Διερεύνηση και παρακολούθηση της γεωθερμικής δραστηριότητας με εικόνες Landsat ETM + για την ηφαιστειακή περιοχή Aso στην Ιαπωνία

Από RemoteSensing Wiki

Διερεύνηση και παρακολούθηση της γεωθερμικής δραστηριότητας χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat ETM +: Μελέτη περίπτωσης στην ηφαιστειακή περιοχή Aso στην Ιαπωνία

Πρωτότυπος τίτλος: Exploration and monitoring geothermal activity using Landsat ETM + images – A case study at Aso volcanic area in Japan

Συγγραφείς: Md. Bodruddoza Mia, Jun Nishijima, Yasuhiro Fujimitsu

Δημοσιεύθηκε: Journal of Volcanology and Geothermal Research, 275, 2014, 14 - 21

Eικόνα 1:Χάρτης με την περιοχή μελέτης, με τον προσανατολισμό και το υψόμετρο από δεδομένα SRTM DEM. Το μαύρο τετράγωνο απεικονίζει την υπο – περιοχή μελέτης, για την οποία και επεξεργάσθηκαν οι εικόνες

Η μελέτη της θερμικής δραστηριότητας και η παρακολούθηση των ενεργά ηφαιστειακών περιοχών με τη χρήση τηλεπισκόπησης είναι βασικό κομμάτι της σύγχρονης ηφαιστειολογίας. Μέσα από το άρθρο, κρίνονται βέλτιστα για παρακολούθηση της θερμοκρασίας ηφαιστειογενών περιοχών τα θερμικά κανάλια του Landsat 7. Στον Landsat 7, προέκυψε βλάβη στο σαρωτή, με αποτέλεσμα ένα τμήμα της εικόνας να έχει μαύρες γραμμές χωρίς δεδομένα, είναι ιδανικά για μία τέτοιου είδους μελέτη. Παράλληλα τονίζεται η σημασία της επιστήμης της Τηλεπισκόπησης στη μελέτη και χαρτογράφηση περιοχών με γεωθερμικά χαρακτηριστικά διότι τα θερμικά κανάλια του δορυφόρου αποδίδουν μια πλήρη εικόνα της υδροθερμικής δραστηριότητας του χώρου. Περιοχή μελέτης αποτελεί το ηφαίστειο Aso, το πιο ενεργό ηφαίστειο της Ιαπωνίας , αλλά και οι γύρω περιοχές του που έχει παρατηρηθεί συνέχεια της γεωθερμικής δραστηριότητας και κάλυψης τους από θερμές πηγές.

Eικόνα 2:Διάγραμμα ροής της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκε

Οι κύριοι στόχοι της μελέτης είναι : 1) Η οριοθέτηση των θερμικά ενεργών περιοχών με τη χρήση των συμβατικών μεθόδων υδροθερμικής αλλοίωσης και θερμικής ανωμαλίας, 2) Η εκτίμηση του ακτινοβολούμενου συστατικού της ροής θερμότητας από το 2002 έως το 2011 από τα δεδομένα θερμικού υπερύθρου Landsat ETM + 3) Ο τελικός υπολογισμός HDR (Heat Discharge Rate), δηλαδή, το βαθμό απώλειας θερμότητας, της περιοχής μελέτης αφού πολλαπλασιάσουμε τη συνολική απώλεια θερμότητας με τον συντελεστή σχέσης μεταξύ RHF (Radiative heat flux) και HDR. Το RHF περιγράφει την αναμενόμενη θερμότητα από τα δορυφορικά δεδομένα.

Για τη διεκπεραίωση της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν εικόνες του δορυφόρου Landsat ETM +, οι οποίες ανήκουν στο χρονικό πλαίσιο μεταξύ 10:35 π.μ. και 10:40π.μ. Χρησιμοποιήθηκε ένα σύνολο 5 σετ εικόνων από το USGS Earth Resource Observation Systems Data Center, οι οποίες πριν επεξεργασθούν διορθώθηκαν ραδιομετρικά και γεωμετρικά. Οι φωτογραφίες έχουν τραβηχτεί τις εξής ημερομηνίες: 16 Οκτωβρίου 2002, 3 Σεπτεμβρίου 2004, 25 Σεπτεμβρίου 2006, 16 Οκτωβρίου 2008 και 23 Σεπτεμβρίου 2011. Σε συνδυασμό με τις εικόνες αξιοποιήθηκαν δεδομένα θερμοκρασίας αέρα από τον τοπικό μετεωρολογικό σταθμό και παράμετροι ατμοσφαιρικής διαπερατότητας από τη NASA, ώστε να αφαιρεθούν τελείως οι επιδράσεις τις ατμόσφαιρας. Στο ακόλουθο διάγραμμα ροής (εικόνα 2) περιγράφεται αναλυτικά η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, η οποία περιγράφει τα βήματα υπολογισμού απώλειας θερμότητας.

Eικόνα 3:Αποτελέσματα της PCA για τη χαρτογράφηση της υδροθερμικής μεταβολής

Τα πρώτα στάδια αφορούν την προ – επεξεργασία της εικόνας, δηλαδή ραδιομετρική και γεωμετρική διόρθωση και επιλογή των επιθυμητών καναλιών, τα οποία στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι τα ορατά, το κοντινό υπέρυθρο NIR, το βραχυκυματικό υπέρυθρο SWIR και το θερμικό TIRS. Στη συνέχεια, σε δεύτερο στάδιο έγιναν 3 προσεγγίσεις για την ανίχνευση των ηφαιστειακών ενεργά περιοχών: 1)χαρτογράφηση υδροθερμικής μεταβολής χρησιμοποιώντας τις συμβατικές τεχνικές (π.χ. προσδιορισμό των γεωθερμικών ορυκτών δείκτη και Principal Components Analysis, PCA), 2)οριοθέτηση της ζώνης θερμικής ανωμαλίας, 3)χαρτογράφηση χρήσεων γης, Ακόμα, έγινε ο υπολογισμός του δείκτη βλάστησης NDVI και ο υπολογισμός της θερμοκρασίας εδάφους (LST).

