Αξιολόγηση της τηλεπισκόπησης και επιτόπιων μετρήσεων στην παρακολούθηση της ποιοτικής κατάστασης της λίμνης Chivero της Ζιμπάμπουε.

Από RemoteSensing Wiki

Εισαγωγή

Ο κύριος στόχος της μελέτης αυτής είναι η αξιολόγηση της σκοπιμότητας της ενσωμάτωσης τηλεπισκόπησης και επιτόπιων μετρήσεων στην ποσοτικοποίηση και παρακολούθηση της ποιοτικής κατάστασης των υδάτων της λίμνης Chivero, και πιο συγκεκριμένα να εξεταστεί η χρησιμότητα πολυφασματικών δεδομένων MODIS/Terra στην παρακολούθηση συγκεντρώσεων chlorophyll_a στη λίμνη. Εν ολίγοις τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται ως δείκτης των επιπέδων ρύπανσης της λίμνης. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης δεδομέωνα MODIS είναι η πολυετής ύπαρξη δεδομένων, και παγκόσμια και καθημερινή κάλυψη που επιτρέπει τη συνεχή αξιολόγηση της ποιοτικής κατάστασης των υδάτινων σωμάτων.

Η περιοχή μελέτης

Η λίμνη Chivero (17.54 Β, 30.48 Α) είναι η τεχνητή λίμνη στην υδρολογική λεκάνη του ποταμού Manyame (έκταση λεκάνης 2136km2) στη Ζιμπάμπουε που σχηματίστηκε το 1952 με την κατασκευή φράγματος και βρίσκεται 37km νοτιοδυτικά της πρωτεύουσας της Ζιμπάπουε, Harare σε υψόμετρο 1300m. Είναι η κύρια πηγή για την κάλυψη των αναγκών σε νερό (γεωργική, οικιακή και βιομηχανική χρήση) της πόλης Harare, καθώς και των γύρω πόλεων Ruwa, Chitungwiza, Epworth και Norton, αλλά παράλληλα αποτελεί ένα καλά οργανωμένο κέντρο αναψυχής καθώς επίσης και φυσικό ενδιαίτημα που φιλοξενεί ένα μεγάλο αριθμό ειδών. Από τη δεακετία του 1960 η λίμνη αντιμετωπίζει σοβαρά προβλήματα ρύπανσης.

Δεδομένα/Μέθοδοι

Επιλέγησαν εννιά δειγματοληπτικές τοποθεσίες, τρεις εκ των οποίων εντός της λίμνης και οι υπόλοιπες στους κύριους ποταμούς που απορρέουν σε αυτή, και διεξήχθησαν τέσσερις δειγματοληπτικές εκστρατείες στις 9 Φεβρουαρίου, 10 Μαρτίου, 10 Απριλίου και 2 Μαΐου 2012.

Modis

Για την προσδιορισμό των κυρίαρχων χωρικών και χρονικων μοτίβων της μεταβλητότητας της chlorophyll_a χρησιμοποιήθηκαν απεικονίσεις MODIS, με χρόνο λήψης τις ημερομηνίες των δειγματοληψιών. Ακολούθησε προ-επεξεργασία των αρχείων (μετατροπή από HDF σε tiff, βαθμονόμηση, ατμοσφαιρική διόρθωση). Στη συνέχεια υπολογίζεται ο Δείκτης Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς – NDVI (1), η εκτιμώμενη με τηλεσκοπικά δεδομένα χλωροφύλλη (2) και το RMSE (3) από τους τύπους:

<math>NDVI=\frac{NIR-Red}{NIR+Red}</math>

<math>f</math> <math>Εισαγωγή τύπου εδώ</math> (1)

Chl_α (ug/l)=(a*NDVI+b)*βάθος (2)

RMSE=[N^(-1) ∑▒〖〖(Chla_i-Chla_situ)〗^2]〗^0.5 (3)

