Εκτίμηση και παρακολούθηση της ρύπανσης των υδάτων σε εσωτερικούς υγροτόπους με συνδυαστική χρήση τηλεπισκόπησης και μετρήσεων πεδίου

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς:María Pérez Ortega,Eugenia Pérez González, José Luis González López

Πηγή: https://www.researchgate.net/publication/274521627_Assessing_and_Monitoring_Water_Pollution_in_Interior_Wetlands_by_Remote_Sensing_and_field_data

Σκοπός

Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση και η παρακολούθηση της ρύπανσης των υδάτων με τη συνδυασμένη χρήση δορυφορικών εικόνων, ορθοφωτογραφιών, αναλυτικών δεδομένων αλλά και έρευνας πεδίου σε ένα σύνολο υγροτόπων της κεντρικής Ισπανίας. Οι οικότοποι της περιοχής αυτής έχουν αλλοιωθεί σημαντικά λόγω της αύξησης των αρδευτικών συστημάτων μεγάλης κλίμακας, της συστηματικής εκμετάλλευση και της ρύπανσης των υδάτινων πόρων.

Εισαγωγή

Τα μικρά και ρηχά υδάτινα στρώματα είναι λιγότερο σταθερά από τις μεγάλες λίμνες και κατά συνέπεια είναι πολύ ευάλωτα σε κάθε ανθρώπινη παρέμβαση. Η ρύπανση τόσο από τη γεωργία όσο και από τα λύματα έχει τεράστια επίπτωση στην ποιότητα του νερού και στη ζωή των υδρόβιων οργανισμών. Πιο συγκεκριμένα, εντείνεται το φαινόμενο του ευτροφισμού το οποίο συνεπάγεται βλάβη στα φύκια, θάνατο των ψαριών και πρόκληση πολλών άλλων προβλημάτων στα γλυκά νερά που γειτνιάζουν με περιοχές με μεγάλο πληθυσμό. Παραδοσιακά, αυτά τα οικοσυστήματα μελετώνται βάση αναλυτικών δεδομένων και πολυχρονικών αεροφωτογραφιών. Η χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων προσφέρει σήμερα τις κατάλληλες τεχνικές για τον προσδιορισμό, την οριοθέτηση και την παρακολούθηση των υγροτόπων.

Περιοχή Μελέτης

Εικόνα 1: Περιοχή μελέτης:Manch Humeda, Ισπανία. (οι επιλεγμένοι υγρότοποι φαίνονται στα μπλε τετράγωνα)

Η περιοχή μελέτης «Mancha Humeda Biosphere Reserve» βρίσκεται στο κέντρο της Ιβηρικής Χερσονήσου και καλύπτει μια έκταση περίπου 418 εκταρίων και εκτείνεται μεταξύ των επαρχιών CiudadReal, Toledo, Cuencaκαι Albacete όπως φαίνεται στην εικόνα 1.

Μεθοδολογία

Χρησιμοποιήθηκαν Landsat και SPOT δορυφορικές εικόνες οι οποίες παρείχαν σημαντικές πληροφορίες από την περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, κυρίως από το εγγυς και μέσο υπέρυθρο, το οποίο είναι πολύ χρήσιμο στη μελέτη των χαρακτηριστικών των υδάτινων στρωμάτων, του εδάφους και της βλάστησης. Οι εικόνες Landsatαπαρτίζονται από 6 έως 11φασματικά κανάλια χωρικής διακριτικής ικανότητας 30 μέτρων, με εξαίρεση το θερμικό υπέρυθρο. Οι Spotεικόνες έχουν υψηλότερη φασματική ανάλυση, αλλά η χωρική διακριτική ικανότητα είναι τεσσάρων καναλιών (πράσινο, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο, και μικροκυμματικό υπέρυθρο). Τα κύρια χαρακτηριστικά των Landsat και Spotεικόνων συνοψίζονται στον πίνακα 1.

Εικόνα 2: Ορθοφωτογραφίες της μελέτης περίπτωσης Laguna del Camino de Villafranca

