Εκτίμηση περιοχικής Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής με χρήση Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Η μελέτη της εξατμισοδιαπνοής και η αξιοποίησή της στην εκτίμηση ενός ακραίου μετεωρολογικού-υδρολογικού φαινομένου, όπως π.χ. η ξηρασία, διαδραματίζει ουσιαστικό ρόλο στην ορθολογική διαχείριση των υδατικών πόρων μιας περιοχής, και ιδιαίτερα σε μια αγροτική περιοχή, όπως η Θεσσαλία. Στόχος της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η εκτίμηση της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στο υδατικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας.

Ο υπολογισμός της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής έγινε με την εμπειρική μέθοδο των Blaney- Criddle, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί στις δυτικές ΗΠΑ, σε ξηροθερμικά κλίματα. Η χρονοσειρά που χρησιμοποιήθηκε αφορούσε θερμοκρασιακά δεδομένα από δορυφορικές εικόνες του δορυφόρου NOAA /AVHRR, για τη χρονική περίοδο από το 1981 έως και το 2001. Ο απώτερος σκοπός ήταν η δυνατότητα της χρήσης των αποτελεσμάτων της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής για την εκτίμηση της ξηρασίας στην περιοχή, με τη μέθοδο Palmer.

Μια εύχρηστη μέθοδος, όπως η Blaney- Criddle, σε συνδυασμό με την εφαρμογή σύγχρονων μεθοδολογιών (Τηλεπισκόπηση και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών), έδωσε τη δυνατότητα μελέτης και ανάλυσης του φαινομένου τόσο χωρικά, παρουσιάζοντας τη μεταβολή του σε όλη την επιφάνεια της περιοχής μελέτης, όσο και χρονικά, κατά το πέρασμα των εικοσιένα ετών στην περιοχή. Τα αποτελέσματα της έρευνας αφορούσαν χάρτες δυνητικής εξατμισοδιαπνοής, για κάθε δεκαήμερο της χρονοσειράς των δεδομένων, και για συνολικά όλη την έκταση του υδατικού διαμερίσματος της περιοχής.

Εισαγωγή

Εξατμισοδιαπνοή ονομάζεται το σύνολο των πραγματικών απωλειών νερού μέσω της εξάτμισης των εδαφών και της διαπνοής της χλωρίδας. Η εξατμισοδιαπνοή από εδαφικές επιφάνειες εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα νερού στο έδαφος και κατά συνέπεια και στους ιστούς των φυτών.

Μέσα από έρευνες, έχει υπολογιστεί ότι ένα σημαντικό ποσοστό των κατακρημνισμάτων που πέφτουν στο χερσαίο τμήμα της γης, πάνω από το 60%, χάνεται με τους μηχανισμούς της εξάτμισης και της διαπνοής. Το μεγάλο αυτό ποσοστό των υδρολογικών απωλειών εξηγεί την ιδιαίτερη σημασία των αντίστοιχων φυσικών διεργασιών στο υδατικό ισοζύγιο και ιδιαίτερα στην υδατική οικονομία μιας περιοχής. Η ακριβής εκτίμηση των συνολικών απωλειών θα επέτρεπε τον έμμεσο αλλά ακριβή υπολογισμό του διαθέσιμου υδατικού δυναμικού, δηλαδή της συνολικής απορροής σε οποιαδήποτε χρονική κλίμακα.

Η μελέτη του φαινομένου της εξατμισοδιαπνοής, θεωρείται σημαντικό για μια περιοχή όπως η Θεσσαλία, λόγω της μεγάλης αγροτικής ανάπτυξης που εμφανίζεται εκεί. Η Θεσσαλία χαρακτηρίζεται ως μια από τις μεγαλύτερες αγροτικές περιοχές της Ελλάδας, με καλλιέργειες όπως βαμβάκι, σιτηρά, ελιές, ζαχαρότευτλα και οπωροκηπευτικά, καθώς και σημαντική κτηνοτροφική παραγωγή.

Υλικά και μέθοδοι

Για την εφαρμογή της μεθόδου στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω δεδομένα:

• Δορυφορικές εικόνες (θερμοκρασίας από τα θερμικά κανάλια και δείκτη βλάστησης NDVI) του δορυφόρου ΝΟΑΑ.

Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στη συγκεκριμένη εφαρμογή προέρχονται από το δορυφόρο NOAA/ AVHRR με διακριτική χωρική ικανότητα 8 x 8 Km. Τα στοιχεία αφορούσαν μέσες τιμές θερμοκρασίας δεκαημέρου για μια σειρά ετών από το 1981 έως και το 2001 για την περιοχή όλης της Ελλάδας, και τιμές του δείκτη βλάστησης NDVI για το ίδιο χρονικό διάστημα και την ίδια περιοχή.

• Επίγειες παρατηρήσεις θερμοκρασίας.

Τα επίγεια δεδομένα αφορούσαν τα θερμοκρασιακά στοιχεία των μετεωρολογικών σταθμών Λάρισας, Αγχιάλου, Αγιάς, Ζαγοράς, Τσαριτσάνης, Καλαμπάκας, Καρδίτσας, Τυρνάβου και Βόλου στη Θεσσαλία. Τα στοιχεία ήταν ωριαίες τιμές θερμοκρασίας, για όλους τους μήνες και όλα τα έτη που παρέχονταν

• Πίνακες τιμών φυτικού συντελεστή για κάθε είδος καλλιέργειας και ποσοστών ωρών ημέρας, από βιβλιογραφία.

Χρησιμοποιήθηκαν πίνακες, με τις τιμές του φυτικού συντελεστή που λαμβάνει χώρα στην εξίσωση εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής της μεθόδου Blaney-Criddle. Τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν, αφορούσαν μηνιαίες τιμές των φυτικών συντελεστών αρδευομένων καλλιεργειών, οι οποίοι διαφοροποιούνται ανάλογα το είδος του φυτού και την περιοχή καλλιέργειας του.

• Πληροφοριακά στοιχεία για τα είδη των καλλιεργειών και τις χρήσεις γης της Θεσσαλίας, μέσω του Corine 2000.

Χρησιμοποιήθηκε, το Corine, το οποίο εμφανίζει κατηγοριοποιημένη όλη την Ελλάδα, ανάλογα με τις χρήσεις γης που έχουν καταγραφεί έως και το έτος 2000. Κάθε κατηγορία εμφανίζεται με ένα κωδικό αριθμό, που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη χρήση και πληροφορία. Για τη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι πληροφορίες που αφορούσαν τις λεκάνες απορροής της Θεσσαλίας.

Πίνακας 1: Κατηγορίες χρήσεων γης με βάση το Corine 2000

• Πληροφορίες της βάσης δεδομένων του προγράμματος Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) Arc-View, για τον καθορισμό των λεκανών απορροής της Θεσσαλίας. Χρησιμοποιήθηκαν πληροφορίες της βάσης δεδομένων του προγράμματος Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) Arc-Map, για τον καθορισμό των λεκανών απορροής της Θεσσαλίας. Η ψηφιοποίηση (ο διαχωρισμός) των λεκανών απορροής της Θεσσαλίας, βασίστηκε σε πληροφορίες υψομέτρου μέσα από τα GIS.

H μεθοδολογία εκτίμησης της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής, όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, βασίστηκε στη μέθοδο των Blaney- Criddle (1950). Τα στάδια της μεθοδολογίας αναλύονται παρακάτω και είναι τα εξής:

• Προ-επεξεργασία δορυφορικών εικόνων. Οι εικόνες κάθε δεκαημέρου του ιδίου έτους, ενσωματώθηκαν σε μία εικόνα για κάθε έτος, η οποία περιείχε 36 διαφορετικά επίπεδα, για τα ολοκληρωμένα έτη, όσα δηλαδή και τα δεκαήμερα. Στο τελευταίο βήμα της προεπεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων περιλαμβάνεται η γεωμετρική διόρθωσή τους. Δηλαδή η εισαγωγή σε αυτές προβολικού συστήματος και η προσαρμογή τους στο ελληνικό γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων (EGSA’ 87).

• Καθορισμός υδατικού διαμερίσματος Θεσσαλίας. Έγινε ψηφιοποίηση των λεκανών απορροής και υποπεριοχών αυτών, με βάση εικόνα της περιοχής από παλαιότερη ερευνητική εργασία, και με τη βοήθεια των ισοϋψών της Θεσσαλίας από τη βάση δεδομένων του προγράμματος καθορίστηκαν τα όρια του υδατικού διαμερίσματος (Εικόνα 1).

