Αξιολόγηση της τηλεπισκόπησης στην εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας και εφαρμογή σε λεκάνη απορροής στη Γερμανία
Από RemoteSensing Wiki
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΣΤΗ ΓΕΡΜΑΝΙΑ
Συγγραφείς: Μήτση Τερψιχόρη(1), Βασιλάκος Χρήστος (2), Τζωράκη Ουρανία (3), Dietrich Jörg (4)
1) Τελειόφοιτος Γεωγράφος, Τμήμα Γεωγραφίας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Λόφος Πανεπιστημίου, 81100, Μυτιλήνη
2) ΕΔΙΠ, Τμήμα Γεωγραφίας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Λόφος Πανεπιστημίου, 81100, Μυτιλήνη
3) Επίκουρος Καθηγήτρια, Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Λόφος Πανεπιστημίου, 81100, Μυτιλήνη,
4) Ερευνητής, Institute of Water Resources Management, Hydrology and Agricultural Hydraulic Engineering, Leibniz University of Hannover, dietrich@iww.uni-hannover.de
Πηγή: [1]
Περίληψη:
Λόγω της κλιματικής αλλαγής προβλέπονται σημαντικές μεταβολές στα υδάτινα σώματα με πολλαπλές επιπτώσεις σε πολλές υδρολογικές, βιολογικές και βιοχημικές διεργασίες. Η υγρασία του εδάφους είναι η βασική μεταβλητή της επιστήμης της υδρολογίας και απαραίτητη για τη μοντελοποίηση διαδικασιών που περιλαμβάνουν την ανταλλαγή νερού και ενέργειας σε συνάρτηση με τις κλιματικές μεταβολές. Η διατάραξη του υδρολογικού κύκλου έχει σοβαρές επιπτώσεις στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. Ιδιαίτερα στη γεωργία, όπου μπορεί να προκληθεί χαμηλή απόδοση ή και καταστροφή των καλλιεργειών. Ως εκ τούτου η παρακολούθηση και διαχείρισή της είναι βασικός παράγοντας ενίσχυσης της γεωργικής παραγωγής. Συνεπώς η εδαφική υγρασία είναι ένα φαινόμενο άξιο μελέτης και η τηλεπισκόπηση προσφέρει τη δυνατότητα παρακολούθησης μεγάλων εκτάσεων σε σύντομα και τακτικά χρονικά διαστήματα. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μοντελοποίηση της εδαφικής υγρασίας με τη χρήση των τηλεπισκοπικών δεικτών NDWI, NDMI και TVDI. Η μεθοδολογία εφαρμόσθηκε σε λεκάνη απορροής του ποταμού Ilmenau στη Βόρεια Σαξονία της Γερμανίας για το χρονικό διάστημα 2002-2012. Ο ποταμός Ilmenau, παραπόταμος του Έλβα, είναι ο μεγαλύτερος παραπόταμος της περιοχής με μήκος 107 χλμ και εκβάλλει στην Βόρεια Θάλασσα. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από γεωργικές εκτάσεις με κύριες τις καλλιέργειες σιταριού, πατάτας και ενεργειακή καλλιέργεια καλαμποκιού. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν είναι εικόνες που ελήφθησαν από τους δορυφόρους Landsat 5 TM και Landsat 7 ETM, ενώ χρονοσειρές εδαφικής υγρασίας εξήχθησαν από το υδρολογικό μοντέλο ΑΜΒΕΤΙ. Η προεπεξεργασία των δορυφορικών εικόνων περιλαμβάνει τη ραδιομετρική διόρθωση, καθώς και αφαίρεση νεφών και σκιάσεων των νεφών. Ο δείκτης TVDI υπολογίστηκε βασιζόμενος στη θερμοκρασία εδάφους (Ts) και το δείκτη βλάστησης NDVI. Η διαδικασία υπολογισμού του απαιτεί την εύρεση εμπειρικών παραμέτρων που προέρχονται από τα διασποροδιαγράμματα των τιμών των pixels στο δισδιάσταστο χώρο Ts/NDVI. Για την βαθμονόμηση των μοντέλων χρησιμοποιήθηκαν τιμές υγρασίας προερχόμενες από το υδρολογικό μοντέλο ΑΜΒΕΤΙ, το οποίο εφόσων έχει βαθμονομηθεί σε συγκεκριμένες θέσεις, υπολογίζει σε ημερήσια βάση την εδαφική και ατμοσφαιρική υγρασία μέσα από διάφορες διεργασίες όπως τη διαπνοή και εξάτμιση του εδάφους και τις μικροκλιματικές συνθήκες του χώματος. Η συσχέτιση μεταξύ δορυφορικών δεδομένων και δεδομένων του μοντέλου AMBETI εξετάσθηκε με τη μέθοδο της απλής γραμμικής παλινδρόμησης, όπου ως εξαρτημένη μεταβλητή τέθηκαν