Remote Sensing Applications in Water Resources

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:40, 28 Ιανουαρίου 2024

Remote Sensing Applications in Water Resources/εφαρμογές τηλεπισκόπησης σε υδάτινους πόρους

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: D. Nagesh Kumar* and T.V. Reshmidevi Πηγή:

Περίληψη

Η παρούσα μελέτη δίνει μια σύντομη παρουσίαση των πιθανών εφαρμογών της τηλεπισκόπησης για τους υδάτινους πόρους. Η χρήση των δορυφόρων, αρχικά, για την παρατήρηση της γης, έδωσε βήμα και για περαιτέρω ανάλυση των επιφανειακών χαρακτηριστικών με αποτέλεσμα να παρέχει πολύτιμες πληροφορίες και για την υδρολογική ανάλυση. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την οριοθέτηση των υδάτινων επιφανειών, την εκτίμηση μετεωρολογικών μεταβλητών όπως η θερμοκρασία και η βροχόπτωση και για την εκτίμηση υδρολογικών καταστάσεων όπως την υγρασία του εδάφους ή την εξατμισοδιαπνοή κ.ά. Σήμερα, είναι εφικτή η παρακολούθηση πολύ κοντά στον πραγματικό χρόνο για καταστάσεις πλημμυρών, ξηρασίας, διαχείριση άρδευσης με την βοήθεια των δορυφορικών δεδομένων σε αρκετά υψηλή ανάλυση.

1.Εισαγωγή

Μέχρι σήμερα, υπήρχε έλλειψη λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με την χωρική μεταβλητότητα των φυσικών και υδρολογικών παραμέτρων της λεκάνης απορροής. Ωστόσο, η ταχύτατη εξέλιξη της τεχνολογίας της τηλεπισκόπησης και η χρήση φασματικών δορυφορικών εικόνων αποτελούν σημαντικό εργαλείο για την καταγραφή της χωρικής διακύμανσης υδρομετεωρολογικών και υδατικών χαρακτηριστικών με αποτέλεσμα την επίτευξη χαρτογράφησης τους.

Οι εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στην υδρολογία μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις βασικές κατηγορίες: i) Απλή οριοθέτηση εύκολα αναγνωρίσιμων περιοχών ή επιφανειακών χαρακτηριστικών όπως για παράδειγμα η χιονοκάλυψη, επιφανειακά νερά ή ιζήματα, ii) Λεπτομερέστερη ερμηνεία και ταξινόμηση των δεδομένων όπως γεωλογικά χαρακτηριστικά ή τύποι κάλυψης γης, Iii) Χρήση ψηφιακών υδρολογικών δεδομένων την σε συνδυασμό με επίγειες παρατηρήσεις για την εξαγωγή πιο σύνθετων συμπερασμάτων όπως π.χ η εδαφική υγρασία.

Μελέτες με δεδομένα που λαμβάνονται με απομακρυσμένες τεχνικές ανίχνευσης σε συνδυασμό με τα υδρολογικά και ποιοτικά μοντέλα, επιτυγχάνουν καλύτερη προσομοίωση και καλύτερη κατανόηση των υδάτινων πόρων και της ποιότητας τους. Αυτές οι μελέτες έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογής από ανάλυση μορφολογίας ποταμών μέχρι την διαχείριση την σχεδίαση άρδευσης ή την μελέτη υπόγειων υδάτων και την ποιότητα τους.

Η τηλεπισκόπηση είναι μια επιστήμη που παράγει δεδομένα για ένα αντικείμενο, περιοχή ή φαινόμενο χωρίς να καμία φυσική επαφή με αυτά, χρησιμοποιώντας αισθητήρες για την μέτρηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολία(EMR)που αντανακλάται ή εκπέμπεται από το αντικείμενο/περιοχή.

Καθώς το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χωρίζεται σε ζώνες, η δορυφορική τηλεπισκόπηση συνήθως χρησιμοποιεί την ορατή ζώνη (VIS, μήκος κύματος 0,4-0,7 μm), το υπέρυθρο (IR, μήκος κύματος 0,7-100 μm) και οι περιοχές μικροκυμάτων (μήκος κύματος 0,1-100 cm).

