Τηλεπισκόπηση για τις βαθιες στραγγισεις

Από RemoteSensing Wiki

Τίτλος: Χρήση της τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση της ωφέλιμης ζώνης όπου οι βαθιές αποστραγγίσεις βελτιώνουν την παραγωγικότητα της γης που πλήττεται από ρηχά αλατούχα υπόγεια ύδατα

Πρωτότυπος Τίτλος : Remote sensing for assessing the zone of benefit where deep drains improve productivity of land affected by shallow saline groundwater

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030147971400543X

Συγγραφείς: H.T. Kobryn a, R. Lantzke a, R. Bell a, R. Admiraal

Εικόνα 1: Επισκόπηση της θέσης της βαθιάς αποστράγγισης (σκούρα μπλε γραμμή) και των ρυθμιστικών ζωνών των 500 μέτρων (μαύρη γραμμή με λευκό περίγραμμα) σε όλες τις περιοχές. Οι θέσεις επικύρωσης πεδίου σημειώνονται με :.

Εικόνα 2: Συστηματική υποδειγματοληψία με βάση απόσταση 100 m μεταξύ των εικονοστοιχείων, όπως απεικονίζεται για το Dumbleyung. Η θέση της αποστράγγισης απεικονίζεται με σκούρο μπλε χρώμα. .

Εικόνα 3: Ετήσια βροχόπτωση (mm) σε όλες τις περιοχές βαθιάς αποστράγγισης 1998-2009, με τον μακροπρόθεσμο μέσο όρο να υποδεικνύεται με τη διακεκομμένη γραμμή (BoM, 2012). Το κάτω δεξιό ένθετο απεικονίζει τη μακροπρόθεσμη μέση βροχόπτωση με τις βασικές ισοϋψείς των 300 mm και 500 mm και τις πέντε τοποθεσίες πεδίου που απεικονίζονται ως μαύρα πολύγωνα, M Morawa, Pe Pithara, Be Beacon, Ne Narembeen καιDe Dumbleyung.

Εικόνα 4: Διαγράμματα του μέσου NDVI ανάλογα με την απόσταση από τον αγωγό για τετράγωνα των 50 μέτρων και ανά έτος για κάθε μία από τις πέντε περιοχές. Οι κατακόρυφες ράβδοι χρησιμοποιούνται για να υποδηλώσουν τα αντίστοιχα τυπικά σφάλματα, και οι μέσες τιμές NDVI που αντιστοιχούν στα έτη μετά την εγκατάσταση των αποστραγγιστικών αγωγών συμβολίζονται με στερεά σύμβολα.

Εικόνα 5: Εικόνες άνοιξης NDVI για το Dumbleyung. Οι τιμές έχουν τεντωθεί στο εύρος 0,0-0,7 και απεικονίζονται χρησιμοποιώντας την παλέτα χρωμάτων NDVI, όπου όσο πιο πράσινη (σκούρα) είναι η εικόνα, τόσο υψηλότερες οι τιμές NDVI. Η βαθιά αποστράγγιση εγκαταστάθηκε τον Δεκέμβριο του 2002, οπότε οι τέσσερις πάνω εικόνες αντιπροσωπεύουν δεδομένα πριν από την αποστράγγιση και οι τρεις κάτω εικόνες (από αριστερά) δείχνουν την αντίδραση της βλάστησης μετά την εγκατάσταση της αποστράγγισης. Η κάτω δεξιά εικόνα είναι μια τυποποιημένη εικόνα διαφοράς μεταξύ του NDVI για τα έτη 2003-2007, με πιο σκούρο τόνο που υποδηλώνει περιοχές με βελτίωση. Ο μέσος NDVI για το 2003 (πριν από την αποστράγγιση) ήταν 0,495 σε σύγκριση με μέσο όρο 0,502 το 2007

Εικόνα 6: Απεικόνιση των ανοιξιάτικων τιμών NDVI σε συνάρτηση με την απόσταση από την αφετηρία του αποστραγγιστικού δικτύου μέχρι την εκβολή του, από εικονοστοιχεία που βρίσκονται σε μια τομή 50 m δυτικά του αποστραγγιστικού δικτύου, στη Θέση Beacon

