Ένας εμπειρικός τυποποιημένος δείκτης υγρασίας για την εκτίμηση γεωργικής ξηρασίας από τηλεπισκοπικά δεδομένα

Από RemoteSensing Wiki

Ένας εμπειρικός τυποποιημένος δείκτης υγρασίας για την εκτίμηση γεωργικής ξηρασίας από τηλεπισκοπικά δεδομένα

Πρωτότυπος τίτλος: An empirical standardized soil moisture index for agricultural drought assessment from remotely sensed data

Συγγραφείς: Hugo Carrao, Simone Russo, Guadalupe Sepulcre – Canto, Paulo Barbosa

Δημοσιεύθηκε: International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2015

Eικόνα 1:Η διαδικασία υπολογισμού των τριών βημάτων του ESSMI. Το παράδειγμα είναι για τις τιμές ECV SM του Νοεμβρίου σε σημείο δικτύου στη Bahia της Βραζιλίας. Η πορτοκαλί καμπύλη του αριστερού αντιπροσωπεύει το F (xt) που σχετίζεται με το ePDF που είναι προσαρμοσμένο μέσω παρατηρήσεων KDE σε ECV SM που συλλέχθηκαν κατά την περίοδο μεταξύ 1981 και 2010 (γκρι πλήρεις κύκλοι). Η καμπύλη μπλε στη δεξιά πλευρά αντιπροσωπεύει την τυπική συνήθη λειτουργία αθροιστικής κατανομής (CDF). Η πιθανότητα μη υπέρβασης εκτιμάται στο Στάδιο (α) για υγρασία εδάφους 0,225 m3m-3, μετασχηματισμένη στην πρότυπη κανονική μεταβλητή Ζ στο Στάδιο (b), και η τιμή ESSMI (1,8) βρίσκεται στο Στάδιο (c).

Η ξηρασία είναι μία από τις μεγαλύτερες περιβαλλοντικές καταστροφές και επηρεάζει τους ανθρώπους περισσότερο από κάθε άλλη φυσική καταστροφή. Η γεωργική ξηρασία συμβαίνει όταν η εδαφική υγρασία δεν επαρκεί να υποστηρίξει τις καλλιέργειες στις γεωργικές εκτάσεις. Γεωργική ξηρασία εντοπίζεται σε περιόδους ωρίμανσης των καλλιεργειών, και έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ετήσιας παραγωγής. Μέσα από την εργασία αυτή προτείνεται ένας απλός και χωρικά αμετάβλητος δείκτης πιθανότητας για όλο το χρόνο, ο Εμπειρικός Τυποποιημένος Δείκτης Εδαφικής Υγρασίας Empirical Standardized Soil Moisture Index, ESSMI).

Ο ΕSSMI είναι σχεδιασμένος να ταξινομεί την επιφάνεια σε κατηγορίες αγροτικής ξηρασίας με βάση την ένταση του φαινομένου. Ο δείκτης τυποποιεί την παρατηρούμενη υγρασία του εδάφους σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία για μια χρονική περίοδο (π.χ. μήνα, εποχή, έτος) σε σχέση με την κλιματολογία της υγρασίας του εδάφους για την ίδια χρονική περίοδο σε εκείνη την τοποθεσία. Τα αποτελέσματα του ESSMI αντιστοιχούν στα εκατοστημόρια p (x) της προσαρμοσμένης κατανομής πιθανοτήτων και εκφράζονται σε μονάδες τυπικής απόκλισης: οι αρνητικές τιμές αντιστοιχούν στις περιόδους ξηράνσεως από τις κανονικές και οι θετικές τιμές αντιστοιχούν σε περίοδο υγρότερη από την κανονική. Για την αξιολόγηση της χωροχρονικής συνέπειας των αποτελεσμάτων, αναλύεται μια χρονική σειρά των τιμών του δείκτη.

Η περιοχή μελέτης είναι όλη η Νοτιοκεντρική Αμερική, καθώς έχει ένα ευρύ φάσμα γεωγραφικών αποστάσεων και έχει μεγάλη ποικιλία κλιματικών συνθηκών. Χαρακτηρίζεται σε μεγάλο βαθμό από υγρές και τροπικές συνθήκες, ενώ σημαντικές εκτάσεις έχουν επηρεαστεί εξαιρετικά από τις μετεωρολογικές συνθήκες στο παρελθόν και οι κλιματικές αλλαγές προβλέπουν αυξημένη συχνότητα αυτών. Η παραγωγικότητα των καλλιεργήσιμων αναμένεται να μειωθεί στις εκτεταμένες πεδιάδες που βρίσκονται στα μεσαία και υποτροπικά γεωγραφικά πλάτη της Νότιας Αμερικής (π.χ. Βραζιλία και Αργεντινή), με αποτέλεσμα τη μείωση της παγκόσμιας παραγωγικότητας της εκτροφής βοοειδών και θα έχει αρνητικές επιπτώσεις στην παγκόσμια επισιτιστική ασφάλεια. Συγκεκριμένα κλιματολογικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την περιοχή Bahia στη Βραζιλία.

