Υπερφασματικοί δείκτες στενής ζώνης και πολυφασματικοί δείκτες ευρείας ζώνης για την τηλεπισκοπική ανίχνευση της εξατμισοδιαπνοής...

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 15:18, 18 Ιανουαρίου 2020

Υπερφασματικοί δείκτες στενής ζώνης και πολυφασματικοί δείκτες ευρείας ζώνης για την τηλεπισκοπική ανίχνευση της εξατμισοδιαπνοής των καλλιεργειών και των συστατικών τους (διαπνοή και εξάτμιση εδάφους)

Συγγραφείς: Michael Marshall, Prasad Thenkabail, Trent Biggs, Kirk Post

[1]

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Όσον αφορά τις καλλιεργητικές μεθόδους, η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) χρησιμοποιείται για την αναγνώριση της ξηρασίας και για τον υπολογισμό των αναγκών των καλλιεργειών σε νερό. Για τον υπολογισμό της χρησιμοποιούνται ευρέως τηλεπισκοπικοί δείκτες, όπως ο NDVI (δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένων διαφορών). Στην εργασία αυτή χρησιμοποιούνται μικρομετεωρολογικά και φασματοραδιομετρικά δεδομένα δύο καλλιεργητικών εποχών για βαμβάκι, αραβόσιτο και ορυζώνες στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ. Για τις καλλιέργειες αυτές ελέγχθηκε η διασπορά και η συχέτισή τους με την εξατμισοδιαπνοή, την εξάτμιση εδάφους και τη διαπνοή.

1.Εισαγωγή

Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι η φυσική διαδικασία απώλειας νερού μέσω εξάτμισης νερού από ελεύθερες επιφάνειες και απώλειες μέσω της διαπνοής των φυτών (Chapin et al., 2011). Η μεγαλύτερη επίπτωση της ΕΤ είναι στις καλλιέργειες, οι οποίες παρουσιάζουν μεγαλύτερες ανάγκες αλλά και απώλειες εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής. Η τηλεπισκόπηση σκοπεύει στον υπολογισμό της ΕΤ για μεγάλες εκτάσεις μέσω μοντέλων που χρησιμοποιούν την δυνητική εξατμισοδιαπνοή ΡΕΤ (Allen et al., 1998). Ταυτόχρονα, χρησιμοποιούνται δείκτες που σχετίζονται με τις καλλιέργειες, όπως ο NDVI ο SAVI και ο EVI. H υπερφασματική τηλεπισκόπηση, λόγω της μεγάλης κατάτμησης του φάσματος, ανιχνεύει διάφορες λειτουργίες των φυτών.

2.Μέθοδοι

2.1.Περιοχή μελέτης

Η περιοχή που εξετάζεται είναι η κεντρική πεδιάδα της Καλιφόρνια για τα έτη 2011, 2012 όπου συλλέχθηκαν μικρομετεωρολογικά, φασματοραδιομετρικά και βιοφυσικά δεδομένα.

2.2.Φασματοραδιομετρικά δεδομένα και επεξεργασίες

Η συλλογή δεδομένων έγινε μέσω αναλυτικών φασματικών συσκευών (ASD) για τα κανάλια 1-7 (Πίνακας 1) για τη περιοχή μελέτης (Εικόνα 1). Εντός αυτών των καναλιών, εκτός από δεδομένα για τις καλλιέργειες, ανακτώνται δεδομένα και άλλα στοιχεία, όπως νερό, διοξείδιο του άνθρακα κλπ ως αποτέλεσμα της μεγάλης κατάτμησης του φάσματος (Thenkabail et al., 2000).

2.3.Άλλα βιοφυσικά στοιχεία, μικρομετεωρολογικά δεδομένα και επεξεργασίες

Χρήσιμα στοιχεία όπως ύψος καλλιεργειών και η αθροιστική παράμετρος θόλου καλλιέργειας, καθώς και διάφορα μετεωρολογικές παράμετροι, όπως θερμοκρασία, ταχύτητα ανέμου και ροή ενέργειας αποκτήθηκαν από μετεωρολογικούς σταθμούς και επίγειες μετρήσεις. Η ΕΤ υπολογίστηκε για τις δύο καλλιεργητικές εποχές με τις μεθόδους συνδιασποράς (EC) και επιφανειακής ανανέωσης (SR) παρουσιάζοντας υψηλή συσχέτιση (συντελεστής συσχέτισης R2=0.97). Στη συνέχεια η ΕΤ διαχωρίστηκε τηλεπισκοπικά σε εδαφική εξάτμιση (ΕΤc) και διαπνοή (ΕΤs) (Blyth and Harding, 2011).