Περίληψη

Οι βαθιές αποστραγγίσεις είναι μια δαπανηρή τεχνική μέθοδος που χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση της αλατότητας του εδάφους που προκαλείται από τα ρηχά υπόγεια ύδατα. Η οικονομική βιωσιμότητα αυτής της θεραπείας εξαρτάται από τον πλευρικό βαθμό στον οποίο η αποστράγγιση αυξάνει τη βιολογική παραγωγικότητα με τη μείωση του υδροφόρου ορίζοντα και της αλατότητας του εδάφους. Δοκιμάστηκε μια πολυχρονική μέθοδος δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την ανάλυση των αλλαγών στην κατάσταση της βλάστησης γύρω από τις περιοχές βαθιάς αποστράγγισης σε πέντε τοποθεσίες στην ζώνη σιταριού της Δυτικής Αυστραλίας που επηρεάζονται από την αλατότητα των ξηροθερμικών εδαφών. Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI) αυξήθηκε με το υψόμετρο, την κλίση και την απόσταση από την αποστράγγιση. Η μελέτη διαπίστωσε επίσης ότι η πλευρική έκταση του οφέλους για τη βιολογική παραγωγικότητα αξιολογήθηκε σε όλο το μήκος της αποστράγγισης. Η μέθοδος κατέδειξε τη χρησιμότητα των εαρινών εικόνων NDVI για την ταχεία αξιολόγηση των αλλαγών στην κατάσταση της περιοχής μετά την αποστράγγιση.

Εισαγωγή

Η μελέτη πραγματεύεται το ζήτημα της αλατότητας των ξηρών εδαφών, ιδίως στη νοτιοδυτική περιοχή της Αυστραλίας, γνωστή ως " wheatbelt". Η αλατότητα των ξηρών εδαφών προκαλείται από την αυξημένη αναπλήρωση νερού στον ημιπεριορισμένο υδροφορέα, φέρνοντας αλατούχα υπόγεια ύδατα κοντά στην επιφάνεια. Το φαινόμενο αυτό επηρεάζει αρνητικά την αλατότητα του εδάφους στη ζώνη των ριζών, οδηγώντας σε μείωση της παραγωγικότητας των φυτών, ζημιές στις υποδομές και αρνητικές επιπτώσεις στα οικοσυστήματα. Για την αντιμετώπιση της αλατότητας στις ξηρές εκτάσεις χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές, όπως η αναβλάστηση, η καλλιέργεια πολυετών καλλιεργειών με υψηλή κατανάλωση νερού και η εγκατάσταση βαθιάς αποστράγγισης. Οι βαθιές αποστραγγίσεις, οι οποίες έχουν βάθος 2-3 μέτρα, αποσκοπούν στη μείωση του υδροφόρου ορίζοντα και στην άμβλυνση των επιπτώσεων της αλατότητας με την αύξηση της παροχέτευσης των υπόγειων υδάτων και της καθαυτό έκπλυσης των αλάτων. Η αποτελεσματικότητα της βαθιάς αποστράγγισης αξιολογείται μέσω της παρακολούθησης και της αξιολόγησης της παραγωγικότητας της γης πριν από την αποστράγγιση. Οι παραδοσιακές εκτιμήσεις στο πεδίο είναι δαπανηρές, γεγονός που οδήγησε στη διερεύνηση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS) για τη χαρτογράφηση των περιοχών που επηρεάζονται από το αλάτι. Δείκτες βλάστησης, όπως ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI), που προέρχονται από δορυφορικά δεδομένα, χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των αλλαγών στη φυτοκάλυψη με την πάροδο του χρόνου. Στόχος της μελέτης είναι να διαπιστωθεί αν υπάρχουν αλλαγές στην κάλυψη της βλάστησης γύρω από τις βαθιές αποστραγγίσεις και να αξιολογηθούν στοιχεία για μια "ζώνη οφέλους" από τη βαθιά αποστράγγιση σε επιλεγμένες περιοχές , επίσης υπογραμμίζει τη σημασία της ακριβούς παρακολούθησης και αξιολόγησης σε διαφορετικές κλίμακες για την καθοδήγηση της αποτελεσματικής εφαρμογής των τεχνικών βαθιάς αποστράγγισης και την αντιμετώπιση της έλλειψης λεπτομερούς αξιολόγησης της αποτελεσματικότητάς τους.

