Μικροκυματική τηλεπισκόπηση στην εκτίμηση της ποιότητας του εδάφους

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: "Microwave remote sensing in soil quality assessment"

Συγγραφείς: S K Saha, - Agriculture and Soils Division, Indian Institute of Remote Sensing (IIRS), Indian Space Research Organization(ISRO), Dehradun, India.

Πηγή: http://www.int-arch-photogramm-remote-sens-spatial-inf-sci.net/XXXVIII-8-W20/34/2011/isprsarchives-XXXVIII-8-W20-34-2011.html

Εισαγωγή

Εικόνα 1 :Εικόνα που δείχνει φανταστικό μέρος της διηλεκτρικής σταθεράς (Α) και ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους (ΕΚ) Χάρτης (Β).

Πληροφορίες για τις χωροχρονικές μεταβολές της ποιότητας του εδάφους (ιδιότητες του εδάφους) είναι απαραίτητες για διάφορους σκοπούς της βιώσιμης γεωργικής ανάπτυξης και διαχείρισης. Διάφοροι ερευνητές στο πρόσφατο παρελθόν έδειξαν την πιθανή χρησιμότητα της τηλεπισκόπησης για την χωρική εκτίμηση των ιδιοτήτων του εδάφους. Η παρούσα εργασία εξετάζει την κατάσταση των τεχνικών μικροκυματικής τηλεπισκόπησης (ενεργητικής και παθητικής) για τη χωροταξική εκτίμηση των παραμέτρων της ποιότητας του εδάφους, όπως η αλατότητα του εδάφους, διάβρωση του εδάφους, φυσικές ιδιότητες (υφή του εδάφους και υδραυλικές ιδιότητες, συνθήκες αποστράγγισης ) και τραχύτητα της επιφάνειας εδάφους.

Μικροκυματική τηλεπισκόπηση - ιδιότητες του εδάφους

Αλατότητα του εδάφους

Η αλατότητα του εδάφους είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα υποβάθμισης του εδάφους που επηρεάζουν την ανάπτυξη των καλλιεργειών και την παραγωγικότητα. Παρά το γεγονός ότι, η οριοθέτηση των εδαφών με αλατότητα είναι δυνατή με τη χρήση δεδομένων οπτικής τηλεπισκόπησης, η οριοθέτηση των εδαφών με αλατότητα είναι δύσκολη στις παράκτιες περιοχές και στις ερήμους και στην περιοχή με εδάφη πλούσια σε μαύρο πηλό, λόγω της φασματικής ανάμειξης με άμμο και φτωχής φασματικής αντίθεσης στην περιοχή μαύρων εδαφών. Η διηλεκτρική σταθερά αποτελείται από τη διαπερατότητα ή πραγματικό μέρος και τον παράγοντα απώλειας ή φανταστικό μέρος. Δεδομένα από το μοντέλο χρονικής πολωσιμετρικής Envisat SAR με (VV & HH) (ASD,2006) χρησιμοποιήθηκαν σε μια ερευνητική μελέτη για τη χαρτογράφηση της χωρικής διακύμανσης της αλατότητας του εδάφους σε τμήμα της περιοχής Unao του Uttar Pradesh. Οι τρεις αλγόριθμοι ανάκτησης διηλεκτρικής σταθεράς (SPM, PO και DM) χρησιμοποιήθηκαν και τα αποτελέσματα αυτών συνενώθηκαν για την ανάκτηση του μεγέθους του φανταστικού μέρους της διηλεκτρικής σταθεράς για τη διάκριση κατηγορίας και τη χαρτογράφηση της αλατότητας εδάφους (Εικ. 1).

Εικόνα 2 :Εικόνα με συντελεστή οπισθοσκέδασης των δεδομένων ERS1 SAR της περιοχής μελέτης - μετά από Gamma MAP προσαρμοσμένο φιλτραρίσμα για την καταστολή των μικρουφών για να τονιστούν οι μεσο-και μακρο υφές.

Εικόνα 3 :Οι τάξεις πυκνότητας της χαράδρας στη μελέτη, βασίζεται σε στοιχεία υφής της ERS SAR εικόνας. (A_B και C_D είναι τα περάσματα της χαράδρας, κατά μήκος της οποίας συλλέχθηκαν επιτόπια δεδομένα για την πυκνότητα χαράδρας ανά τακτά διαστήματα 100 μέτρων.)

Απογραφή διάβρωσης φαραγγιού/χαράδρας/ρέματος

Λόγω της υψηλής ευαισθησίας των μικροκυμάτων SAR στην τραχύτητα εδάφους και στην ικανότητα διείσδυσης βλάστησης (αραιή θαμνώδη βλάστηση και χόρτα), οι τεχνικές μικροκυματικής τηλεπισκόπησης όπως τα SAR δεδομένα και InSAR (Interferrometric SAR) έχουν τα πλεονεκτήματα της οριοθέτηση και του χαρακτηρισμός των χαράδρων/ρεμάτων ως συνάρτηση της πυκνότητας, του βάθους και της επιφάνειας κάλυψης της χαράδρας σε ποσοτικούς όρους. Τα αποτελέσματα μιας ερευνητικής μελέτης (Chatterjee et al 2009) που διεξάχθηκε στο τμήμα της κοιλάδας του ποταμού Chambal (στην περιοχή Uttar Pradesh) έδειξε ότι ο χάρτης πυκνότητος της χαράδρας (Εικ. 3), που παρασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τις τοπικές στατιστικές μετρήσεις υφής της εικόνας εύρους ERS-1 SAR χωρίς κηλίδες(Εικ. 2), ταιριάζει καλά με τις παρατηρήσεις εδάφους. Ο χάρτης (Εικ. 5), που δείχνει τις τρεις κατηγορίες βάθους χαράδρας : ρηχή (<5 m), μέτρια βαθιά (5 - 20 m), και βαθιά (> 20 m), παρασκευάστηκε επίσης χρησιμοποιώντας την απεικόνιση InSAR DEM (Εικ. 4), η οποία παράχθηκε από ένα παράλληλο ζεύγος δεδομένων ERS SAR. Μέτρια βαθιά χαράδρες βρέθηκαν να είναι η πιο διαδεδομένη κατηγορία στην περιοχή μελέτης.

