Νέα μέθοδος ανίχνευσης πλημμυρών με τη βοήθεια των τεχνικών της Τηλεπισκόπησης και της υδροχημείας.

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 10:11, 18 Φεβρουαρίου 2018

Νέα μέθοδος ανίχνευσης πλημμυρών με τη βοήθεια των τεχνικών της Τηλεπισκόπησης και της υδροχημείας.

Πρωτότυπος τίτλος: Flood mapping with remote sensing and hydrochemistry: A new method to distinguish the origin of flood water during floods

Συγγραφείς: J. Chormanskia, T. Okruszkoa, S. Ignara, O. Batelaanb, K.T. Rebeld, M.J. Wassend

Πηγή: Ecological Engineering 37, April 2011, 1334-1349

Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, Πλημμύρα, Πολώνια, Βλάστηση, Υδροχημεία

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Εικόνα 1. Ο χάρτης με την περιοχή μελέτης.

Εικόνα 2. Τα επίπεδα νερού που καταγράφηκαν στο σταθμό Burzyn κατά την περίοδο Δεκέμβριος 2001-Ιουλίος 2002.

Εικόνα 3. Οι περιοχές μελέτης για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση.

Εικόνα 4. Τα αποτελέσματα της επιβλεπόμενης ταξινόμησης της εικόνας Landsat για την άνοιξη του 2002.

Εικόνα 5. Σύγκριση των χαρτών πλημμυράς που λήφθηκαν με τις δύο μεθόδους (GPS και Τηλεπισκόπηση) για την άνοιξη του 2002.

Εικόνα 6. Η χωρική κατανομή των αποτελεσμάτων PCA στα τρία τμήματα της περιοχής μελέτης για την άνοιξη του 2002.

Εικόνα 7. Χωρική κατανομή των στοιχείων της χημείας.

Εικόνα 8. Ζώνες πλημμύρας σε σύγκριση με το γενικευμένο χάρτη βλάστησης.

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η εφαρμογή μιας νέας μεθόδου προσδιορισμού της έκτασης των πλημμυρών και της χωρικής κατανομής των διαφόρων πηγών κατά τη διάρκεια μιας πλημμύρας, χρησιμοποιώντας σύστημα προσδιορισμού θέσης, πολυφασματική τηλεπισκόπηση και υδροχημικές αναλύσεις. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι ο συνδυασμός της Τηλεπισκόπησης και των θεωριών της υδροχημείας είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την έγκυρη καταγραφή αυτών των φαινομένων με τελικό στόχο τη διαχείριση και προστασία των επηρεαζόμενων περιοχών.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ- ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η ένταξη της Τηλεπισκόπησης στη διαδικασία υπολογισμού της έκτασης των πλημμυρών και εύρεσης των διαφόρων πηγών κατά τη διάρκεια εκδήλωσης τέτοιων φαινομένων στο ποταμό Biebrza στην Πολωνία. Οι πλημμύρες των ποταμών είναι σημαντικές για την οικολογική λειτουργία των περιοχών επιρροής τους καθώς προστατεύουν την ενδοχώρα, καθαρίζουν το νερό διατηρώντας θρεπτικά συστατικά και μετατρέπονται σε γόνιμες περιοχές λόγω της αποσύνθεσης της οργανικής ύλης που κατατίθεται κατά τη διάρκεια μιας πλημμύρας. Η εκτίμηση αυτών των αλλαγών επομένως παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατύπωση σωστών στρατηγικών διαχείρισης, διατήρησης και προστασίας. Η περιοχή μελέτης επιλέχθηκε λόγω του γεγονότος ότι αποτελεί μια περιοχή στην οποία συμβαίνουν τεράστιες πλημμύρες κάθε άνοιξη, στις οποίες οι καταθέσεις τύρφης και η ποικιλία των σύγχρονων τύπων βλάστησης υποδεικνύουν διαφορετικές πηγές νερού.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Η περιοχή μελέτης στη συγκεκριμένη έρευνα είναι οι υγροβιότοποι κατά μήκος της κατώτερης περιοχής του ποταμού Biebrza στην Πολωνία. Είναι ένας ποταμός που δεν ρυθμίζεται εύκολα, οι ανθρώπινες παρεμβάσεις είναι ελάχιστες ως και μηδαμινές και η κοιλάδα του δεν περιέχει βάλτους και βοσκότοπους.Η λεκάνη απορροής του ποταμού Biebrza περιλαμβάνει περίπου 7000 km2 και η κοιλάδα έχει μέγεθος περίπου 1950 km2. Η κοιλάδα αποτελείται από τρείς λεκάνες, που ονομάζονται άνω, μέση και κάτω λεκάνη, με μέτρο διάκρισης τη γεωμορφολογία. Από αυτές τις λεκάνες επιλέχθηκε η κάτω που έχει έκταση 453 km2 και πλημμυρίζει σχεδόν κάθε χρόνο μετά την άνοιξη. Οι κορυφώσεις των πλημμυρών εμφανίζονται τον Μάρτιο και τον Απρίλιο και οι πλημμύρες παραμένουν μέχρι τα τέλη Μαΐου – αρχές Ιουνίου.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Προσέγγιση