Η περιοχή IR ταξινομείται, σε εγγύς υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR, 0,7-1,3 μm),

μεσαία IR (MIR, 1,3-3 μm) και

στις θερμικές ζώνες IR (TIR,3-5 μm και 8-14 μm)

Ανάλογα με το υψόμετρο του αισθητήρα, η τηλεπισκόπηση διακρίνεται σε επίγεια(με φορητούς αισθητήρες ή αισθητήρες πάνω σε κινούμενες πλατφόρμες), χαμηλού ή υψηλού υψομέτρου (αισθητήρες σε αεροσκάφη) και σε διαστημική (αισθητήρες σε πολικές τροχιές ή σε γεωστατικούς δορυφόρους).

Επίσης, υπάρχουν δύο τύποι αισθητήρων:

ενεργητικοί (ραντάρ) που στέλνουν και λαμβάνουν ηλεκτρομαγνητικά σήματα και οι παθητικοί που καταγράφουν μόνο την ανακλώμενη ή εκπεμπόμενη ενέργεια.

Οι αισθητήρες διαφοροποιούνται ανάλογα σε ποια φασματική περιοχή λειτουργούν VIS/IR με συστήματα όπως ο πολυφασματικός σαρωτής Landsat (MSS), ο θεματικός χαρτογράφος (TM) και το φασματοραδιόμετρο απεικόνισης μέτριας ανάλυσης (MODIS).Ένας τυπικός υπερφασματικός αισθητήρας συλλέγει δεδομένα ανακλαστικότητας σε πάνω από 200 κανάλια (Hyperion της NASA-EO-1 220φασματικές ζώνες στο εύρος 0.4-2.4μm)

Η συγκεκριμένη εργασία, κατηγοριοποιεί τις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης σε τρεις βασικές κατηγορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, προσφέροντας λεπτομέρειες και για τις πηγές των παγκόσμιων προϊόντων τηλεπισκόπησης.

2.Χαρτογράφηση υδάτινων πόρων

Η χαρτογράφηση των επιφανειακών ορίων των υδάτων ήταν μια από τις πρώτες εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στο νερό. Η οπτική τηλεπισκόπηση των υδάτινων πόρων βασίζεται στην διαφορά των φασματικών υπογραφών του εδάφους και του νερού. Στο σχήμα 2 φαίνονται οι φασματικές υπογραφές του νερού, της βλάστησης, και του ξηρού εδάφους σε διαφορετικά μήκη κύματος. Το νερό απορροφά ένα πολύ μεγάλο μέρος της ενέργειας στο NIR και στο MIR, ενώ η βλάστηση και το έδαφος έχουν υψηλότερη ανακλαστικότητα σε αυτά τα μήκη κύματος. Ως εκ τούτου, το νερό μπορεί να διαφοροποιηθεί πολύ εύκολα από την βλάστηση και το έδαφος, με σκουρότερο τόνο στις ζώνες IR.

Στην εικόνα 3,παρουσιάζεται μια εικόνα ενός τμήματος της λεκάνης του ποταμού Krishna σε διάφορες ζώνες του Landsat ETM+. Στις ζώνες VIS (ζώνες 1, 2 και 3) η διαφοροποίηση του ,νερού και άλλων χαρακτηριστικών δεν είναι πολύ σημαντική. Αντιθέτως, οι ζώνες IR (ζώνες 4 και 5) παρουσιάζουν έντονη αντίθεση μεταξύ τους λόγω των φτωχής ανάκλασης του νερού στην περιοχή IR του φάσματος EMR.

Η ακριβής διαγράμμιση των ορίων των υδάτινων σωμάτων απαιτεί δεδομένα από αισθητήρες με λεπτή χωρική ανάλυση όπως χρησιμοποιήθηκε στη περιοχή του Jodhpur στην Ινδία, όπου χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat TM με ανάλυση 30 μέτρων. Οι οπτικές τεχνικές τηλεπισκόπησης δίνουν λεπτομερή χωρική ανάλυση αλλά η δυνατότητα αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως σε καλές καιρικές συνθήκες μιας και παρουσία σύννεφων, κάτι που συνηθίζεται σε τροπικά κλίματα, εμποδίζει την καθαρότητα της εικόνας. Δίπλα σε αυτόν τον περιορισμό, έρχεται και η πυκνή βλάστηση. Τα ραντάρ (ενεργητικοί αισθητήρες σε μικροκύματα) μπορούν αν προσπελάσουν αυτούς τους περιορισμούς, καθώς τα μικροκύματα μπορούν να διαπεράσουν τα σύννεφα και την βλάστηση και, έτσι με την βοήθεια αυτών έχουν χαρτογραφηθεί επιτυχώς επιφανειακά νερά και πλημμυρισμένες περιοχές ακόμη και κάτω από πυκνά δάση.