όπου NIR = εγγύς υπέρυθρο - 2ο κανάλι Modis & Red= κόκκινο - 1ο κανάλι Modis a = 532 ± 46 & b = 48 ± 4.0 Chla_i = η εκτιμώμενη με τηλεσκοπικά δεδομένα (Modis) χλωροφύλλη & Chla_situ= η μετρηθείσα χλωροφύλλη

Landsat

Επίσης για την ανάλυση της μακροχρόνιας αλλαγής στην εδαφοκάλυψης χρησιμοποιήθηκαν τρεις απεικονίσεις Landsat-TM 4-5 που αφορούν στα έτη 1985,1994 και 2010 (20% νεφοκάλυψη), με κύριο στόχο την διερεύνηση της εξέλιξης της εδαφικής υποβάθμισης του εδάφους και των αλλαγών χρήσεων γης που θα μπορούσαν να έχουν συμβάλλει στη ρύπανση στην περιοχή με την πάροδο του χρόνου.. Για την ταξινόμηση επιλέχθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας.

Αποτελέσματα

Χλωροφύλλη: Βλ παραπάνω

Σημαντικές διαφορές παρατηρήθηκαν μεταξύ των σταθμών L4 και L9 (0,001) και μεταξύ των L6 και L9 (0.002). Η έντονη ανάπτυξη άλγης εντοπίζεται περιμετρικά εξαιτίας των ανέμων ή λόγω εισόδου θρεπτικών. Το Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (RMSE), που υπολογίστηκε 0,003 mg/l, δείχνει ότι υπήρχε ελάχιστη διακύμανση μεταξύ των αποτελεσμάτων της τηλεσκοπικής ανάλυσης και επιτόπιων μετρήσεων, και οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η πρόβλεψη με τη χρήση τηλεπισκόπησης είναι αξιόπιστη μέθοδος για αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων. Απο την ανάλυση προκύπτει σημαντική αλλαγή στις χρήσεις γης από το 1985 έως το 2010. Υπήρξε σημαντική μεταβολή στο ποσοστό της οικιστικής ζώνης το 1985, το 1994 και το 2010. Η αύξηση του οικισμού βεβαιώθηκε κατά τα έτη 1994 και 2010. Αυτό θα μπορούσε να αποδοθεί στην βιομηχανική και πληθυσμιαή αύξηση. Ο Πίνακας 5 υποδεικνύει αλλαγές στο ποσοστό κάλυψης των επιλεγμένων χρήσεων γης, που είναι κρίσιμες για τη ρύπανση της λίμνης. Η αύξηση της ζώνης είναι 8% κατά την περίοδο 1994 - 2010 και πάνω από 12% την περίοδο 1985-2010 με παράλληλη πτώση της δασικής κάλυψης (9,8% το 1985 και 2,0% το 2010). Οι αλλαγές αυτές παρατηρούνται λόγω πληθυσμιακής αύξησης.

Με βάση τα επίπεδα χλωροφύλλης η λίμνη χαρακτηρίζται υπερτροφική κάτι που επιβεβαιώνεται από την βιβλιογραφία. Η παρακολούθηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας μέσω των συγκεντρώσεων chlorophyll_a είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την οικολογική διαχείριση, μιας και οι πρωτογενείς παραγωγοί βρίσκονται στη βάση της τροφικής αλυσίδας. Επιπλέον, αυτή η εργασία αποκάλυψε σημαντικές διαφορές στα επίπεδα χλωροφύλλης μεταξύ των διαφορετικών βαθών δειγματοληψίας. Η μειωμένη διείσδυση φωτός στα μεγαλύτερα βάθη περιορίζει την ανάπτυξη της χλωροφύλλης Επιπλέον, η σύγκριση των μετρηθείσας και προβλεπόμενης chlorophyll_a με τη μέθοδο γραμμικής παλινδρόμησης έδειξε υψηλή συσχέτιση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης η χωρική κατανομή των πηγών ρύπανσης μπορεί να χαρτογραφηθεί με ακρίβεια από πολυφασματικά δεδομένα τηλεπισκόπησης και εδώ έγινε η χρήση εικόνων Landsat TM. Η αύξηση των οικιστικών περιοχών σημαίνει και πληθυσμιακή αύξηση, με τους οικισμούς να περιλαμβάνουν βιομηχανίες, κατοικημένες περιοχές και άλλες αστικών υποδομών, ως εκ τούτου, η αύξησή τους θα μπορούσε να σημαίνει αύξηση του πληθυσμού και κατά συνέπεια αύξηση της ποσότητας των απορριπτόμενων υγρών αποβλήτων. Λόγω περιοριμσένης πληροφορίας, γίνεται η υπόθεση υπερφόρτωσης των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων. Η αύξηση της οικιστικής ζώνης και η πρόσφατη αύξηση στην αστική γεωργία αποτελούν σημαντικούς παράγοντες ρύπανσης της λίμνη. Οι περισσότερες από τις αστικές περιοχές είναι παραποτάμιες και αποστραγγίζονται στη λίμνη, με αποτέλεσμα ότι λύματα απορρίπτονται να καταλήγουν στη λίμνη. Η αύξηση του πληθυσμού συνεπάγεται καιαποψίλωση άρα αποτελεί απειλή για τα δάση και επίσης αύξηση ιζημα΄των που καταλήγουν στη λίμνη μέσω απορροής.