Υλικά και Μέθοδοι

Η μελέτη καλύπτει πέντε τοποθεσίες στη νοτιοδυτική περιοχή της Δυτικής Αυστραλίας, με διαφορετικά πρότυπα βροχόπτωσης: Το Dumbleyung με αποστράγγιση που εγκαταστάθηκε τον Δεκέμβριο του 2002, το Narembeen: Περίπου 40 χλμ. ανατολικά του Narembeen, με αποστράγγιση που εγκαταστάθηκε τον Ιούλιο του 1999, Φάρος που Βρίσκεται περίπου 250 χλμ. βορειοανατολικά του Περθ, με αποχέτευση που ολοκληρώθηκε τον Οκτώβριο του 2005, το Pithara που Βρίσκεται 23 χλμ. ανατολικά της Pithara, με αποχέτευση που εγκαταστάθηκε τον Αύγουστο του 2004 και το Morawa, Η βορειότερη τοποθεσία, που βρίσκεται 370 χλμ. βόρεια του Περθ, με αποχέτευση μήκους σχεδόν 7 χλμ. που ολοκληρώθηκε τον Ιανουάριο του 2005. Χρησιμοποιήθηκαν ιστορικά δορυφορικά δεδομένα Landsat Thematic Mapper (TM) από τα προγράμματα Land Monitor και AgImage.Η ανάλυση επικεντρώθηκε στον δείκτη NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) σε αποστάσεις 500 m γύρω από τις αποχετεύσεις και σε αποστάσεις ελέγχου 700-1000 m. Για την ανάλυση εξήχθησαν οι ανοιξιάτικες τιμές NDVI. Τα δεδομένα Landsat TM υποβλήθηκαν σε ατμοσφαιρικές και γεωμετρικές διορθώσεις, επαναδειγματοληψία σε ανάλυση 25 m και γεωαναφορά με ακρίβεια ± ¼ pixel.

Για την εξαγωγή δεδομένων NDVI δημιουργήθηκαν ρυθμιστικά όρια 500 m γύρω από τις αποχετεύσεις, λαμβάνοντας υπόψη την πιθανή ζώνη επιρροής των αποχετεύσεων. Χρησιμοποιήθηκε ένα πρόσθετο ρυθμιστικό πεδίο μάσκας 36 m.Τα ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά, όπως οι αγωγοί, οι δρόμοι και τα τμήματα αυτοφυούς βλάστησης, καλύφθηκαν με τη χρήση αεροφωτογραφιών και διανυσματικών δεδομένων GIS.

Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα ψηφιακού μοντέλου υψομέτρου (DEM) για τον υπολογισμό του υψομέτρου και της κλίσης του εδάφους. Οι πληροφορίες αυτές ελήφθησαν υπόψη στο πλαίσιο της επιρροής των αποχετεύσεων .Οι εικόνες NDVI προέκυψαν από δεδομένα Landsat και έγιναν διαχρονικές συγκρίσεις για τις περιόδους πριν και μετά την κατασκευή του αγωγού, εστιάζοντας σε συγκρίσιμα έτη ανοιξιάτικων βροχοπτώσεων. Χρησιμοποιήθηκε στατιστική μοντελοποίηση, συγκεκριμένα ένα γραμμικό μοντέλο μικτών επιδράσεων, για να διερευνηθούν οι σχέσεις μεταξύ του NDVI, της απόστασης από τον αγωγό και της παρουσίας του αγωγού. Το μοντέλο έλαβε υπόψη σταθερές επιδράσεις (υψόμετρο, κλίση, απόσταση, ζώνη επιρροής, τοποθεσία, εγκατάσταση αποστράγγισης) και τυχαίες επιδράσεις για μεμονωμένα εικονοστοιχεία. Η αποτελεσματικότητα του μοντέλου αξιολογήθηκε με τη σύγκρισή του με μειωμένα μοντέλα χρησιμοποιώντας το κριτήριο πληροφοριών Akaike (AIC) και το Bayesian κριτήριο πληροφοριών (BIC). Αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση αποσκοπούσε στην αξιολόγηση του αντίκτυπου της βαθιάς αποστράγγισης στην απόκριση της βλάστησης σε διάφορες τοποθεσίες και συνθήκες βροχόπτωσης.