Μία ακόμη σημαντική εξέλιξη είναι και η χρήση θερμικών ζωνών. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στην λίμνη Chad στην κεντρική Αφρική, για την παρακολούθηση πλημμυρισμένων περιοχών χρησιμοποιώντας μετρήσεις θερμοκρασίας φωτεινότητας (TB) χρησιμοποιώντας TIR band (10.5–12.5 μm) με την θερμική ζώνη του Meteosat. Βέβαια, το μειονέκτημα της χαμηλής χωρικής ανάλυσης (5 χιλιόμετρα).

3.Εκτίμηση των υδρομετεωρολογικών Μεταβλητών

Οι υδρολογικές διεργασίες είναι εξαιρετικά ρευστές στη φύση, παρουσιάζοντας μεγάλες χωροχρονικές διακυμάνσεις. Οι συμβατικές μέθοδοι για την εκτίμηση αυτών των πολύπλοκων μεταβλητών στηρίζονται σε επιτόπιες μετρήσεις, για την πραγματοποίηση των οποίων, χρειάζονται πολλά ειδικά όργανα μέτρησης, το σημείο μπορεί να μην είναι προσβάσιμο κ.ά. Όλοι αυτοί είναι παράγοντες περιορισμού των δεδομένων σε λίγα σημεία και σε μια ανεπαρκής χρονική κάλυψη από τις οποίες χρειάζεται να προκύψουν τα χωρικά συνεχή δεδομένα. Εδώ, η εφαρμογή των τεχνικών τηλεπισκόπησης έρχεται να καλύψει αυτές τις δυσκολίες και αποτελεί σημαντικό άλμα για τις υδρολογικές καταγραφές και προσομοιώσεις. Αυτή η ενότητα εξηγεί εν συντομία την εφαρμογή αυτής της επιστήμης για την εκτίμηση της βροχόπτωσης , για το χιόνι και το ισοδύναμο νερού, εδαφική υγρασία και για τις παραμέτρους ποιότητας νερού.

3.4 Ποιότητα νερού

Όταν λέμε «ποιότητα του νερού» είναι ένας γενικός όρος ο οποίος όμως, περιλαμβάνει φυσικά, χημικά, θερμικά και βιολογικά χαρακτηριστικά του νερού (θερμοκρασία, περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, θρεπτικά συστατικά, αιωρούμενα στερεά, τριπτάνιο, διαλυμένο οξυγόνο, βακτήρια κλπ) Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά του νερού για να μετρηθούν με συμβατικές μεθόδους απαιτεί περίπλοκες και χρονοβόρες διαδικασίες και το αποτέλεσμα που μπορεί να δώσει δεν είναι χρονικά και χωρικά ικανοποιητικά. Με τις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης παρέχεται η δυνατότητα καλύτερης χωροχρονικής κάλυψης με αποτέλεσμα να κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος η εφαρμογή της.

Στο σχήμα 6 φαίνεται η παρουσία χλωροφύλλης σε ακτή της Καλιφόρνιας με την χρήση SeaWiFS και των αισθητήρων MODIS.

Η τηλεπισκόπηση είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση των παραμέτρων ποιότητας του νερού με τη μέτρηση των αλλαγών οπτικά, στις ιδιότητες του νερού που προκαλούνται από τους ρύπους. Στις βασικές παραμέτρους περιλαμβάνονται η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη, η θολερότητα, το βάθος secchi, τα ολικά αιωρούμενα στερεά, η έγχρωμη διαλυμένη οργανική ύλη και το τριπτόν.

Ακόμη,οι μέθοδοι θερμικής τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται επίσης για την εκτίμηση της επιφανειακής θερμοκρασίας του νερού σε λίμνες και εκβολές ποταμών. Το βέλτιστο μήκος κύματος για τη μέτρηση των παραμέτρων ποιότητας του νερού εξαρτάται από την ουσία που μετράται.

Y = A + BX or Y = ABx (3) όπου Υ είναι η μέτρηση που λαμβάνεται με τη χρήση του απομακρυσμένους αισθητήρες και Χ είναι η παράμετρος ποιότητας του νερού που μας ενδιαφέρει, και Α και Β είναι οι εμπειρικοί παράγοντες.

Για παράδειγμα, οι Harding et al. χρησιμοποίησαν τον ακόλουθο τύπο, είεμπειρική σχέση για την εκτίμηση της χλωροφύλλης στον κόλπο Chesapeake Bay.

log10 [Chlorophyll] = A + B (−log10 G) (4)

G= ( R2)²/R1R3 (5)

όπου Α και Β είναι εμπειρικές σταθερές που προκύπτουν από επιτόπιες μετρήσεις, R1, R2 και R3 είναι οι ακτινοβολίες στα 460 nm, 490 nm και 520 nm, αντίστοιχα.

Αν και είναι απλά και αποτελεσματικά, τα εμπειρικά μοντέλα δεν είναι πάντα εφαρμόσιμα. Τα αναλυτικά μοντέλα μπορούν να συνδέσουν τα ρυθμιστικά φυσικά στοιχεία με την ανάκλαση της υδάτινης επιφάνειας μέσω της εφαρμογής απλουστευμένων εξισώσεων μεταφοράς ακτινοβολίας (RTE). Η βαθμονόμηση των εμπειρικών συντελεστών είναι απαραίτητη για αυτά τα μοντέλα.

Για παράδειγμα, οι Volpe et al. χρησιμοποίησαν μια RTE για να καθορίσουν τη συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων σε λιμνοθάλασσες/εκβολές ύδατων, συσχετίζοντας την ανακλαστικό ήτα που παρατηρήθηκε με μεθόδους τηλεπισκόπησης με τα φυσικά χαρακτηριστικά.Οι συντελεστές οπισθοσκέδασης και απορρόφησης προσδιορίστηκαν με βαθμονόμηση. Οι RTE αλγόριθμοι είναι περισσότερο κατανοητοί όσον αφορά το αποτέλεσμα τους και έτσι εφαρμόζονται συχνότερα από ότι τα εμπειρικά μοντέλα.

Αρχικά, η τηλεπισκόπηση για την ανάλυση ποιότητας του νερού χρησιμοποιούσε εικόνες από Landsat TM. όμως ήταν πολύ φτωχή η χρονική κάλυψη(1/16μέρες).Σήμερα, οι αναλύσεις έχουν βελτιωθεί σημαντικά μιας και αναπτυχθήκαν νέοι δορυφόροι και αισθητήρες. Έτσι, χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα MODIS (36φασματικές ζώνες) και το MERIS(15ζώνες) έχουμε πολύ καλύτερο αποτέλεσμα ποιότητας του νερού. Ακόμη καλύτερα αποτελέσματα έχουμε από υπερφασματικούς αισθητήρες οι οποίοι βοηθούν σημαντικά στην ανίχνευση ρύπων και οργανικών ουσιών στο νερό, στην αξιολόγηση της συνολικής αιωρούμενης ύλης και περιεκτικότητας χλωροφύλλης στα επιφανειακά ύδατα ή σε βαθυμετρικές έρευνες κ.ά.

4. Εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στους υδάτινους πόρους

Η εκτίμηση μεταβλητών υδρομετεωρολογικής κατάστασης και η οριοθέτηση των επιφανειακών υδάτων με την χρήση της τηλεπισκόπησης χρησιμεύουν για την μοντελοποίηση βροχόπτωσης-απορροής, διαχείριση της άρδευσης , πρόβλεψη πλημμυρών παρακολούθηση της ξηρασίας, συλλογή βρόχινου νερού και σχεδιασμού και διαχείρισης λεκανών απορροής.

4.4 Διαχείριση άρδευσης

Οι εφαρμογές τηλεπισκόπησης στη διαχείριση της άρδευσης περιλαμβάνει την ταξινόμηση των καλλιεργειών, τη χαρτογράφηση των αρδευόμενων εκτάσεων, την αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων άρδευσης και τις συμβουλευτικές υπηρεσίες άρδευσης.

Οι δορυφορικές εικόνες τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται συνήθως για την ταξινόμηση των καλλιεργειών, με πολλαπλές εικόνες που αντιστοιχούν σε διάφορες καλλιεργητικές περιόδους. Οι φασματικές τιμές ανάκλασης που παρατηρούνται σε αυτές τις εικόνες σχετίζονται με συγκεκριμένες καλλιέργειες χρησιμοποιώντας δεδομένα επίγειας αλήθειας. Ο προσδιορισμός αρδευόμενων περιοχών από δορυφορικές εικόνες βασίζεται στην αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών και της κατάστασης της εδαφικής υγρασίας.

Τα δορυφορικά δεδομένα τηλεπισκόπησης, χρησιμοποιούνται για την καταγραφή των χωρικών και χρονικών διακυμάνσεων της ET των καλλιεργειών και της εδαφικής υγρασίας, τα οποία στη συνέχεια συνδυάζονται με μοντέλα για την προσομοίωση της παραγωγής των καλλιεργειών και την εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της άρδευσης. Η απόδοση των συστημάτων άρδευσης αξιολογείται με τη χρήση δεικτών όπως η σχετική παροχή νερού και η παροχή άρδευσης. (Δείκτης βλάστησης προσαρμοσμένος στο έδαφος (SAVI), NDVI ,Μετασχηματισμένος δείκτης βλάστησης (TVI), Κανονικοποιημένος Δείκτης Υγρασίας Διαφοράς (NDWI), Δείκτης Πράσινης Βλάστησης (GVI)). Αρκετές μελέτες που έχουν διεξαχθεί στο παρελθόν δείχνουν τις δυνατότητες του δεδομένα τηλεπισκόπησης από Landsat TM, MODIS,IRS-LISS και των αισθητήρων WiFS στην αξιολόγηση της απόδοσης των συστημάτων άρδευσης.

Οι συμβουλευτικές υπηρεσίες άρδευσης (IAS) βοηθούν τους αγρότες να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα της άρδευσης και να βελτιστοποιήσουν τη γεωργική παραγωγή από τη χρήση του αρδευτικού νερού. Οι συμβατικές μέθοδοι IAS που χρησιμοποιούν επιτόπιες μετρήσεις από τον αγρό ήταν λιγότερο ικανές να παρέχουν πληροφορίες με χωρική και χρονική ανάλυση.

4.5 Συγκομιδή βρόχινου νερού

Οι τεχνικές συλλογής του βρόχινου νερού εξαρτώνται από την τοποθεσία και απαιτούν ενδελεχή επιτόπια έρευνα. Για να είναι αποτελεσματική η εφαρμογή τους, είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός των δυνατοτήτων συλλογής βρόχινου νερού και των κατάλληλων θέσεων για τα κτίρια.

Οι δυνατότητες συλλογής νερού μπορούν να αναλυθούν και οι κατάλληλες τοποθεσίες να προσδιοριστούν με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης όπως οι αισθητήρες IRS 1D LISS-3 και IRS LISS-2. Προκειμένου να βρεθούν κατάλληλες θέσεις για τη συλλογή νερού στις λεκάνες απορροής Bakhar και Devak-Rui της Ινδίας, οι Jasrotia και Kumar, διεξήγαγαν μελέτες χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες για την εξαγωγή χαρτών χρήσης γης, κάλυψης γης, γεωλογίας και πληροφοριών αποστράγγισης. Οι μελέτες αυτές δείχνουν τα οφέλη από τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης για τον καθορισμό κατάλληλων θέσεων για κατασκευές συλλογής νερού και για την εκτίμηση της ικανότητας συλλογής απορροής.

5.Συμπερασματικά σχόλια

Η τεχνική της υπερφασματικής τηλεπισκόπησης προσφέρει λεπτή φασματική και χωρική ανάλυση, ενώ οι ενεργητικοί αισθητήρες μικροκυμάτων έχουν δυνατότητες για την ανάλυση πλημμυρών και τις υπηρεσίες προειδοποίησης για πλημμύρες. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης προσφέρουν καλύτερη χωρική και χρονική κάλυψη, επιτρέποντας την καλύτερη αναπαράσταση των μεταβλητών της υδρολογικής και μετεωρολογικής κατάστασης.