Η μέθοδος που αναπτύχθηκε συνδυάζει τη χρήση του συστήματος εντοπισμού θέσεων (GPS) και της πολυφασματικής τηλεπισκόπησης (RS) για τη χαρτογράφηση της πλημμυρισμένης περιοχής, τη δειγματοληψία χημικών υδάτων και τεχνικών παρεμβολής για τη διάκριση των πηγών ύδατος, καθώς και τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών για την ανάλυση χωρικών μοτίβων.

Δεδομένα

Όσον αφορά την υδρολογία της περιοχής, τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή της έρευνας ήταν αρχικά τα στοιχεία ημερήσιας στάθμης νερού του ποταμού για δύο σταθμούς από την πολωνική υπηρεσία καιρού. Ο ένας ήταν στο Osowiec που βρίσκεται ακριβώς πριν από τη σύνδεση μεταξύ της μέσης και της κάτω λεκάνης και ο άλλος στο Burzyn που βρίσκεται στο χαμηλότερο άκρο του ποταμού κοντά στη συμβολή με τον ποταμό Narew. Ακόμα, διεξήχθησαν επιτόπιες μετρήσεις κατά τη διάρκεια τριών περιόδων: 21-24 Φεβρουαρίου, 9-11 και 15-16 Μαρτίου 2002, ενώ λήφθηκε η δορυφορική εικόνα για τις 17 Μαρτίου 2002. Σε αυτές τις μετρήσεις πάρθηκαν δεδομένα σχετικά με τα όρια της πλημμύρας (μέσω GPS), την ηλεκτρική αγωγιμότητα, την αλκαλικότητα και συλλέχθηκαν δείγματα των επιφανειακών υδάτων.

Όσον αφορά τα τηλεπισκοπικά δεδομένα, εφαρμόστηκαν παθητικοί αισθητήρες του ορατού και υπέρυθρου φάσματος για την ανίχνευση των πλημμυρών και χρησιμοποιήθηκε μια δορυφορική εικόνα του Landsat ETM+ (διαδρομή 187/ σειρά 23) για την ημερομηνία 17 Μαρτίου του 2002. Η εικόνα διορθώθηκε γεωμετρικά με μετασχηματισμό πολυωνύμου πρώτης τάξης με βάση 19 σημεία ελέγχου εδάφους (GCP). Τα επιλεγμένα GCP ήταν εύκολα αναγνωρίσιμα τόσο στη δορυφορική εικόνα όσο και στον τοπογραφικό χάρτη (1:25.000). Η εικόνα διορθώθηκε και καταχωρήθηκε στο Πολωνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Συντεταγμένων του 1965. Το υπολογιζόμενο μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE) ήταν περίπου 3 μέτρα. Ακόμα, η εικόνα υποβλήθηκε σε επαναδειγματοληψία με μέγεθος εικονοστοιχείου 25m χρησιμοποιώντας την τεχνική πλησιέστερη αναδειγματοληψίας.

