιάς πολυφασματικών αισθητήρων στην παρακολούθηση των συνθήκες και της ποιότητας του νερού σε διαφορετικές χωρικές κλίμακες.