Εκτίμηση της ρύπανσης υδάτων που προκαλείται από ανθρώπινες δραστηριότητες στη λίμνη Burullus με χρήση Landsat 8 OLI και GIS
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Εκτίμηση της ρύπανσης υδάτων που προκαλείται από ανθρώπινες δραστηριότητες στη λίμνη Burullus με χρήση Landsat 8 OLI και GIS
Πρωτότυπος τίτλος: Assessment of water pollution induced by human activities in Burullus Lake using Landsat 8 operational land imager and GIS
Συγγραφείς: Ahmed El-Zeiny, Sameh El-Kafrawy
Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110982316300680
Εισαγωγή
Η λίμνη Burullus, που αποτελεί και την περιοχή μελέτης (εικόνα 1), βρίσκεται στην Αίγυπτο, στο δέλτα του ποταμού Νείλου και είναι από τις πιο ευάλωτες της περιοχής. Ενδεικτικά, μεταξύ των ετών 2000 και 2002, τα είδη των ψαριών της μειώθηκαν από 32 σε 25, ως αποτέλεσμα της ρύπανσης από τα λύματα των αστικών, αγροτικών και βιομηχανικών δραστηριοτήτων της περιοχής. Η παροχή λυμάτων στη λίμνη γίνεται με εφτά κανάλια απορροής και συνολικά είναι 3904 εκατομμύρια m3/έτος, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη αλγών και τα υψηλά επίπεδα ολικών αιωρούμενων στερεών.
Ο συνδυασμός τηλεπισκόπησης και GIS έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε μελέτες ποιότητας υδάτων. Διάφορες παράμετροι που καθορίζουν την ποιότητα του νερού επιδρούν στην ανακλώμενη ή εκπεμπόμενη από αυτό ακτινοβολία, επομένως μπορούν να ανιχνευθούν με μεθόδους τηλεπισκόπησης. Ποιοτικές παράμετροι και δεδομένα ακτινοβολίας μπορούν να συσχετιστούν μέσω εμπειρικών μοντέλων.
Σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης είναι ο προσδιορισμός των πιο ευάλωτων απέναντι στη ρύπανση περιοχών της λίμνης , με τη χρήση τηλεπισκόπησης και GIS.
Υλικά και μέθοδοι
Λήψη και προεπεξεργασία δορυφορικής εικόνας: Για τους σκοπούς της μελέτης, έγινε λήψη δορυφορικής πολυφασματικής Landsat-8 OLI εικόνας της περιοχής με ημερομηνία 20 Ιανουαρίου 2015. Για την προεπεξεργασία της εικόνας εφαρμόστηκαν δύο τεχνικές, ραδιομετρική βαθμονόμηση και ατμοσφαιρική διόρθωση.
Η ραδιομετρική βαθμονόμηση είναι ένα σύνολο τεχνικών που περιλαμβάνει διορθώσεις ως προς την ευαισθησία του δέκτη, την τοπογραφία και την κλίση του ήλιου και την ατμοσφαιρική σκέδαση και απορρόφηση. Η ατμοσφαιρική διόρθωση έγινε με το πρόγραμμα ENVI και συγκεκριμένα με την τεχνική Dark Object Subtraction, ώστε να εξαλειφθεί η επίδραση της ατμοσφαιρικής σκέδασης στη βαθμονομημένη εικόνα.
Χάρτης κάλυψης και χρήσεων γης: Μέσω επιβλεπόμενης ταξινόμησης και συγκεκριμένα με τη μέθοδο μέγιστης πιθανοφάνειας, καταρτήθηκε ενημερωμένος χάρτης κάλυψης και χρήσεων γης (εικόνα 2), ώστε να προσδιοριστούν οι φυσικοί πόροι και οι ανθρώπινες δραστηριότητες που κυριαρχούν στην περιοχή της λίμνης και δύναται να επηρεάσουν την ποιότητα του νερού της.
Παράμετροι ποιότητας υδάτων: Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό της ποιότητας υδάτων ήταν: TP, TN και BOD. Για τον υπολογισμό της στατιστικής σχέσης μεταξύ της μετρούμενης ποιότητας νερού και των δεδομένων ακτινοβολίας, χρησιμοποιήθηκαν μητρώα συσχέτισης. Αναλυτικές σχέσεις χρησιμοποιήθηκαν μεταξύ των ποιοτικών παραμέτρων και καναλιών, τόσο μεμονωμένων όσο και συνδυασμών τους, με στόχο να βρεθεί ο συνδυασμός που παρέχει την περισσότερη πληροφορία για τις παραμέτρους.
Για τον υπολογισμό των TP, TN και BOD, μέσω δορυφορικής εικόνας, χρησιμοποιήθηκαν τα εμπειρικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν από τους Wang και Ma (2001). Με τη χρήση ArcGIS V10.1, προσδιορίστηκαν 18 τυχαία σημεία της λίμνης, ώστε να προσδιοριστούν οι στατιστικές σχέσεις και τα μητρώα συσχέτισης μεταξύ των δεδομένων ακτινοβολίας και των ποιοτικών παραμέτρων.
