Χρήση Τηλεπισκόπησης για την αποτύπωση µεταβολών χρήσεων γης και για την διαχείριση των υδατικών πόρων της λίµνης Τριχωνίδας.
Από RemoteSensing Wiki
Εισαγωγή
Η επιστήµη της τηλεµατικής και τα δορυφορικά δεδοµένα, αποτελούν σήµερα ένα σύγχρονο επιστηµονικό εργαλείο, αφού παρέχουν πλήθος σηµαντικών πληροφοριών διευκολύνοντας σηµαντικά την έρευνα σε πολλά επιστηµονικά πεδία. Εφαρµογές τηλεµατικής χρησιµοποιούνται συχνά στις µέρες µας σε επιστήµες όπως η Γεωλογία, η Υδρολογία, η Μετεωρολογία, η Ωκεανογραφία, και η Βιολογία µε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα, αφού παρέχουν άµεσα και ακριβή επιστηµονικά δεδοµένα. Συγκεκριµένα, η παρατήρηση της γης µε µεθόδους τηλεµατικής δίδει την δυνατότητα, εκτός από µετρήσεις περιβαλλοντικών παραµέτρων, να αποτυπώνονται οι χωροχρονικές µεταβολές στους φυσικούς πόρους, που οφείλονται σε ανθρωπογενείς παρεµβάσεις αλλά και σε εποχικές διακυµάνσεις .Επιπρόσθετα, είναι συνήθης πρακτική στην σηµερινή εποχή, τηλεµατικές εφαρµογές να υποστηρίζουν κλιµατολογικές µελέτες, ποσοτικοποίηση αλλαγών στις χρήσεις γης, διαχείριση και εκµετάλλευση υδατικών πόρων. Επιπρόσθετα, σηµαντικό ρόλο δύναται να διαδραµατίσει η τηλεπισκόπιση στην διαχείριση των υδατικών πόρων και ιδιαίτερα σε λιµναίες υδρολογικές λεκάνες, αφού παρέχει πληροφορίες σχετικά µε την µεταβολή ακτογραµµών, διαθέσιµων επιφανειακών υδατικών αποθεµάτων και ποιοτικών χαρακτηριστικών των υδάτων σε χωρική και χρονική κλίµακα. Έτσι, οι αρµόδιοι διαχειριστικοί φορείς µπορούν να εκτιµούν άµεσα τις επιπτώσεις των διαχειριστικών σχεδίων που εφαρµόζονται και να προβαίνουν σε διορθωτικές επεµβάσεις, εφόσον αυτό κρίνεται αναγκαίο. Επίσης, πλήθος επιµέρους υδρολογικών παραµέτρων, αναγκαίων στην διαχείριση των υδατικών αποθεµάτων, µπορούν να ποσοτικοποιηθούν µε την συνεισφορά τηλεµετρικών µεθόδων, όπως η εδαφική υγρασία , η εξατµισοδιαπνοή και η επιφανειακή απορροή. Στη συγκεκριµένη εργασία χρησιµοποιήθηκε δορυφορική εικόνα Landsat, προκειµένου να αντληθούν στοιχεία που αφορούν στις χρήσεις γης της υδρολογικής λεκάνης της λίµνης Τριχωνίδας, στην καταγραφή της εδαφικής υγρασίας και των υπολιµναίων εκφορτίσεων νερού (πηγών) καθώς και στην καταγραφή της φυτοκάλυψης που δύναται να συµβάλλει στον υπολογισµό της εξατµισοδιαπνοής και των αρδευτικών αναγκών της περιοχής.
