Εκτίμηση της ακριβούς εξατμισοδιαπνοής με τη χρήση Τηλεπισκόπησης: Εφαρμογή στον Κάμπο της Θεσσαλίας, Ελλάδα

Από RemoteSensing Wiki

---

Αναθεώρηση της 20:26, 10 Ιανουαρίου 2018

Estimation of Actual Evapotranspiration by Remote Sensing: Application in Thessaly Plain, Greece

Πρωτότυπος τίτλος: Estimation of Actual Evapotranspiration by Remote Sensing: Application in Thessaly Plain, Greece

Συγγραφείς: Alexia Tsouni, Charalabos Kontoes , Demetris Koutsoyiannis, Panagiotis Elias and Nikos Mamassis

Δημοσιεύθηκε: Sensors 2008, 8, 3586-3600; DOI: 10.3390/s8063586

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Ακριβής εξατμισοδιαπνοή, Τηλεπισκόπηση, NOAA-AVHRR εικόνες, FAO Penman-Monteith, Granger, Carlson-Buffum

Εισαγωγή

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για νερό, σε συνδυασμό με την μειωμένη διαθεσιμότητα, αποτελεί ένα κρίσιμο πρόβλημα. Άρα, υπάρχει σαφής ανάγκη για διαχείριση των υδάτινων πόρων. Η εξατμοδιαπνοή είναι ένα από τα βασικά μέρη του κύκλου του νερού και η σημασία της ακριβούς εκτίμησής της είναι μεγάλη, ωστόσο αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί στην πράξη επειδή η πραγματική εξατμισοδιαπνοή δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα και ποικίλλει σημαντικά στο χρόνο και στο χώρο. Η παρούσα μελέτη καταδεικνύει τη συμβολή της τηλεπισκόπησης στην εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής στον κάμπο της Θεσσαλίας.

Περιοχή μελέτης

Ο κάμπος της Θεσσαλίας (Εικόνα 1) επελέγη ως περιοχή μελέτης λόγω της σημασίας της για την ελληνική γεωργία και οικονομία. Βρίσκεται στην κεντρική Ελλάδα, στη λεκάνη απορροής του Πηνειού, τη μεγαλύτερη λεκάνη απορροής στην Ελλάδα με μέση ετήσια βροχόπτωση 779 mm και μέση ετήσια απορροή 327 mm. Είναι μια περιοχή εντατικής γεωργικής δραστηριότητας, όπου η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση των υδάτινων πόρων. Η καλοκαιρινή περίοδος (Ιούνιος έως Αύγουστος 2001) επιλέχθηκε ως περίοδος μελέτης, ώστε να εκτιμηθούν οι ανάγκες άρδευσης της πεδιάδας, της οποίας οι κύριες καλλιέργειες είναι το καλαμπόκι και το βαμβάκι. Η ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή εξετάσθηκε για 21 ημέρες ομοιόμορφα κατανεμημένη στο χρονικό πλαίσιο της μελέτης.

Δεδομένα

Μετεωρολογικά δεδομένα

Στην ευρύτερη περιοχή μελέτης λειτουργούν τρεις μετεωρολογικοί σταθμοί από την Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία: στη Λάρισα, τα Τρίκαλα και την Αγχίαλο. Ο σταθμός της Λάρισας είναι ο πιο αντιπροσωπευτικός και χρήσιμος για την αξιολόγηση των δεδομένων, αφού βρίσκεται στο κέντρο του κάμπου. Αντίθετα, ο σταθμός των Τρικάλων βρίσκεται στο δυτικό άκρο και ο σταθμός της Αγχιάλου βρίσκεται νότια, πολύ κοντά στη θάλασσα. Ως εκ τούτου, είναι δικαιολογημένο να αναμένεται ότι οι μετεωρολογικές μετρήσεις στις τελευταίες δύο θέσεις ποικίλλουν σημαντικά σε σχέση με τις πραγματικές μετρήσεις στο εσωτερικό. Για αυτούς τους λόγους, τα μετεωρολογικά δεδομένα των Τρικάλων και της Αγχιάλου ελήφθησαν υπόψη με μικρότερο βάρος από ότι της Λάρισας.

Δορυφορικά δεδομένα

Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν αποκτήθηκαν από την Εθνική Ωκεανική και Ατμοσφαιρική Διοίκηση (NOAA) του Ινστιτούτο Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Η αξία των δεδομένων των αισθητήρων NOAA-AVHRR για γεωργικές και υδρολογικές εφαρμογές έχει αναγνωριστεί ευρέως (Vidal and Perrier, 1989).

Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής

Επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων

Συνολικά, επεξεργαστήκαν 42 δορυφορικές εικόνες, καλύπτοντας 21 ημέρες από τους δορυφόρους NOAA-15 και NOAA-14. Η επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων περιλαμβάνει ραδιομετρικές βαθμονομήσεις, γεωμετρικές διορθώσεις και γεωαναφορά στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς 1987 (HGRS87, σύστημα εγκάρσιας προβολής Mercator). Όλες οι εξεταζόμενες μέθοδοι κάνουν χρήση του albedo, του δείκτη NDVI και της θερμοκρασίας της επιφάνειας. Το albedo υπολογίστηκε ως η μέση τιμή των κανονικοποιημένων ανακλάσεων στα ορατά κανάλια 1 και 2 των δορυφορικών εικόνων NOAA-AVHRR. Ο δείκτης NDVI υπολογίστηκε από τις κανονικοποιημένες ανακλάσεις στα κανάλια 1 και 2. Η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης εκτιμήθηκε με την τεχνική Split Window που χρησιμοποιεί τις πληροφορίες που μεταδίδονται στα θερμικά υπέρυθρα κανάλια 4 και 5 των δορυφορικών εικόνων NOAA-AVHRR, λαμβάνοντας υπόψη την μεταβλητότητα των συντελεστών εκπομπής. Η τεχνική Split Window επιτρέπει την ατμοσφαιρική διόρθωση, καθώς οι μετρήσεις στα κανάλια 4 και 5 επηρεάζονται διαφορετικά από την επίδραση της ατμόσφαιρας. Για να ληφθεί υπόψη και η εκπομπή των σημείων, έγινε χρήση του αλγόριθμου που εισήγαγε ο Kerr et al. (1992). Στην πράξη ο αλγόριθμος υπολογίζει για κάθε εικονοστοιχείο μια μέση εκπομπή, που εκτιμάται με την υπόθεση ότι αυτό το εικονοστοιχείο είναι ένα μείγμα γυμνού εδάφους και βλάστησης. Χρησιμοποιήθηκαν 3 μέθοδοι επεξεργασίας των δεδομένων:

Η Μέθοδος FAO Penman-Monteith

Η μέθοδος FAO Penman-Monteith είναι μια μέθοδος με ισχυρή πιθανότητα να προβλέψουμε σωστά την εξατμισοδιαπνοή σε ένα ευρύ φάσμα σημείων και κλιματικών συνθηκών.

Η Μέθοδος Carlson - Buffum

Η μέθοδος Carlson - Buffum υπολογίζει την ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή ETd από την ποσότητα της ημερήσιας επιφανειακής ενέργειας. Οι εξ αποστάσεως ανιχνευμένες τιμές albedo προέρχονται από τα κανάλια 1 και 2 των εικόνων NOAA. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην υπόθεση ότι η υγρασία του εδάφους και κατά συνέπεια η εξατμισοδιαπνοή είναι πιο εύκολο να υπολογιστεί το πρωί, μεταξύ 8:00 και 10:00.

Η Μέθοδος Granger

Η μέθοδος Granger υπολογίζει την ημερήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή εφαρμόζοντας ένα συμβατικό μοντέλο εξατμοδιαπερατότητας, στο οποίο εισάγονται δεδομένα εδάφους, καθώς και της καθαρής ακτινοβολίας. Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε δύο παραδοχές: i) οι δεσμοί ανατροφοδότησης μεταξύ της επιφάνειας και του υπερκείμενου αέρα είναι τέτοιοι, ώστε η παρατηρούμενη θερμοκρασία της επιφάνειας να είναι επαρκώς αξιόπιστος δείκτης της υγρασίας του αέρα και ii) η καθαρή ακτινοβολία μεγάλων μήκων κύματος, η οποία προέρχεται από την ενέργεια που της επιφάνειας και επομένως οι ημερήσιες τιμές της μπορούν να εκτιμηθούν από την εισερχόμενη ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος.

Αποτελέσματα

Η ημερήσια εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τις τρεις μεθόδους για 21 ημέρες. Eνδεικτικά, παρουσιάζονται τρεις εικόνες εξατμισοδιαπνοής για μια επιλεγμένη ημερομηνία (Εικόνα 2). Οι υπολογισμοί της ημερήσιας εξατμοδιαπνοής συνοψίζονται τόσο στον πίνακα 1 όσο και στην Εικόνα 3, για όλη τη διάρκεια της μελέτης και για τις τρεις μεθόδους που μελετήθηκαν.

Συζήτηση

Ο συνδυασμός δεδομένων εδάφους και τηλεπισκόπησης είναι εξαιρετικά σημαντικός σε περιοχές με ανεπαρκή επιτόπια δίκτυα παρακολούθησης. Η ακρίβεια των μεθόδων που εκτιμούν την περιφερειακή εξατμισοδιαπνοή αναμένεται να αυξηθεί ακόμη περισσότερο αν δεδομένα από διαφορετικούς δορυφορικούς αισθητήρες, με καλύτερη ραδιομετρική και χωρική ανάλυση, ενσωματωθούν και συνδυαστούν με τις εικόνες NOAA-AVHRR, όπως ο θεματικός χαρτογράφος LANDSAT, ο SPOT HRV ή δεδομένα αισθητήρα ASTER για την παραγωγή λεπτομερών χαρτών κάλυψης γης. Η μέθοδος Granger έχει ισχυρότερο θεωρητικό υπόβαθρο και ήταν πιο σταθερή σε σύγκριση με τη μέθοδο Carlson-Buffum. Ωστόσο, η μέθοδος Granger αποδείχθηκε ότι δεν ήταν αξιόπιστη στο πρώτο στάδιο ανάπτυξης των καλλιεργειών, όπου έδωσε πραγματικούς ρυθμούς εξάτμισης μεγαλύτερους από την μέθοδο FAO Penman-Monteith που θεωρείται το ανώτατο όριο (πιθανή εξατμισοδιαπνοή). Από την άλλη πλευρά, η μέθοδος Carlson-Buffum είναι απλούστερη και απαιτεί λιγότερα δεδομένα. Παρόλα αυτά, απαιτούνται δύο δορυφορικές εικόνες ημερησίως για τον υπολογισμό της ημερήσιας θερμοκρασίας. Συμπερασματικά, είναι προτιμότερο να γίνει σύγκριση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων ανά στάδιο ή ακόμη και ανά τμήμα ενός σταδίου ανάπτυξης της καλλιέργειας. Η μέθοδος Carlson-Buffum απέδωσε καλύτερα στην αξιολόγηση της ημερίσιας πραγματικής εξατμισοδιαπνοής κατά το πρώτο ήμισυ του σταδίου ανάπτυξης της καλλιέργειας, ενώ η μέθοδος Granger παρουσίασε καλύτερη απόδοση κατά τη διάρκεια του υπόλοιπου σταδίου ανάπτυξης και ολόκληρου του σταδίου ωρίμανσης. Συνεπώς, επειδή δεν υπάρχει προφανής βέλτιστη μέθοδος, συνιστάται και οι δύο μέθοδοι να εξεταστούν και να αναπτυχθούν περαιτέρω.

Συμβολή της Τηλεπισκόπησης

Η τηλεπισκόπηση μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της εκτίμησης της γεωγραφικής κατανομή της εξατμισοδιαπνοής και συνεπώς, της ζήτησης νερού σε μεγάλες καλλιεργούμενες περιοχές για σκοπούς άρδευσης και διαχείρισης βιώσιμων υδάτινων πόρων.