Ανάπτυξη χαρτογραφικού μοντέλου: Για κάθε ποιοτική παράμετρο παρήχθη σε GIS ένα θεματικό επίπεδο το οποίο αναταξινομήθηκε σε τρεις κλάσεις: υψηλά επίπεδα, μέσα επίπεδα και χαμηλά επίπεδα. Τα τρία θεματικά επίπεδα των παραμέτρων, έπειτα από επεξεργασία, ενώθηκαν σε ενιαίο χάρτη που απεικονίζει τρία επίπεδα ρύπανσης της λίμνης, λαμβάνοντας υπόψιν τη συνολική επίδραση των TN, TP και BOD.
Αποτελέσματα
Κάλυψη και χρήσεις γης: Ο χάρτης κάλυψης και χρήσεων γης που δημιουργήθηκε είχε ακρίβεια μεγαλύτερη από 90%. Η λίμνη και η γύρω περιοχή χωρίστηκαν σε εφτά διαφορετικές τάξεις: υδάτινους όγκους, κορεσμένα εδάφη με λιμνάζοντα νερά, αγροτικές περιοχές, αστικές περιοχές, αμμώδεις περιοχές, αλατούχα εδάφη και μικρά διασκορπισμένα νησιά εντός της λίμνης. Παρατηρήθηκε ότι οι αστικές και αγροτικές δραστηριότητες είναι οι κύριες πηγές ρύπανσης, μέσω της απόρριψης των παραγόμενων λυμάτων τους στη λίμνη. Κανάλια και αποστραγγίσεις που διατρέχουν τις περιοχές αυτές χειροτερεύουν την υπάρχουσα κατάσταση.
Ποιότητα υδάτων: Ο ολικός φωσφόρος παρουσιάζει μεγάλη διακύμανση από 0,66 μέχρι 82 mg/l και μέση τιμή 15,59 mg/l. Τα υψηλότερα επίπεδα συγκέντρωσης εντοπίστηκαν στο δυτικό και ανατολικό τμήμα της λίμνης. Το ολικό άζωτο έχει διακύμανση από 0 ώς 29 mg/l με μέση τιμή 18,33 mg/l και τις μέγιστες συγκεντρώσεις να βρίσκονται επίσης στο δυτικό και ανατολικό τμήμα της λίμνης. Το βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο, του οποίου η συνεπαγόμενη ρύπανση φαίνεται στο χάρτη της εικόνας 3, κυμαίνεται από 0,28 μέχρι 9,67 mg/l και η μέση τιμή του είναι 4,46 mg/l, ενώ οι υψηλές συγκεντρώσεις του εντοπίζονται κυρίως νότια και νοτιοδυτικά καθώς και κατά μήκος της ακτογραμμής της λίμνης. Στην εικόνα 4 φαίνεται το μητρώο συσχέτισης που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη των εμπειρικών μοντέλων της μελέτης.
Χαρτογράφηση περιοχής και εκτίμηση ρύπανσης: Από το μοντέλο αναδείχτηκαν τρία επίπεδα ρύπανσης της λίμνης: υψηλό, μέτριο και χαμηλό. Τα υψηλά επίπεδα ρύπανσης εντοπίζονται κυρίως νότια και νοτιοδυτικά, καθώς και κατά μήκος της ακτογραμμής. Όπως φαίνεται από το χάρτη της εικόνας 5, λίγα σημεία στα νότια δεν παρουσίασαν υψηλά επίπεδα, λόγω απουσίας αποχετεύσεων. Το 15% της έκτασης της λίμνης εμφανίζει υψηλή ρύπανση, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της, δηλαδή το 73%, παρουσιάζει ρύπανση μεσαίου μεγέθους και αφορά σε κεντρικότερα τμήματα της λίμνης. Οι περιοχές με ελάχιστο επίπεδο ρύπανσης καταλαμβάνουν το 12% της έκτασης της λίμνης και βρίσκονται στο βορειότερο κομμάτι και στον πυρήνα της.
Συμπεράσματα
Στην παρούσα μελέτη, τηλεπισκόπηση και GIS συνδυάστηκαν, για να προσδιοριστεί ο βαθμός ρύπανσης της λίμνης Burullus. Τα αποτελέσματα, σε συμφωνία με αντίστοιχες έρευνες, επιβεβαίωσαν πως τα ανατολικά και νότια τμήματα της λίμνης είναι τα πλέον ρυπασμένα, εξαιτίας των ανθρώπινων δραστηριοτήτων των γύρω περιοχών, κυρίως αγροτικών και αστικών. Συμπερασματικά, οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης και GIS, μέσω της ανάπτυξης εμπειρικών εξισώσεων ποιότητας υδάτων και χαρτογραφικών μοντέλων, αποτελούν σημαντικό εργαλείο σε αντίστοιχες μελέτες.