Αποτελέσματα

Από τα Μοτίβα βροχόπτωσης για (1997-2009), φαίνεται ότι το Dumbleyung είχε την υψηλότερη μέση βροχόπτωση, ενώ η Morawa τη χαμηλότερη. Η Pithara και το Beacon είχαν εκτεταμένα δίκτυα αποχέτευσης με μεγαλύτερες ρυθμιστικές περιοχές. Περίπου το 70% της Morawa έπρεπε να καλυφθεί λόγω μη γεωργικής χρήσης γης ακι περιοχές ελέγχου (700-1000 m από τον αγωγό) κυμαίνονταν από 150-470 ha. Παρατηρήθηκε μια γενική θετική συσχέτιση μεταξύ του NDVI και της απόστασης από τον αγωγό. Ο αγωγός εμφανίστηκε λιγότερο αποτελεσματικός σε περιοχές που βρίσκονταν πιο κοντά σε αυτόν. Καμία σαφής χονδρική μετατόπιση των τιμών του NDVI μετά την εγκατάσταση της αποστράγγισης.

Αποτελέσματα ανά περιοχή:

Dumbleyung: Χαμηλότερες ετήσιες βροχοπτώσεις το 2002 και το 2007. Αύξηση του NDVI μετά την αποστράγγιση, με μεταβλητές περιοχές ωφέλειας.

Narembeen: Μεταβλητή ετήσια βροχόπτωση. Σημαντική χωρική μεταβλητότητα του NDVI, βελτίωση σε ορισμένες περιοχές. Ο NDVI γενικά αυξήθηκε με την απόσταση από την αποστράγγιση.

Beacon: Σταθερά μειούμενη ετήσια βροχόπτωση. Μεγαλύτερο μήκος αποστράγγισης, χωρική μεταβλητότητα του NDVI. Βελτίωση κοντά στον αγωγό, σημαντική μεταβλητότητα.

Pithara: Μεταβλητές βροχοπτώσεις, μεγαλύτερη ρυθμιστική περιοχή. Χωρική μεταβλητότητα του NDVI, τάση αύξησης του NDVI μακριά από την αποστράγγιση. Βαθύτεροι αγωγοί ελαφρώς πιο αποτελεσματικοί.

Morawa: Σχετικά μικρή καλλιεργούμενη έκταση εντός ρυθμιστικού διαφράγματος 500 μέτρων. Ο NDVI αυξάνεται σταδιακά με την απόσταση από τον αγωγό. Γενικά υψηλότερες τιμές NDVI μετά την αποστράγγιση.

Ανάλυση μεικτού μοντέλου:

Εξετάστηκαν οι επιδράσεις στο NDVI του υψομέτρου του εδάφους, της κλίσης, της απόστασης από την αποστράγγιση, της τοποθεσίας, της εγκατάστασης της αποστράγγισης και των αλληλεπιδράσεων. Τόσο η απόσταση από τον αγωγό όσο και η εγκατάσταση του αγωγού άλλαξαν την απόκριση του NDVI, με θετικές επιδράσεις. Οι αλληλεπιδράσεις αποστράγγισης και τοποθεσίας ήταν σημαντικές, επηρεάζοντας τις μεταβολές του NDVI. Ο αρνητικός συντελεστής για τον "Έλεγχο" (700-1000 m από τον αγωγό) υποδηλώνει χαμηλότερο NDVI εκτός της ζώνης επιρροής του αγωγού. Η μελέτη υποδηλώνει μια διαφοροποιημένη σχέση μεταξύ βαθιάς αποστράγγισης, NDVI και περιβαλλοντικών παραγόντων, με μεταβλητά αποτελέσματα ανάλογα με τις τοποθεσίες και τις συνθήκες βροχόπτωσης. Το μοντέλο μεικτών επιδράσεων υπογραμμίζει τη σημασία της συνεκτίμησης πολλαπλών παραγόντων κατά την αξιολόγηση της απόκρισης της βλάστησης στην αποστράγγιση.