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης chlorophyll_a (0.101 ± 0.128 mg/l), σημαντική κατακόρυφη διαφοροποίηση (με το βάθος) αλλά μη σημαντική οριζόντια διαφοροποίηση. Επίσης οι παρατηρούμενες τιμές συσχετίζονται ικανοποιητικά με τις προβλεπόμενες (R2=0,89) και η Ρίζα του Μέσου Τετραγώνου του Σφάλματος (RMSE) είναι 0.003 mg/l.

Επιπλέον, από τους παραγόμενυςι χάρτες χρήσεων γης της λεκάνη απορροής Upper Manyame προκύπτει σημαντική μεταβολή του ποσοστού της οικιστικής ζώνης την συνολικής περιόδο 1985-2010. Η αύξηση της ζώνης είναι 8% κατά την περίοδο 1994 - 2010 και πάνω από 12% την περίοδο 1985-2010 με παράλληλη πτώση της δασικής κάλυψης (9,8% το 1985 και 2,0% το 2010). Η μελέτη τονίζει την σημασία ελεύθερων και άμεσα διαθέσιμη δορυφορικών δεδομένων (όπως πολυφασματικά δεδομένα MODIS και Landsat) στην ποσοτικοποίηση και παρακολούθηση της ποιότητας λιμνών ειδικά σε περιοχές, όπως η υποσαχάρια Αφρική, που επιτόπια δεδομένα-μετρήσεις σπανίζουν.

Συμπεράσματα

1. • Το μέσα επίπεδο chlorophyll_a στη λίμνη υπερβένει τα 0.1 mg/l και, ως εκ τούτου μπορούμε να συμπεράνουμε με ασφάλεια ότι η λίμνη Τσιβέρο εξακολουθεί να είναι υπερ-ευτροφισμός.

1. • Με βάση την σημαντική συσχέτιση μεταξύ της προβλεπόμενης και μετρηθείσας (r=0.89), θα μπορούσε να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι εικόνες MODIS μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση και την αξιολόγηση της ποιότητας των υδάτων στη λίμνη

1. • Μέσω της χρήσης των εικόνων Landsat για ψηφιακή χαρτογράφηση, ήταν δυνατό να εντοπιστούν πιθανές πηγές ρύπανσης στη λεκάνη απορροής και ως εκ τούτου να εκτιμηθεί η ποιοτική κατάσταση των υδάτων της λίμνης και των ποταμών στηριζόμενοι στις αλλαγές αυτές. Η αύξηση της οικιστικής ζώνης και της αστικής γεωργίας και η μείωση των δασών έχει συμβάλλει σημαντικά στη ρύπανση στη λίμνη. Οι περισσότερες από τις αστικές περιοχές βρίσκονται κατά μήκος υων ποταμώνπου αποστραγγίζουν στη λίμνη.