Ανάλυση

Για την έκταση των πλημμυρών αρχικά υπολογίσθηκε ο λόγος υγρασίας TM7/TM4, ο δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI) και η πρώτη κύρια συνιστώσα. Στη συνέχεια, αφού επιλέχθηκαν οι περιοχές εκπαίδευσης πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη μέθοδο της μέγιστης πιθανότητας, ακολουθούμενη από τη διαδικασία συνένωσης παρόμοιων κατηγοριών με σκοπό τη βελτίωση των αποτελεσμάτων. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης ομαδοποιήθηκαν σε κατηγορίες υγρού και ξηρού εδάφους προκειμένου να ληφθεί η πλημμυρισμένη περιοχή. Η επαλήθευση της ταξινόμησης έγινε με τη μέτρηση των ορίων μέσω GPS. Η έκταση της πλημμύρας προσδιορίστηκε με χειροκίνητη παρεμβολή των μετρημένων σημείων ροής και με τη χρήση των γραμμών περιγράμματος του τοπογραφικού χάρτη.

Για τον προσδιορισμό των πηγών ύδατος υπολογίσθηκε η ιοντική ισορροπία για όλα τα δείγματα και οι άξονες μεταβολής. Τα αποτελέσματα των δειγμάτων των τριών πρώτων συνιστωσών PCA εισήχθησαν στο ArcGIS και συνδέθηκαν με τις γεωγραφικές συντεταγμένες όπως μετρήθηκαν με το GPS στο πεδίο. Οι χάρτες που πρόεκυψαν παρουσίαζαν τη χωρική κατανομή των τριών πρώτων βασικών συνιστωσών στην ποιότητα του νερού. Ακόμα, η ζώνη νερού του ποταμού προσδιορίστηκε με την ψηφιοποίηση των ορίων πλημμύρας στο ArcGIS. Τέλος, έγινε επαλήθευση για τις ζώνες διαφορετικών τύπων νερού συγκρίνοντάς με ένα χάρτη βλάστησης.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ

Από την ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας σε 12 διαφορετικές καλύψεις γης προέκυψε ότι η κατηγορία του ανοιχτού νερού καταλάμβανε το 11% της συνολικής έκτασης και αποτελούσε τη μεγαλύτερη κατηγορία. Ακόμα, υπολογίσθηκαν οι σημαντικότεροι τύποι βλάστησης στους υγροτόπους, που ήταν: θάμνοι καλαμιού (περίπου 40 km2 (9%)), θάμνοι (45 km2 (10%)) ριζώματα (20 km2 (4%)) και η συνολική έκταση των πλημμυρισμένων τάξεων στα 215 km2 (47%). Όσον αφορά τις ξερές περιοχές, προέκυψε ότι οι κυριότεροι τύποι "ξηρών" κατηγοριών ήταν τα λιβάδια, τα φυλλοβόλα και τα κωνοφόρα δάση, τα οποία κάλυπταν από κοινού σχεδόν 80 km2 (18%). Οι υπόλοιπες κατηγορίες "ξηρών" χρήσεων αποτελούσαν λιγότερο από το 10% της συνολικής έκτασης των ξηρών κλάσεων. Η ταξινομημένη εικόνα με τις 12 τάξεις επαληθεύθηκε με δεδομένα εδάφους για 796 θέσεις, με αποτέλεσμα ένα πίνακα σφαλμάτων. Αυτή η επαλήθευση απέδωσε συνολική ακρίβεια 88%, πράγμα που δείχνει ότι η ταξινόμηση ήταν επιτυχής και οι περιοχές εκπαίδευσης ήταν καλά καθορισμένες. Μετά τη διαδικασία της συνένωσης των ομοιογενών κατηγοριών η ακρίβεια της ταξινόμησης αυξήθηκε σε 93%. Από αυτή τη ταξινόμηση δημιουργήθηκε ο χάρτης των υγρών και ξερών περιοχών, ο οποίος επαληθεύτηκε με δεδομένα πεδίου.