Μεθοδολογία
Για την παραγωγή του χάρτη χρήσεων γης στην προκειµένη περίπτωση χρησιµοποιήθηκε ένας αλγόριθµος αυτόµατης ταξινόµησης δορυφορικών δεδοµένων προκειµένου να πραγµατοποιηθεί το πρώτο στάδιο της κατηγοριοποίησης των χρήσεων γης και έπειτα ακολούθησε το στάδιο της ελεγχόµενης ταξινόµησης και οι διορθώσεις του χάρτη. Ο αλγόριθµος αυτός ονοµάζεται ISODATA (Iterative Self-Organizing Data Analysis Technique, Jain 1989) και χρησιµοποιείται ευρέως από την επιστηµονική κοινότητα, ενώ έχει δοκιµαστεί σε πλήθος περιοχών και συνθηκών. Τα δεδοµένα εισόδου στον αλγόριθµο, εκτός από την δορυφορική εικόνα είναι περιορισµένα και αφορούν τον αριθµό των επαναλήψεων του υπολογιστικού σταδίου και το ποσοστό σύγκλισης των µοναδιαίων περιοχών της εικόνας (pixels) στις οµάδες ταξινόµησης. Ο χάρτης που παράχθηκε από την συγκεκριµένη διαδικασία συγκρίθηκε µε παλαιότερους χάρτες χρήσεων γης της περιοχής αλλά και µε σχετικά δεδοµένα πεδίου και διορθώθηκε κατάλληλα στο πρόγραµµα Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών που χρησιµοποιήθηκε για την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας γενικότερα (ArcView. και Image Analysis). Στην συγκεκριµένη εργασία τα δορυφορικά δεδοµένα επεξεργάστηκαν κατάλληλα έτσι ώστε να παραχθεί ένας ακριβής χάρτης φυτοκάλυψης που παρέχει λεπτοµερή στοιχεία για την βλάστηση της περιοχής Για αυτό το σκοπό χρησιµοποιήθηκε ο κανονικοποιηµένος δείκτης βλάστησης NDVI NDVI=(DN4 –DN3)/(DN4 +DN3) όπου NVDI: ο δείκτης φυτοκάλυψης, DN: η ψηφιακή καταγραφή της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας σε κάθε µοναδιαίο τµήµα της εικόνας και οι αριθµοί 4 και 3: οι φασµατικές περιοχές της υπέρυθρης και κόκκινης ορατής ακτινοβολίας αντίστοιχα. Για τον εντοπισµό των θέσεων υπολίµνιων πηγών της λίµνης Τριχωνίδας χρησιµοποιήθηκε η εφαρµογή θερµικής χαρτογράφησης η οποία είναι ευρέως χρησιµοποιούµενη τεχνική. Συγκεκριµένα, οι δορυφορικές εικόνες Landsat, καταγράφουν την ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία των υλικών σωµάτων σε διάφορες φασµατικές περιοχές, χρησιµοποιώντας σχετικούς αισθητήρες που µετρούν την ένταση της ακτινοβολίας σε µια κλίµακα από 0 έως 255 µονάδες (ψηφιακός αριθµός, DN). Η µέτρηση αυτή πρέπει έπειτα να διορθωθεί µε κατάλληλους συντελεστές και να µετατραπεί αρχικά σε µονάδες ακτινοβολίας (Watt/m2 *sr*µm) µε τον ακόλουθο τύπο
Lλ =[(LMAXλ – LMINλ)/(Qcalmax)]*Qcal +LMINλ όπου:
- Lλ = η ακτινοβολία που καταγράφεται στον αισθητήρα, (Watt/m2 *sr*µm),
- Qcal : ο ψηφιακός αριθµός στο µοναδιαίο τµήµα της δορυφορικής εικόνας
- Qcalmin = Ο ελάχιστος ψηφιακός αριθµός στην δορυφορική εικόνα (DN=0)
- Qcalmax: Ο µέγιστος ψηφιακός αριθµός στην δορυφορική εικόνα (DN=255)
- LMINλ: η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία που αντιστοιχεί στο Qcalmin, (Watt/m2 *sr*µm),
- LMAXλ: η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία που αντιστοιχεί στο Qcalmax, (Watt/m2 *sr*µm) Με την βοήθεια σχετικών πινάκων της βιβλιογραφίας υπολογίζεται η θερµική ακτινοβολία (Lλ) στα σηµεία ενδιαφέροντος δεδοµένου ότι:
LMINλ = 1,2378 Watt/m2 *sr*µm και LMAXλ = 15,303 Watt/m2 *sr*µm, οι οποίες τιµές είναι σταθερές για τον συγκεκριµένο τύπο δορυφορικών δεδοµένων και για τη θερµική φασµατική περιοχή (10,40 – 12,50 µm).3
Αποτελέσματα