Εικόνα 1: Όρια υδατικού διαμερίσματος Θεσσαλίας (13.161Km2)

• Εξαγωγή θερμοκρασίας επιφανείας από τις δορυφορικές εικόνες. Για την μετατροπή των αρχικών τιμών των εικόνων από τα δορυφορικά κανάλια 4 και 5 σε θερμοκρασία, εφαρμόστηκαν μια σειρά εξισώσεων ώστε να μετατραπεί η θερμοκρασία που αντιστοιχεί στο 1.5m από το έδαφος σε θερμοκρασία εδάφους.

Εικόνα 2: Χάρτης θερμοκρασίας επιφανείας της περιοχής της Ελλάδας, 1ο δεκαήμερο μηνός Ιουλίου

• Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων θερμοκρασίας.

Οι δορυφορικές εικόνες αφορούσαν, όπως αναφέρθηκε, όλο τον Ελλαδικό χώρο, για τα έτη 1981- 2001. Στη συγκεκριμένη όμως εργασία, η μελέτη αφορούσε μόνο την περιοχή της Θεσσαλίας, και κυρίως το υδατικό διαμέρισμα αυτής (τις λεκάνες απορροής της περιοχής).

Για το λόγο αυτό, μέσα από τα εργαλεία του προγράμματος επεξεργασίας εικόνων Erdas Imagine, εφαρμόστηκε τεχνική με σκοπό το διαχωρισμό του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας, ώστε οι υπόλοιπες εφαρμογές να πραγματοποιηθούν μόνο σε αυτή την περιοχή. Ο διαχωρισμός αυτός έγινε με τη βοήθεια της εικόνας 1, η οποία μετατράπηκε σε συγκεκριμένης μορφής αρχείο, μέσα στο πρόγραμμα Erdas Imagine, και εφαρμόστηκε στις εικόνες και των 21 ετών.

• Υπολογισμός φυτικών συντελεστών και των ποσοστών ωρών ημέρας.

Η εικόνα 1 χρησιμοποιήθηκε σε συνδυασμό με τη βάση δεδομένων του Corine Hellas 2000, και προέκυψε χάρτης του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας, το οποίο περιείχε τις χρήσεις γης που εμφανίζονται στην περιοχή. Η εφαρμογή αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω του προγράμματος Arc Map 9.1. O χάρτης αυτός χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του φυτικού συντελεστή k σε κάθε σημείο των λεκανών απορροής της Θεσσαλίας.

Εικόνα 3: Φυτικοί συντελεστές για το μήνα Ιανουάριο, ανάλογα με το είδος βλάστησης και τις χρήσεις γης

Εικόνα 4: Φυτικοί συντελεστές για το μήνα Ιούλιο, ανάλογα με το είδος βλάστησης και τις χρήσεις γης

Εικόνα 5: Χάρτης υδατικού διαμερίσματος Θεσσαλίας με ενιαίο φυτικό συντελεστή k = 0,68

• Επεξεργασία επίγειων θερμοκρασιακών στοιχείων

Χρησιμοποιήθηκαν ωριαίες τιμές θερμοκρασίας αέρα για τα έτη 1995 έως και 1997, προερχόμενες από τους επίγειους μετεωρολογικούς σταθμούς της Θεσσαλίας. Έγινε υπολογισμός των μέσων τιμών θερμοκρασίας δεκαημέρου, για τα τρία έτη και για το σύνολο εννέα σταθμών. Οι τιμές των δεκαημέρων θερμοκρασίας αέρα από τους επίγειους σταθμούς, συσχετίστηκαν στη συνέχεια με τις τιμές του pixel δεκαημέρου θερμοκρασίας επιφανείας που είχαν προκύψει από τις δορυφορικές εικόνες, πάνω από τον κάθε σταθμό, με χρήση γραμμικής σχέσης παλινδρόμησης. Από το διάγραμμα της συσχέτισης επίγειων και δορυφορικών δεδομένων προέκυψε μια εξίσωση που συνδέει τις δύο μεταβλητές του σχήματος 1 και χρησιμοποιήθηκε για την αναγωγή των τιμών θερμοκρασίας εδάφους των δορυφορικών εικόνων, σε εικόνες με θερμοκρασία αέρα.