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΗΓΩΝ ΥΔΑΤΟΣ ΚΑΙ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΠΛΗΜΜΥΡΙΣΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ

Για τον προσδιορισμό αυτών των στοιχείων χρησιμοποιήθηκε η τεχνική των τριών συνιστωσών. Τα τρία συστατικά ήταν: (α) Ca2+ και Mg2+, (β) Si, Mn και PO43- και (γ) Na+ και K+ συνοδευόμενο από SO42- και Cl-. Η χωρική κατανομή των τριών πρώτων συνιστωσών παρουσιάζεται στην εικόνα 6. Ο συνδυασμός αυτών των χαρτών δείχνει μια σειρά από σαφή μοτίβα. Στο νότιο τμήμα της κοιλάδας και προς τα ανατολικά υπάρχουν γενικά χαμηλές βαθμολογίες στο πρώτο συστατικό και υψηλές βαθμολογίες στο δεύτερο συστατικό, γεγονός που υποδηλώνει ότι υπερισχύει το στάσιμο νερό, το οποίο δεν έρχεται σε επαφή με τα ιζήματα. Ο κύριος ποταμός παρουσιάζει τα αντίθετα αποτελέσματα στις τρεις συνιστώσες: υψηλή στο πρώτο στοιχείο, χαμηλή στο δεύτερο στοιχείο και υψηλή στο τρίτο στοιχείο. Το νερό αυτό βρίσκεται σε παρατεταμένη επαφή με τα ιζήματα και επηρεάζεται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Ένας αριθμός δειγμάτων που βρίσκονται κοντά στις άκρες της κοιλάδας βαθμολογούνται πολύ ψηλά στην πρώτη συνιστώσα, γεγονός που υποδηλώνει ότι η προέλευση αυτού του νερού είναι πιθανότατα από υπόγεια ύδατα που προέρχονται από υψηλότερα εδάφη και καταλήγουν στα άκρα της κοιλάδας.

Αυτή η ανάλυση των συνιστωσών προέκυψαν έξι συστάδες που η χωρική κατανομή τους παρουσιάζεται στην εικόνα 7.

Ο χάρτης με της πηγές του ύδατος προσδιορίστηκε με βάση τη στατιστική ανάλυση και την ταξινόμηση των δειγμάτων του νερού. Το όριο της χωρικής κατανομής των συστάδων 4 και 5 θεωρήθηκε ότι είναι το όριο της ζώνης των υδάτων του ποταμού και ψηφιοποιήθηκε στο ArcGIS, που είχε ως αποτέλεσμα μια πλημμυρισμένη έκταση 89,2 km2 από τον ποταμό.

Τέλος, από την επαλήθευση των ζωνών επιρροής της πλημμύρας με τη βοήθεια ενός χάρτη βλάστησης προέκυψαν τέσσερις κατηγορίες συχνότητας βλάστησης: (α) Συχνά πλημμυρισμένες (β) Περιοδικά πλημμυρισμένες (γ) Σπάνια πλημμυρισμένες (δ) Ποτέ πλημμυρισμένες και δάσος

Το συμπέρασμα που βγήκε από τη συσχέτιση ήταν ότι τα πρότυπα κατανομής της βλάστησης ήταν σωστά στο μεγαλύτερο ποσοστό, με τις περισσότερες αποκλίσεις να παρουσιάζονται στο κεντρικό τμήμα.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη αυτή εξέτασε τη σημασία της ενσωμάτωσης της Τηλεπισκόπησης στη διαδικασία υπολογισμού της έκτασης μιας πλημμύρας όπως και στον εντοπισμό των πηγών κατά τη διάρκεια εκδήλωσης της. Οι αλλαγές μέσω της Τηλεπισκόπησης μετατράπηκαν σε ποσοτικά δεδομένα τα οποία συνδυάστηκα ή συγκρίθηκαν με υδροχημικά στοιχεία και άλλους χάρτες. Η ταξινομημένη εικόνα έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα, τα οποία επαληθεύτηκαν με δεδομένα εδάφους. Η εικόνα Landsat θεωρήθηκε ως πολύτιμη πηγή δεδομένων για τον προσδιορισμό της έκτασης της πλημμύρας, ειδικά στην περίπτωση των υγροτόπων και των φυλλοβόλων δασών. Τέλος, η υδροχημική μέθοδος επέτρεψε τον ακριβή προσδιορισμό του χάρτη πλημμυρών σε συνδυασμό με τις τεχνικές GIS. Έχοντας πει όλα αυτά, υπάρχουν αρκετές συστάσεις που βασίζονται στα συμπεράσματα της παρούσας μελέτης για την ορθή διαχείριση και προστασία αυτών των περιοχών.