∆ηµιουργία χάρτη χρήσεων γης Μετά την εφαρµογή της προαναφερθείσας µεθοδολογίας στην περιοχή µελέτης παράχθηκε ο χάρτης χρήσεων γης της υδρολογικής λεκάνης της λίµνης Τριχωνίδας και ποσοτικοποιήθηκε η έκταση κάθε κατηγορίας χρήσης γης .Η ονοµατολογία των κατηγοριών χρήσεως γης της περιοχής πραγµατοποιήθηκε µε την συνεισφορά των προϋπαρχόντων σχετικών χαρτών (ορθοφωτοχάρτες Υπ. Γεωργίας, 1:50.000) και επιτόπιων επισκέψεων. Οι οικισµοί και οι άγονες εκτάσεις δεν καλύπτουν σηµαντική έκταση της περιοχής µελέτης, αφού δεν ξεπερνούν το 8% της συνολικής έκτασης. Το µεγαλύτερο ποσοστό δασών αφορά δάση θαµνώνων αείφυλλων, πλατύφυλλων και δρυών (12,38% της περιοχής µελέτης), ενώ το µικρότερο ποσοστό δασών καλύπτεται από ελάτη (11.59% της περιοχής). Όσον αφορά τις γεωργικές εκτάσεις, χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες ανάλογα µε το είδος της καλλιέργειας και το στάδιο ανάπτυξης τους, χαρακτηριστικά που δηµιουργούν διαφορετικές ψηφιακές υπογραφές στην δορυφορική εικόνα και καταγράφονται σε διαφορετικές κατηγορίες κατά την ανάλυση και επεξεργασία της. Η επιφάνεια νερού που αντιστοιχεί στην λίµνη Τριχωνίδα είναι σχετικά µειωµένη (93,86 km2 ), συγκριτικά µε την µέση ετήσια επιφάνεια της λίµνης που πλησιάζει τα 96 km2 , διότι η χρησιµοποιηθείσα δορυφορική εικόνα έχει καταγραφεί τον µήνα Οκτώβριο όταν η στάθµη της λίµνης Τριχωνίδας και εποµένως και η έκταση της είναι στα χαµηλότερα επίπεδα του έτους. Επιπρόσθετα, οι οικισµοί εµφανίζονται στην ίδια κατηγορία µε άγονες εκτάσεις και ιδιαίτερα µε εκτάσεις που αντιστοιχούν στις κορυφές ορεινών όγκων που δεν καλύπτονται από βλάστηση, διότι οι ψηφιακές υπογραφές των δύο αυτών κατηγοριών χρήσης γης είναι παραπλήσιες και έτσι ο συγκεκριµένος αλγόριθµος που χρησιµοποιήθηκε δεν δύναται να τις διαχωρίσει. Για αυτό το σκοπό χρησιµοποιήθηκαν ορθοφωτοχάρτες του Υπ. Γεωργίας, προκειµένου να ψηφιοποιηθούν οι άγονες εκτάσεις και να αφαιρεθούν από τους σχετικούς υπολογισµούς της δορυφορικής εικόνας. Όπως προκύπτει από την σύγκριση του χάρτη χρήσεων γης που δηµιουργήθηκε από την επεξεργασία δορυφορικών δεδοµένων µε τον προϋπάρχοντα συµβατικό χάρτη χρήσεων γης της περιοχής, που έχει παραχθεί από ορθοφωτοχάρτες του Υπ. Γεωργίας, οι διαφορές στις περισσότερες κατηγορίες χρήσεων γης είναι ιδιαιτέρως µικρές και κυµαίνονται από –0,3% έως και –6,26%. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει την ακρίβεια των υπολογισµών των δορυφορικών δεδοµένων, ενώ οι παρατηρηθείσες διαφορές µπορεί να θεωρηθούν αµελητέες, διότι κατά κάποιο ποσοστό οφείλονται και σε λάθη κατά την ψηφιοποίηση των προϋπαρχόντων ορθοφωτοχαρτών ∆ηµιουργία χάρτης φυτοκάλυψης Στην περιοχή µελέτης ο σχετικός χάρτης φυτοκάλυψης παρουσιάζει τιµές που κυµαίνονται από –0,49 (λίµνη Τριχωνίδα) έως 0,75 (δάση όρους Αρακύνθου), ενώ ο µέσος όρος των τιµών φυτοκάλυψης για ολόκληρη την περιοχή είναι 0,25. Η χωρική κατανοµή της φυτοκάλυψης υποδεικνύει έντονη βλάστηση στις ηµι-ορεινές περιοχές και χαµηλού βαθµού φυτοκάλυψη στις πεδινές εκτάσεις όπου υπάρχουν οικισµοί και καλλιέργειες (σκουρόχρωµες περιοχές), µε εξαίρεση τις παραλίµνιες εκτάσεις όπου υπάρχει φυσική βλάστηση και παρατηρούνται σχετικά αυξηµένες τιµές του δείκτη φυτοκάλυψης. Οι συντεταγµένες των υπολιµναίων πηγών κατεγράφησαν από την δορυφορική εικόνα και τον Μάρτιο του 2003 πραγµατοποιήθηκε επίσκεψη στην περιοχή προκειµένου να ανευρεθούν οι συγκεκριµένες θέσεις επιτόπου και να επαληθευτεί η ύπαρξη των πηγών, κάτι το οποίο έγινε και αποτυπώθηκε φωτογραφικά το ίχνος των πηγών στην επιφάνεια της λίµνης µε την µορφή αναβλύσεων και φυσαλίδων οξυγόνου.