Εικόνα 6: Θέση μετεωρολογικών επίγειων σταθμών στo υδατικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας

Σχήμα 1: Διάγραμμα συσχέτισης επίγειων δεδομένων θερμοκρασίας αέρα και δορυφορικών στοιχείων θερμοκρασίας εδάφους για το μετεωρολογικό σταθμό της Λάρισας.

• Υπολογισμός εξατμισοδιαπνοής.

Για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής, χρησιμοποιήθηκε η σχέση 1, η οποία εκτιμά τη δυνητική εξατμισοδιαπνοή με τη μέθοδο Blaney- Criddle. Η σχέση έχει ως εξής: ΕΤp = k * (0.46 * Tα + 8.16) * p (1)

Εικόνα 7: Χάρτης θερμοκρασίας αέρα υδατικού διαμερίσματος Θεσσαλίας.

Αποτελέσματα - Συζήτηση

Η συγκεκριμένη μέθοδος (Blaney- Criddle) παρουσιάστηκε ικανή να περιγράψει το φαινόμενο της εξατμισοδιαπνοής και να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής σε μια περιοχή με Μεσογειακό κλίμα. Φαίνεται καταλληλότερη για τις περιοχές αυτές, σε σχέση με τη μέχρι στιγμής ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδο του Thorthwaite. Οι ερευνητές εξάλλου, είχαν εφαρμόσει την αρχική μελέτη τους σε περιοχές των δυτικών ΗΠΑ, οι οποίες προσομοιάζουν κλιματικά με τις Μεσογειακές συνθήκες.

Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία υπολογισμού της ξηρασίας σε μια περιοχή, ως παράμετρος στις εξισώσεις υδατικού ισοζυγίου, στις οποίες αναφέρονται οι δείκτες ξηρασίας (π.χ. PDSI της μεθόδου Palmer), κατά την εκτίμηση του φαινομένου αυτού.

Σημαντικό, επίσης, είναι το γεγονός ότι η εκτίμηση της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής με αυτή τη μέθοδο, δεν παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία, διότι τα δεδομένα που χρειάζεται (θερμοκρασίες) είναι προσιτά και εύκολο να συγκεντρωθούν. Όσον αφορά τους φυτικούς συντελεστές που χρειάζονται, αυτοί είναι μεν διαθέσιμοι από πίνακες, αλλά για πιο ακριβή αποτελέσματα, θα ήταν καλό να τροποποιούνται και να μετρώνται συγκεκριμένα για την εκάστοτε υπό μελέτη περιοχή.

Ο υπολογισμός των διαφοροποιημένων φυτικών συντελεστών, με τη βοήθεια του Corine, προσέφεραν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη λεπτομέρεια στην εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής, εφόσον εξαρτιόταν από το είδος της βλάστησης και των καλλιεργειών που εμφανίζονται στην περιοχή. Η χρήση ενιαίου φυτικού συντελεστή ίσο με 0,68, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία της υδρολογίας, δε λάμβανε υπόψη την επίδραση της καλλιέργειας, ούτε όσον αφορά το είδος αυτής ούτε το στάδιο ανάπτυξης των φυτών, με αποτέλεσμα να παρουσιάζεται μια πιο ομαλοποιημένη κατάσταση στις τελικές τιμές της εξατμισοδιαπνοής σε όλη την περιοχή (στην περίπτωση αυτή η διαφορά στις τιμές της εξατμισοδιαπνοής προέρχεται από τη διακύμανση της θερμοκρασίας και μόνο).

Σχήμα 2: Σύγκριση εξατμισοδιαπνοής επίγειων και δορυφορικών δεδομένων, για το έτος 1999, στην περιοχή της Ζαγοράς, (με χρήση ενιαίου φυτικού συντελεστή k=0.68).

Σχήμα 3: Σύγκριση εξατμισοδιαπνοής δορυφορικών δεδομένων ενιαίου φυτικού συντελεστή (k = 0,68) και διαφοροποιημένου συντελεστή (k Corine), για το έτος 1999, στην περιοχή της Ζαγοράς.

Πηγή: Κανέλλου Ε. (2006). Εκτίμηση περιοχικής Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής με χρήση Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών Αδημοσίευτη Μεταπτυχιακή Διατριβή. Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Βόλος