οι τιμές του μοντέλου ΑΜΒΕΤΙ, ενώ ως ανεξάρτητες οι τηλεπισκοπικοί δείκτες όπως περιγράφηκαν παραπάνω. Για τον υπολογισμό του TVDI εξετάσθηκαν 2 διαφορετικοί τρόποι δημιουργίας των διασποροδιαγραμμάτων. Εξετάσθηκε η προτεινόμενος βιβλιογραφικά μέθοδος όπου για κάθε εικόνα ξεχωριστά δημιουργήθηκε το διασπορόγραμμά της, ενώ εξετάσθηκε και η περίπτωση όπου από όλα τα διαθέσιμα δεδομένα θα δημιουργηθεί ένα κοινό διασπορόγραμμα. Επίσης, εξετάσθηκαν οι συσχετίσεις μεταξύ εξαρτημένης και ανεξάρτητων μεταβλητών σε δύο διαφορετικά σημεία εντός της λεκάνης απορροής με διαφορετικό τύπο εδαφοκάλυψης, ένα για δασικές εκτάσεις και ένα για αγροτικές καλλιέργειες. Τέλος, εξετάσθηκε αν η εκτιμώμενη υγρασία επηρεάζεται από τον τύπο του δέκτη. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η συσχέτιση του μοντέλου AMBETI παρουσιάζει θετική σχέση και συσχετίζεται καλύτερα με το δείκτη TVDI (R2=0.6847) και τη θερμοκρασία εδάφους (R2=0.6813). Όσον αφορά στη συσχέτιση της υγρασίας AMBETI με τις δασικές εκτάσεις η σχέση είναι μέτρια με δείκτη TVDI (R2=0.558) ενώ οι γεωργικές εκτάσεις παρουσιάζουν καλύτερη συσχέτιση (R2=0.7738). Και οι δύο τύποι δεκτών παρουσίασαν θετική συσχέτιση με καλύτερη αυτή του Landsat 5 (R2=0.7815) έναντι του Landsat 7 (R2=0.7129). Τέλος, από τα διαγράμματα της χρονικής διακύμανσης του μοντελοποιημένου AMBETI και του πραγματικού παρουσιάζεται η σύγκληση των τάσεων. Συμπερασματικά, η χρήση της τηλεπισκόπησης στην επιστήμη της υδρολογίας και ιδιαίτερα στην εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας είναι σημαντική. Σε αντίθεση με σημειακά μοντέλα ή με επίγειες μετρήσεις, η τηλεπισκόπηση δίνει τη δυνατότητα να εκτιμηθεί η χωρική διακύμανση της εδαφικής υγρασίας και μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο στη διαχείριση των υδάτινων πόρων στη γεωργία.
Συμπεράσματα
Μέσα από αυτή την εργασία γίνεται μία προσπάθεια εκτίμησης της εδαφικής υγρασίας με τη χρήση τηλεπισκόπησης. Το επιστημονικό ερώτημα που διερευνάται αφορά το κατά πόσο υπάρχει συσχέτιση των τιμών λευκαύγειας που καταγράφονται από ένα δορυφορικό δέκτη με τις τιμές ενός ατμοσφαιρικού μοντέλου που παράγει εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας. Η κύρια επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων είχε ως στόχο την παραγωγή ορισμένων δεικτών που εκφράζουν έμμεσα την υγρασία εδάφους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι υπάρχει σημαντική συσχέτιση μεταξύ των προτεινόμενων βιβλιογραφικά δεικτών και των εκτιμώμενων τιμών υγρασίας από το ατμοσφαιρικό μοντέλο AMBETI. Το μεγάλο πλεονέκτημα της προτεινόμενης μεθόδου είναι ότι πλέον με την εφαρμογή του τελικού μοντέλου είναι δυνατή η εκτίμηση της χωρικής κατανομής της εδαφικής υγρασίας, η οποία αποτελεί σημαντική παράμετρο στη διαχείριση των αγροτικών εκτάσεων και κυρίως στον τομέα της άρδευσης. Παρόλα αυτά, προτείνεται η περεταίρω διερεύνηση της μεθοδολογίας λαμβάνοντας υπόψη και πραγματικές μετρήσεις υγρασίας εδάφους. Η διερεύνηση αυτή μπορεί να περιλαμβάνει και τη διαφοροποίηση των τύπων εδαφοκάλυψης δεδομένου ότι, όπως διαπιστώθηκε και από τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, ο τύπος εδαφοκάλυψης επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα των αποτελεσμάτων. Η προτεινόμενη μέθοδος έχει εφαρμογή για περιοχές με ομοιογενή τύπο εδαφοκάλυψης, όσο είναι το μέγεθος του pixel του Landsat (30m) και κυρίως όταν το έδαφος δεν καλύπτεται από την κώμη των δέντρων ή το φύλλωμα των καλλιεργειών.