Για τον υπολογισμό του ESSMI χρησιμοποιήθηκαν ECV SM δεδομένα, τα οποία είναι δεδομένα για την υγρασία του εδάφους σε παγκόσμια κλίμακα και έχουν δημιουργηθεί με τη χρήση ενεργών και παθητικών μικροκυματικών διαστημικών οργάνων και καλύπτουν την περίοδο των 32 ετών από το 1978 έως το 2010. Τα δεδομένα είναι ελεύθερα στο διαδίκτυο και για την απόκτησή τους απαιτείται εγγραφή στο σχετικό ιστότοπο. Η διαδικασία του υπολογισμού του δείκτη ESSMI περιλαμβάνει 3 στάδια:

1) Την προσαρμογή ενός ePDF στο μακροπρόθεσμο αρχείο παρατηρήσεων ECV SM1, xt2,. . ., xtn; αυτό γίνεται για μια χρονική κλίμακα κατά μέσον όρο των για t μήνες (όπου t είναι τυπικά 1-, 3-, 6-, ή 12 μήνες) που συγκεντρώθηκαν n χρόνια. Οι παρατηρήσεις ECV SM μπορούν να υπολογιστούν για διαφορετικούς χρόνους με μέση ημερήσια τιμή κατά τους αντίστοιχους μήνες.

2) Τον υπολογισμό της πιθανότητας μη υπέρβασης μιας μέσης ECV SM παρατηρήσεως xtis που σε σχέση με το αντίστοιχο ePDF: αυτό απλώς υπολογίζεται με την εκτίμηση της αθροιστικής πιθανότητας F (xt) της μέσης ECV SM παρατήρησης xt.

3) Τη μετατροπή της πιθανότητας μη υπέρβασης στην τυπική κανονική μεταβλητή Z (μέση τιμή = 0 και διακύμανση = 1) και στη διαπίστωση της τελικής τιμής ESSMI.

Eικόνα 2:Επιλογή του συνόλου δειγμάτων ECV SM για την περίοδο Ιανουάριου του 1981 έως τον Δεκέμβριο του 2010: α) αριθμός ετών ανά σημείο δικτύου στην περιοχή μελέτης με προσωρινή ανάλυση άνω των 30 ημερών (δηλαδή τουλάχιστον 1 παρατήρηση υγρασίας του εδάφους ανά μήνα), (β) σημεία πλέγματος χωρίς σημαντικές ανακαλύψεις ECV SM (π.χ. περιοχές πυκνής βλάστησης, ισχυροτογραφία ή μόνιμο κάλυμμα πάγου) και (γ) επιλεγμένα σημεία πλέγματος για ανάλυση.

Στην εικόνα 3, παρουσιάζεται η στατιστική κατανομή των RMSEe, RMSEband RMSEncomputed, αντίστοιχα, με τα υπολείμματα ePDF, bPDF και nPDF με βάση τη διαδικασία διασταυρούμενης επικύρωσης (cross validation) εξόδου-εξόδου-out-time των ECV τιμών SM με μέση τιμή σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα αυτά τα σημεία πλέγματος εντός της περιοχής μελέτης. Συνολικά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το RMSEeare είναι μικρότερο από το RMSEband και RMSEn για τουλάχιστον 75% των σημείων πλέγματος σε όλες τις μέσες χρονικές κλίμακες. Τα συγκρινόμενα αποτελέσματα αποδεικνύουν επίσης ότι η κατανομή συχνότητας του RMSEe, δηλαδή των αντίστοιχων άνω και κάτω τεταρτημορίων, παρόμοια για όλα τα χρονικά πλαίσια της ανάλυσης. Οι διαφορές μεταξύ των εξεταζόμενων παραμέτρων παρουσιάζονται γραφικά στην εικόνα 4.

Eικόνα 3: Οι κατανομές συστοιχιών συχνοτήτων των RMSEs υπολογίζονται με τη διαδικασία διασταυρούμενης επικύρωσης για το ePDF (πορτοκαλί), nPDF (πράσινο) και bPDF (μωβ) προσαρμοσμένες στις μέσες μηνιαίες, εποχιακές, εξαμηνιαίες και ετήσιες παρατηρήσεις ECV SM κατά την περίοδο από τον Ιανουάριο του 1981 έως τον Δεκέμβριο του 2010.