Πίνακας 1: Κύρια χαρακτηριστικά Landsatκαι Spotεικόνων

Συνολικά αναλύθηκαν πάνω από 60 εικόνες διαφορετικών ετών, ημερομηνιών και εποχών αν και οι περισσότερες εικόνες ήταν από το καλοκαίρι, καθώς αυτή είναι η καταλληλότερη εποχή για τον εντοπισμό της ρύπανσης των υδάτων. Οι εικόνες επεξεργάστηκαν στο λογισμικό ERDAS Imagine 10 και έγινε γεωαναφορά τους σε UTM συντεταγμένες με χρήση 17 σημείων ελέγχου. Για να μελετηθεί το φαινόμενο του ευτροφισμού και να εκτιμηθεί η έκτασή του στους υγροτόπους έγινε οπτική και ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων. Στην οπτική επεξεργασία, διαφορετικά κανάλια του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος συνδυάστηκαν στις Landsat εικόνες για την εκτίμηση της βιομάζας στα ύδατα. Ο δείκτης βλάστησης NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) χρησιμοποιήθηκε στις εικόνες Landsat των μολυσμένων υγροτόπων και οι μέγιστες τιμές αυτού του δείκτη βρέθηκαν στις περιοχές των υδάτινων στρωμάτων που παρατηρείται η υψηλότερη ανελαστικότητα. Σε ότι αφορά τη ψηφιακή επεξεργασία των εικόνων, δημιουργήθηκε το φασματικό προφίλ των υγροτόπων στους οποίους παρατηρήθηκαν υψηλές τιμές του δείκτη NDVI.

Αποτελέσματα- Συμπεράσματα

Για την περιοχή μελέτης εξετάστηκαν δύο μελέτες περίπτωσης οι οποίες φαίνονται στην εικόνα 2. Ο πρώτος υγρότοπος που παρουσιάζεται στην εικόνα 2α βρισκόταν στο στάδιο της απολύμανσης ενώ ο δεύτερος υγρότοπος (εικόνα 2β) δεν ήταν ρυπασμένος και περιτριγυριζόταν από φυσική βλάστηση.

Εικόνα 3: Δείκτης NDVIτου υγροτόπου Laguna del Camino. Πάνω αριστερά (2005): υψηλή συγκέντρωση χλωροφύλλης σε όλη τη λεκάνη απορροής του υγροτόπου(λευκές αποχρώσεις), κάτω(2009) και πάνω δεξιά (2011): υψηλή απορρόφηση , χαρακτηριστική για το νερό(σκούρες αποχρώσεις)

Στην εικόνα 3 παρουσιάζονται οι εικόνες που λήφθηκαν με χρήση του δείκτη NDVI . ΟΙ απαλές αποχρώσεις του γκρι και οι υψηλές θετικές τιμές υποδεικνύουν ευτροφισμό στον υγρότοπο. Ωστόσο το 2009 και το 2011 υπήρξε μια απότομη μείωση των τιμών του NDVI γεγονός που υποδεικνύει μεγαλύτερη καθαρότητα των υδάτων.

Εικόνα 4: Μη ρυπασμένος υγρότοπος LagunaGrande, περιτρυγυρισμένος από ένα μεγάλο κομμάτι φυσικής βλάστησης που επιβραδύνει την απορρόφηση των γεωργικών ρύπων. Οι SPOT εικόνες ψευδοχρωμάτων το 2008 και το 2011(πάνω αριστερά και δεξιά αντίστοιχα) και οι Landsatεικόνα σε φυσικά χρώματα το 2009(κάτω)

Οι δορυφορικές εικόνες δεν ήταν δυνατόν να ανιχνεύσουν την παρουσία της άλγης, ωστόσο όπως φαίνεται στην εικόνα 4, τα φυσικά χρώματα επιτρέπουν τον εντοπισμού ενός μεγάλου κομματιού οργανικής ύλης στον υγρότοπο.

Συμπερασματικά, η εφαρμογή τηλεπισκοπικών μεθόδων στη μελέτη των υγροτόπων διευκολύνει την ανίχνευση της ρύπανσης των υδάτων και του ευτροφισμού. Επίσης καταλληλότερη εποχή για λήψη δορυφορικών εικόνων για τη μελέτη αντίστοιχων φαινομένων κρίθηκε το καλοκαίρι. Οι εικόνες σε ψευδοχρώματα και φυσικά χρώματα αποδεικνύονται πολύ χρήσιμες για το διαχωρισμό της άλγης από την αλοφυτική βλάστηση. Επίσης, η ανάλυση του δείκτη NDVI, ο οποίος συνήθως χρησιμοποιείται στη δασκομία και στις γεωργικές μελέτες αποδείχθηκε πολύ χρήσιμο εργαλείο για την ανίχνευση της παρουσίας βιομάζας σε ρηχά υδάτινα σώματα. Οι θετικές τιμές του δείκτη βλάστησης μπορεί να υποδεικνύουν την πιθανότητα ευτροφισμού. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί πως παρόλο που οι τηλεπισκοπικές μέθοδοι δίνουν μια εκτίμηση για τη ρύπανση των υδάτων, αυτή μπορεί να επιβεβαιωθεί μόνο με χημικές αναλύσεις.