Eικόνα 4:Θέση της ενεργού περιοχής του Aso χρησιμοποιώντας το μαύρο ορθογώνιο: (a) Ο σύνθετος χάρτης ζώνης (R: G: B = 4: 7: 2) παρουσιάζει την υδροθερμικά μεταβαλλόμενη περιοχή με μπλε χρώμα. (b) Λόγος ζώνης (R: G: B = 7/4: 4/3: 5/7) Ο χάρτης δείχνει υδροθερμικά αλλαγμένα ιόντα σιδήρου στην κόκκινη περιοχή. (δ) Ο χάρτης PCA δείχνει υδροθερμική περιοχή οξειδίου του σιδήρου ως φωτεινότερο εικονοστοιχείο (ε) Χάρτης έκτασης που κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας την τιμή NDVI δείχνει σχεδόν γυμνή περιοχή 6:28 μμhn ενεργή περιοχή. και (στ) Ο χάρτης θερμικής ανωμαλίας δείχνει ορισμένες ενεργές περιοχές ως υψηλότερη LST στο κεντρικό τμήμα μέσα και γύρω από τον κρατήρα Nakadake.

Tέλος, για τον υπολογισμό του RHF έγινε χρήση του νόμου του Boltzmann, ο οποίος προβλέπει πως η ολική ενέργεια που ακτινοβολείται από την μονάδα επιφάνειας ενός μελανού ή ενός φαιού σώματος και ονομάζεται φασματική εκπομπή ή αφετική ικανότητα ή φάσμα της ακτινοβολίας, είναι ευθέως ανάλογη της τέταρτης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του. Η εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε είναι η ακόλουθη:

 Qr = τσε (Ts^4 – Ta^4)

Όπου, Qr είναι το RHF, τ = ατμοσφαιρική διαπερατότητα, σ = η σταθερά του Boltzmann, ε = η εκπομπή (προκύπτει από τον NDVI), Ts = η θερμοκρασία εδάφους LST και Ta = η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε βαθμούς Κέλβιν. Η κάθε παράμετρος που χρησιμοποιήθηκε χαρτογραφήθηκε ώστε να οπτικοποιηθεί το αποτέλεσμα.

Eικόνα 5:Η εδαφοκάλυψη ενεργών ηφαιστειακών περιοχών του Aso που παρασκευάστηκαν με βάση το εύρος των NDVI ως υδατικού συστήματος (NDVI < 0), γυμνού εδάφους (NDVI = 0-0,2), μεικτής έκτασης (NDVI = 0,2-0,5) και βλάστησης (NDVI > 0,5)

Eικόνα 6:Χωρική κατανομή της θερμοκρασίας εδάφους LST στη ζώνη του ηφαιστείου Aso

Eικόνα 7:Χωρική κατανομή του RHF στη ζώνη του ηφαιστείου Aso

Eικόνα 8:Διαγραμματική αναπαράσταση της ανωμαλίας του RHF για την περιοχή μελέτης τον αντίστοιχο χρόνο

Χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες που πήραν από τον Landsat και τις μεθόδους που αναφέρθηκαν προηγουμένως, οι ερευνητές συμπέραναν πως μέσα από τις εικόνες και τον τρόπο που παρουσιάζεται η θερμική ενέργεια φαίνονται ποιες είναι οι θερμικά περισσότερο ενεργές περιοχές του ηφαιστείου, καθώς αυτές απεικονίζονται με εντονότερα χρώματα. Επιπλέον με τη μελέτη που διεξήχθη στη χλωρίδα της περιοχής μελέτης φάνηκε η άμεση σχέση της με την ηφαιστειότητα του τόπου, καθώς έτσι η αυξημένη βλάστηση τονίζει την ευφορία του ηφαιστειακού εδάφους. Παρατηρώντας περισσότερο τις φωτογραφίες εξηγείται η αυξημένη ηφαιστειακή δραστηριότητα καθώς στις φωτογραφίες του 2002 παρατηρείται έντονη διαφοροποίηση στην ένταση των χρωμάτων από αυτές του 2006 και του 2008, δηλαδή η εντονότερη ηφαιστειακή δραστηριότητα παρουσιάζεται με περισσότερο έντονα χρώματα. Επιπρόσθετα, στον κρατήρα το 2004 σημειώνεται το μικρότερο ποσό ενέργειας και στο 2008 το περισσότερο, σύμφωνα με τις τιμές των pixel.

Τέλος, τα μέσα που αξιοποιήθηκαν για την ανάλυση των ιδιαιτεροτήτων της περιοχής έχουν τη δυνατότητα να προβλέψουν την περίπτωση έκρηξης ηφαιστείων αλλά και την γεωθερμική δραστηριότητα κάθε περιοχής. Σύμφωνα με τους ερευνητές τα συμπεράσματα που εξήγαγαν ήταν τα επιθυμητά καθώς κάλυψαν τις ανάγκες της έρευνάς τους και τους στόχους της σε σύντομο χρονικό διάστημα με μικρό κόστος. Με το πέρας της έρευνας απεικονίζεται πλήρως η ηφαιστειακή δραστηριότητα του τόπου, επιπλέον δε οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν είναι ενδεικτικές για την απόδοση των χαρακτηριστικών κάθε περιοχής με ενεργή ηφαιστειακή δραστηριότητα.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]