Εικόνα 4 :Interferogram (a) και InSAR - DEM (b) που δημιουργήθηκαν από ζεύγη δεδομένων ERS SAR ταυτόχρονα τον Απρίλιο του 1996 για την περιοχή μελέτης.

Εικόνα 5 :Χωρική διάθεση των διαφόρων κατηγοριών βάθους χαράδρας στην περιοχή μελέτης, όπως λήφθηκε από τα βασισμένα σε InSAR ζεύγη δεδομένων DEM του ERS SAR του 1996.

Υφή του εδάφους και υδραυλικές ιδιότητες

Μια ακριβής εκτίμηση των χωρικά μεταβαλλόμενων φυσικών ιδιοτήτων εδάφους, όπως η υφή και οι υδραυλικές ιδιότητες είναι αναγκαία για την ανάπτυξη αξιόπιστων μοντέλων της ροής και μεταφοράς του νερού σε όλο το σύνολο έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα, για την αποτελεσματική διαχείριση των εδαφικών πόρων για τη βελτίωση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών, καθώς και για τη διατήρηση της ποιότητας του περιβάλλοντος.Αποτελέσματα μελετών έδειξαν ότι υπήρχαν στενές σχέσεις μεταξύ της παθητικής μικροκυματικής τηλεπισκόπησης της θερμοκρασίας και της υγρασίας του εδάφους και των τύπων εδάφους σε σχέση με την κατηγορία υφής του εδάφους (Εικ.6), αυτή η σχέση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιορίσουμε την υφή του εδάφους και την κορεσμένη υδραυλική αγωγιμότητα (KSAT) από μια ακολουθία εικόνων τηλεπισκόπησης της θερμοκρασίας και της υγρασίας εδάφους.

Αποστράγγιση του εδάφους

Μεταξύ των διαφόρων ιδιοτήτων του εδάφους, η αποστράγγιση του εδάφους είναι σημαντική, καθώς επηρεάζει άμεσα την ανάπτυξη των φυτών, τη ροή του νερού και μεταφορά ουσιών στο έδαφος. Για τη μικροκυματική τηλεπισκόπηση, το μέγεθος της οπισθοσκέδασης με ραντάρ από μία επιφάνεια του εδάφους διέπεται από τη διηλεκτρική σταθερά και την τραχύτητα της επιφάνειας του εδάφους. Η διηλεκτρική σταθερά με τη σειρά της, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το ποσοστό υγρασίας του εδάφους και, σε κάποιο βαθμό, από τη σύνθεση της υφής του εδάφους Η μελέτη κατέδειξε την πιθανή χρησιμότητα των δορυφορικών δεδομένων πολωσιμετρικής SAR να κάνουν διακρίσεις και να χαρτογραφούν διαφορετικές κατηγορίες αποστράγγισης, όπως καλά στραγγιζόμενο, μέτρια στραγγιζόμενο, ατελώς στραγγιζόμενο και ανεπαρκώς στραγγιζόμενο μετά από επιβλεπόμενη ψηφιακή ταξινόμηση και κανονική ανάλυση.

Τραχύτητα επιφάνειας του εδάφους

Η τραχύτητα της επιφάνειας του εδάφους (SSR) έχει επιδράσεις στις θερμικές ιδιότητες του εδάφους, το ποσοστό διείσδυσης, την επιφανειακή απορροή και την ευαισθησία του εδάφους στη διάβρωση. Οι χωρικές και χρονικές διακυμάνσεις της SSR μπορούν να προκύψουν από φυσικά ή ανθρωπογενή φαινόμενα, όπως το όργωμα, η διάβρωση, σταγόνες βροχής και φυσική ξήρανση κλπ. (Anderson και Croft, 2009). Οι Rehman et al (2008) ανέπτυξαν μια μεθοδολογία για την ταυτόχρονη εκτίμηση της SSR και της υγρασίας του εδάφους με τη χρήση δεδομένων οπισθοσκέδασης με πολυ-χρονικά και πολυ-γωνιακά ραντάρ μετά την αντιστροφή του μοντέλου Integral Equation (IEM) – μοντέλο οπισθοσκέδασης φυσικού ραντάρ μοντέλο που ποσοτικοποιεί την οπισθοσκέδαση ραντάρ ως συνάρτηση της περιεχόμενης υγρασίας και της τραχύτητας της επιφανείας του μέσου.

Συμπεράσματα

Παλαιότερες και πρόσφατες ερευνητικές μελέτες έδειξαν ότι τόσο οι ενεργητικές όσο και οι παθητικές τεχνικές μικροκυματικής τηλεπισκόπησης έχουν μεγάλες δυνατότητες για την εκτίμηση της υποβάθμισης της γης και την εκτίμηση των διάφορων χαρακτηριστικών του εδάφους, όπως η αλατότητα, η υφή και οι υδραυλικές παραμέτροι, οι συνθήκες διάβρωσης του εδάφους (χαρακτηρισμός των χαράδρων και αμμόλοφων), οι συνθήκες αποστράγγισης, η τραχύτητα της επιφάνειας εδάφους και συνθήκες οργώματος κλπ. Χρειάζεται όμως περισσότερης έρευνας για την επιχειρησιακή χρήση δεδομένων δορυφορικής μικροκυματικής τηλεπισκόπησης.