Συμπεράσματα
Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκε µια δορυφορική εικόνα Landsat, η οποία επεξεργάστηκε µε την συνδροµή του προγράµµατος Image Analysis (GIS), προκειµένου να δηµιουργηθεί ο χάρτης χρήσεων γης της περιοχής µελέτης, ο χάρτης φυτοκάλυψης και ο θερµικός χάρτης που θα παρέχει πληροφορίες για την εδαφική υγρασία και για τις υπολίµνιες πηγές που υπάρχουν στην βορειοανατολική ακτή της λίµνης Τριχωνίδας. Ο χάρτης χρήσεων γης της υδρολογικής λεκάνης της λίµνης Τριχωνίδας υπέδειξε ότι το 35% της συνολικής έκτασης της περιοχής µελέτης καλύπτεται από καλλιέργειες, το 34% από δάση, το 23% από νερό και το 8% από οικισµούς και άγονες εκτάσεις. Τα αποτελέσµατα αυτά συµφωνούν µε τους αντίστοιχους ορθοφωτοχάρτες του Υπ. Γεωργίας και οι παρατηρούµενες διαφορές ανά κατηγορία χρήσεων γης είναι πολύ µικρές, αφού κυµαίνονται µεταξύ 0,3% έως 6%, οι οποίες δύναται και να οφείλονται σε λάθη κατά την ψηφιοποίηση των ορθοφωτοχαρτών. Παρόλα αυτά, προέκυψε ότι η δηµιουργία χάρτη χρήσης γης από δορυφορικά δεδοµένα δίνει άµεσα και εύκολα αποτελέσµατα, τα οποία παρουσιάζουν σηµαντική ακρίβεια και αξιοπιστία αλλά απαιτούν και γνώση του καθεστώτος χρήσης γης της περιοχής µελέτης, προκειµένου να µπορούν να διορθωθούν εφόσον απαιτείται και να επιβεβαιωθούν. Η επόµενη εφαρµογή που πραγµατοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, αφορά την δηµιουργία ενός χάρτη φυτοκάλυψης, που µας δίνει πληροφορίες για τον βαθµό φυτοκάλυψης της περιοχής µελέτης και για το στάδιο ανάπτυξης της φυσικής και τεχνητής βλάστησης. Ο χάρτης αυτός έδειξε ότι µεγαλύτερος βαθµός φυτοκάλυψης επικρατεί στην ηµιορεινή και στην παραλίµνια ζώνη που οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες είναι σχετικά περιορισµένες ενώ όπου υπάρχουν οικισµοί και καλλιέργειες ο δείκτης φυτοκάλυψης ήταν αισθητά µικρότερος. Οι συνθήκες εδαφικής υγρασίας στην περιοχή µελέτης και η αποτύπωση των υπολίµνιων πηγών που πραγµατοποιήθηκαν µέσω θερµικής χαρτογράφησης της περιοχής αποτέλεσαν σηµαντικές πληροφορίες που παρήχθησαν από την συγκεκριµένη εργασία. Συµπερασµατικά, η επεξεργασία δορυφορικών δεδοµένων παρείχε πλήθος σηµαντικών πληροφοριών, οι οποίες αποκτήθηκαν σε σχετικά µικρό χρονικό διάστηµα, µε αυξηµένη ακρίβεια και αξιοπιστία και συνέβαλλαν σηµαντικά στην συνέχιση και ολοκλήρωση της παρούσας έρευνας που αποσκοπούσε στην ολοκληρωµένη διαχείριση υδατικών πόρων της υδρολογικής λεκάνης της λίµνης Τριχωνίδας.