2.4.Δείκτες βλάστησης και αξιολόγηση

Χρησιμοποιήθηκε ένα μεγάλο πλήθος πολυφασματικών και υπερφασματικών δεικτών, καθένας από τους οποίους χρησιμοποιεί διαφορετικά δεδομένα, από ανάκλαση χλωροφύλλης έως και συγκέντρωση αζώτου.

3.Αποτελέσματα

Οι ισχυρότερες μετρήσεις της ΕΤ σε υπερφασματικά κανάλια έγιναν στο άκρως κόκκινο και μπλε κανάλι, της ΕΤc στο άκρως κόκκινο και ΕΤs στο εγγύς υπέρυθρο. Αν και έγιναν διάφοροι συνδυασμοί υπερφασματικών καναλιών για την ΕΤ, στα προαναφερθέντα παρατηρήθηκε η υψηλότερη συσχέτιση. Αντίστοιχα πρότυπα έδειξαν τα αποτελέσματα των πολυφασματικών δεκτών. Κύριος πολυφασματικός δέκτης είναι ο MODIS και συγκεκριμένα για την ΕΤ το κόκκινο και μπλε κανάλι του δέκτη αυτού. Αυτό που εξετάστηκε, συνεπώς, είναι η συσχέτιση των ήδη γνωστών δεικτών με τις ET, ETc και ETs (Πίνακας 2).

Για τη ΕΤ και ETs ισχυρότερη συσχέτιση παρατηρήθηκε κατά διερευνητική ανάλυση, ενώ για την ΕΤc υψηλότερη συσχέτιση παρατηρήθηκε με τον NDVI από πολυφασματικούς δείκτες και με τον HNDVI από υπερφασματικούς.

4.Συζήτηση

Από τους διάφορους δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν, πιο αδύναμος αποδείχτηκε ο NDVI για τον υπολογισμό της ET, καθώς αφήνει το μεγαλύτερο RMS (τετραγωνικό σφάλμα). Το καλύτερο αποτέλεσμα έδωσε ο δείκτης VARI, ο οποίος δεν εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας, αλλά από το ορατό φως. Επιπλέον, οι ίδιοι δείκτες έδωσαν καλύτερα αποτελέσματα για την ETc, ενώ ταυτόχρονα χειρότερα αποτελέσματα για την ETs. Η διακύμανση αυτή οφείλεται κυρίως στο ότι στο εγγύς υπέρυθρο σκεδάζεται ικανό μέρος της ακτινοβολίας που αφορά το υδατικό αποτύπωμα των φυτών και του εδάφους. Για το λόγο αυτό, το καλύτερο και πιο αξιόπιστο κανάλι σε όλες τις περιπτώσεις αποδείχτηκε ότι ήταν το μπλε, καθώς οι αντίστοιχοι δείκτες που βασίζονται σε αυτό είχαν υψηλή συσχέτιση.

5.Συμπέρασμα

Η εργασία αυτή απέδειξε πως δείκτες με βάση την υπερφασματική αναλογία, αντίστοιχοι με τους πολυφασματικούς δείκτες ευρείας ζώνης, είναι ικανοί να μοντελοποιήσουν την ΕΤ και τις δύο βασικές παραμέτρους της (ΕΤc, ETs). Αν και ο πιο ευρέως γνωστός δείκτης, ο ΝDVI, είναι γενικά αρκετά ικανός από μόνος του, ορισμένοι άλλοι δείκτες έρχονται να γεφυρώσουν το χάσμα που αυτός αφήνει.

Αναφορές

Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., 1998. Crop evapotranspiration –Guidelines for computing crop water requirements (No. 56). FAO – Food andAgriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy.

Blyth, E., Harding, R.J., 2011. Methods to separate observed globalevapotranspiration into the interception, transpiration and soil surfaceevaporation components. Hydrol. Process. 25, 4063–4068.

Chapin, F.S., Matson, P.A., Vitousek, P., 2011. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology. Springer Science & Business Media.

Thenkabail, P.S., Smith, R.B., De Pauw, E., 2000. Hyperspectral vegetation indicesand their relationships with agricultural crop characteristics. Remote Sens.Environ. 71, 158–182.