Περίληψη συζήτησης:

Τα αποτελέσματα του μοντέλου γραμμικών μικτών επιδράσεων δείχνουν αύξηση του NDVI με την απόσταση και την εγκατάσταση αποστράγγισης. Πραγματοποιήθηκε περιορισμένη επιτόπια εξακρίβωση της αλήθειας, αλλά υποστηρίζεται από προηγούμενες μελέτες Οι δοκιμές αποκατάστασης της απόδοσης των καλλιεργειών στο Dumbleyung και στο Beacon ευθυγραμμίζονται με τον αυξημένο NDVI μετά την αποστράγγιση. Οι Morawa και Pithara παρουσιάζουν περιορισμένη μεταβολή του NDVI, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα των υπόγειων υδάτων.

Η προσέγγιση της τηλεπισκόπησης παρέχει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της περιοχής μελέτης. Ο NDVI συσχετίζεται με δείκτες παραγωγικότητας της γης- η απόκρυψη των μη καλλιεργούμενων περιοχών είναι ζωτικής σημασίας. Εναλλακτικές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν δειγματοληψία σε διατομές, ιδίως για την αξιολόγηση των αλλαγών σε κλίμακα paddock. Προτείνεται χωρική δειγματοληψία κατά μήκος των τμημάτων αποστράγγισης και χρονική ανάλυση μετά την αποστράγγιση. Η γεωμορφολογία, η γεωλογία και η κλίση του εδάφους είναι σημαντικές για την ανάλυση.

Η κλίση του εδάφους και το υψόμετρο μπορούν να μπερδέψουν τα αποτελέσματα της αποστράγγισης, οπότε η προσαρμογή τους είναι απαραίτητη. Η μεταβλητή της κλίσης μπορεί να μην καταγράφει πλήρως τις επιδράσεις του περιγράμματος, ενώ η μεταβλητή της απόστασης μπορεί να αντικατοπτρίζει εν μέρει την κλίση. Η επίδραση της υποκείμενης γεωλογίας στην απόρριψη των υπόγειων υδάτων δεν λαμβάνεται υπόψη στη μελέτη. Προτείνεται ανάλυση κόστους-οφέλους για την ανάκτηση της γεωργικής παραγωγής μετά την αποστράγγιση. Ανάγκη για συνεχή παρακολούθηση, ιδίως με τις προβλεπόμενες κλιματικές αλλαγές που υποδεικνύουν μειωμένες βροχοπτώσεις.

Συμπεράσματα

Ο δορυφορικός δείκτης NDVI είναι ένας χρήσιμος δείκτης της αποτελεσματικότητας της βαθιάς αποστράγγισης στον μετριασμό της υφαλμύρωσης και της αλατότητας. Όλες οι τοποθεσίες επωφελούνται από τις αποστραγγίσεις, αλλά η έκταση ποικίλλει. Μία μόνο εικόνα NDVI ανά εαρινή περίοδο μπορεί να μην αποτυπώνει πλήρως την υγεία των καλλιεργειών και προτείνονται εναλλακτικές προσεγγίσεις χωρικής δειγματοληψίας. Η μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι ο δορυφορικός NDVI είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των βαθιών αποστραγγιστικών στην αντιμετώπιση των προβλημάτων υφαλμύρωσης και αλατότητας. Ενώ τα οφέλη παρατηρούνται σε όλες τις τοποθεσίες, συνιστάται περαιτέρω παρακολούθηση και εναλλακτικές προσεγγίσεις αξιολόγησης για μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση.