Μια προσέγγιση τηλεπισκόπησης που βασίζεται στη χρήση του οπτικού τραπεζοειδούς μοντέλου για την ανίχνευση των αρδευόμενων περιοχών

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος "A stand-alone remote sensing approach based on the use of the optical trapezoid model for detecting the irrigated areas"

Συγγραφείς: Giuseppe Longo-Minnolo , Simona Consoli , Daniela Vanella, Juan Miguel Ramírez-Cuesta , Isabella Greimeister-Pfeil , Martin Neuwirth , Francesco Vuolo Πηγή: [1] ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η λειψυδρία αποτελεί σημαντικό παγκόσμιο κίνδυνο, επηρεάζοντας τη ζωή του ανθρώπου, ιδίως καθώς η κλιματική αλλαγή συμβάλλει σε μελλοντικές παρατεταμένες ξηρασίες και αυξημένη εξάρτηση των καλλιεργειών από την παροχή νερού. Η αρδευόμενη γεωργία, ένας σημαντικός καταναλωτής γλυκού νερού, διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην παγκόσμια παραγωγή τροφίμων. Παρά την παγκόσμια αύξηση του πληθυσμού, υπάρχει μια ασυμφωνία μεταξύ των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών και των πραγματικών πρακτικών άρδευσης, γεγονός που καθιστά αναγκαία τη βελτιωμένη διαχείριση του γεωργικού νερού. Η ακριβής χαρτογράφηση των αρδευόμενων περιοχών είναι απαραίτητη για αποτελεσματικές στρατηγικές διαχείρισης των υδάτων. Οι υφιστάμενες προσπάθειες, όπως η απογραφή INEA της Ιταλίας και οι έρευνες για τη δομή των αγροκτημάτων της Αυστρίας, αντιμετωπίζουν προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένων κενών στα δεδομένα και περιορισμών στην ακρίβεια. Η τηλεπισκόπηση (RS), που χρησιμοποιεί δορυφορικά οπτικά και μικροκυματικά δεδομένα, έχει χρησιμοποιηθεί από τη δεκαετία του 1980. Ενώ οι οπτικές μέθοδοι, που βασίζονται στην ανάλυση χρονοσειρών NDVI, αντιμετωπίζουν περιορισμούς όπως η εξάρτηση από κάλυψη νεφών, οι μέθοδοι μικροκυμάτων προσφέρουν μια εναλλακτική λύση, ειδικά σε συνθήκες νέφους. Η μεθοδολογία OPTRAM είναι μια φυσική προσέγγιση που χρησιμοποιεί κατανομή pixel εντός NDVI και μετασχηματισμένο χώρο ανάκλασης υπέρυθρων βραχέων κυμάτων για την εκτίμηση της υγρασίας του εδάφους. Οι στόχοι περιλαμβάνουν την ανάπτυξη μιας αυτόνομης οπτικής μεθόδου RS για την ανίχνευση αρδευόμενων περιοχών, που συνδυάζει την μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση και το OPTRAM. Η μέθοδος προορίζεται να επικυρωθεί σε διαφορετικά χωρικά επίπεδα και υπό ποικίλες κλιματικές συνθήκες. Ο στόχος είναι η παροχή μιας φιλικής προς τον χρήστη, αναπαραγόμενη μέθοδο, ανεξάρτητη από δεδομένα αναφοράς εδάφους, υποστηρίζοντας τους ενδιαφερόμενους στην παρακολούθηση και την αναφορά των αρδευόμενων περιοχών. Αυτή η προσέγγιση στοχεύει να διευκολύνει την εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών εξοικονόμησης νερού και τη συμμόρφωση με τις πολιτικές που σχετίζονται με το νερό.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

1. Περιοχή μελέτης

Το άρθρο διερεύνησε δύο τοποθεσίες δοκιμών: την περιοχή άρδευσης «Quota 102,50» στην Ανατολική Σικελία (2019–2020) και την περιοχή «Marchfeld Cropland» στην Κάτω Αυστρία (2021). Η περιοχή «Quota 102,50» εκτείνεται σε 5050 εκτάρια, και περιέχει κυρίως ελαιώνες εσπεριδοειδών και φρούτων, ενώ η Marchfeld, που καλύπτει 60.000 εκτάρια, καλλιεργούνται λαχανικά και δημητριακά. Και οι δύο έχουν ξεχωριστές περιόδους άρδευσης και ποικίλες ετήσιες βροχοπτώσεις.

2. Εντοπισμός των αρδευόμενων εκτάσεων

Η μεθοδολογική προσέγγιση περιλαμβάνει μια άνευ επίβλεψης ταξινόμηση εποχιακών χρονοσειρών NDVI που ακολουθείται από εφαρμογή μοντέλου OPTRAM για την ανίχνευση αρδευόμενων περιοχών. Οι αρχικές πηγές δεδομένων περιλαμβάνουν δορυφορικές εικόνες Sentinel-2, τιμές βροχόπτωσης και παραμέτρους εδάφους. Χρησιμοποιούνται εικόνες καθαρού ουρανού, με μια προκαταρκτική ανάλυση βροχοπτώσεων που προσδιορίζει τις περιόδους ξηρασίας. Οι τιμές NDVI και STR υπολογίζονται για πιθανά αρδευόμενα τμήματα.

3. Εισαγωγή δεδομένων

Η μελέτη χρησιμοποίησε πολυφασματικές εικόνες από τον δορυφόρο Sentinel-2 ESA, εξοπλισμένο με οπτοηλεκτρονικό πολυφασματικό αισθητήρα, παρέχοντας χωρική ανάλυση 10–60 m σε φασματικές ζώνες VIS, NIR και SWIR. Με χρονική ανάλυση 10 ημερών ανά δορυφόρο, συλλέχθηκαν συνολικά 158 εικόνες για τις περιοχές μελέτης κατά την περίοδο 2019–2020 και 2021. Δημιουργήθηκαν NDVI χρονοσειρές για κάθε σύνολο δεδομένων. Τα δεδομένα βροχοπτώσεων ελήφθησαν από κοντινούς μετεωρολογικούς σταθμούς.

4. Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση

Η μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τις χρονοσειρές NDVI έγινε με τη χρήση του αλγορίθμου ISODATA, με στόχο την ομαδοποίηση παρόμοιων μοτίβων σε συστάδες. Προτείνεται μια υπόθεση, η οποία συσχετίζει τα υψηλά και αυξανόμενα προφίλ NDVI με τις αρδευόμενες εκτάσεις κατά την ξηρή περίοδο. Ορίζεται ένα όριο 0,3 NDVI και δημιουργούνται 20 ομάδες για τη διάκριση μεταξύ δυνητικά αρδευόμενων και μη αρδευόμενων περιοχών. Οι μη γεωργικές εκτάσεις εξαιρούνται με βάση τα χρονικά προφίλ NDVI, διευκολύνοντας τη μετέπειτα ανάλυση.

5. Οπτικό τραπεζοειδές μοντέλο

Το μοντέλο OPTRAM χρησιμοποιεί ένα τραπεζοειδές μοντέλο, που δημιουργείται με τη σχεδίαση της σχέσης μεταξύ του δείκτη NDVI και της Μετασχηματισμένης Ανάκλασης Υπέρυθρων Βραχέων Κυμάτων (STR). Αυτό το μοντέλο χρησιμεύει ως αναπαράσταση της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και της βλάστησης. Το μοντέλο χρησιμοποιεί γραμμικές παραμετροποιήσεις κατά μήκος των υγρών και ξηρών άκρων του μοντέλου.

Σε αυτό, η πάνω και η κάτω πλευρά δηλώνουν υγρές και ξηρές συνθήκες, αντίστοιχα. Το OPTRAM υπολογίζει την περιεκτικότητα σε νερό (W) για μεμονωμένα pixel με βάση τις τιμές NDVI και STR. Το τραπεζοειδές μοντέλο επιτρέπει μια λεπτομερής ανάλυση, προσφέροντας πληροφορίες σχετικά με τις διακυμάνσεις της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και της βλάστησης κατά την περίοδο άρδευσης. Εφαρμόζοντας αυτό το μοντέλο, γίνεται διάκριση μεταξύ καλά ποτισμένης και υδατικά καταπονημένης βλάστησης, ιδιαίτερα χρήσιμη για τον εντοπισμό των αρδευόμενων περιοχών και την κατανόηση των συνθηκών υγρασίας του εδάφους κάτω από διαφορετικά σενάρια.

6. Στατιστική αξιολόγηση

Τα ευρήματά επικυρώθηκαν σε δύο μέτωπα: πρώτον, σε επίπεδο αγρού στην περιοχή Marchfeld Cropland και, δεύτερον, σε επίπεδο περιφέρειας στην αρδευτική περιοχή Quota 102,50. Η αξιολόγηση ακρίβειας σε επίπεδο αγρού στην περιοχή Marchfeld Cropland χρησιμοποίησε έναν δυαδικό πίνακα σύγχυσης, συγκρίνοντας τις εκτιμώμενες αρδευόμενες/μη αρδευόμενες εκτάσεις με δεδομένα αναφοράς από μια ολοκληρωμένη επιτόπια έρευνα το 2021. Η έρευνα συγκέντρωσε γεωαναφερόμενες παρατηρήσεις της κατάστασης άρδευσης για 2560 χωράφια, με μετρήσεις όπως η αποδοτικότητα της άρδευσης (ακρίβεια και ανάκληση) και η βαθμολογία F1. Μια ανάλυση ευαισθησίας εξέτασε τη μεταβολή του ορίου μαρασμού (WP) για την αξιολόγηση της ευρωστίας των αποτελεσμάτων. Για την αρδευτική περιοχή Quota 102,50, η μελέτη συνέκρινε τη συνολική αρδευόμενη έκταση που προσδιορίστηκε μέσω της μεθοδολογίας της με δεδομένα που παρέχονται από την Κοινοπραξία. Αυτή η σύγκριση είχε ως στόχο να αξιολογήσει την ακρίβεια της προτεινόμενης προσέγγισης στην εκτίμηση της συνολικής αρδευόμενης επιφάνειας σε επίπεδο περιοχής. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιούνται, παρέχουν μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση της απόδοσης του μοντέλου, ενώ η ανάλυση ευαισθησίας βοηθά στην κατανόηση του αντίκτυπου των διακυμάνσεων στο όριο WP στα αποτελέσματα. Η σύγκριση σε επίπεδο περιφέρειας διασφαλίζει μια ευρύτερη αξιολόγηση της εφαρμοσιμότητας και της αξιοπιστίας της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε μεγαλύτερες γεωγραφικές περιοχές.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στην περιοχή Marchfeld Cropland, τα αποτελέσματα έδειξαν 64% μη αρδευόμενες και 36% αρδευόμενες εκτάσεις, με συνολική ακρίβεια 71%, όπως επικυρώθηκε με βάση τα δεδομένα αναφοράς. Μια ανάλυση ευαισθησίας αξιολόγησε τον αντίκτυπο της μεταβολής του ορίου μαρασμού (WP) στις μετρήσεις. Για την περιοχή άρδευσης Quota 102,50, τα αποτελέσματα επικυρώθηκαν με βάση τα δεδομένα της Κοινοπραξίας, δείχνοντας αξιοσημείωτη υπερεκτίμηση (20,98% και 21,16%) των αρδευόμενων εκτάσεων σε σύγκριση με τις δηλωμένες τιμές για το 2019 και το 2020. Η ανάλυση αφορούσε προφίλ NDVI, παραμέτρους OPTRAM και μετρήσεις σύγκρισης.

ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Υπάρχει κρίσιμη ανάγκη για ακριβείς και επίκαιρους χάρτες των αρδευόμενων περιοχών στο πλαίσιο της λειψυδρίας. Σε αντίθεση με προηγούμενες μεθόδους που βασίζονται σε διαδικασίες εκπαίδευσης και δένδρα αποφάσεων, αυτή η αυτόνομη προσέγγιση οπτικής τηλεπισκόπησης δεν απαιτεί εκπαίδευση, καθιστώντας την εύκολα αναπαραγόμενη σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Η μέθοδος ενσωματώνει ταξινόμηση χωρίς επίβλεψη, χρονική ανάλυση προφίλ NDVI και μοντελοποίηση OPTRAM, χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες, δεδομένα βροχόπτωσης και πληροφορίες για την περιεκτικότητα σε νερό του εδάφους. Τα αποτελέσματα, που επικυρώθηκαν με βάση τα δεδομένα αναφοράς, έδειξαν λογική ακρίβεια, με συνολική ακρίβεια 70% για την αυστριακή τοποθεσία το 2021. Ωστόσο, ορισμένοι περιορισμοί, όπως αβεβαιότητες στην ταξινόμηση και οπτική επιθεώρηση χωρίς επίβλεψη και ο αντίκτυπος της υγρασίας του εδάφους, χρειάζονται περαιτέρω διερεύνηση για τη βελτίωση της μεθόδου. Η προσέγγιση προσφέρει πολύτιμη συμβολή στη χαρτογράφηση άρδευσης μεγάλης κλίμακας χωρίς μεγάλη εξάρτηση από δεδομένα εδάφους από απευθείας παρατήρηση ή διαδικασίες εκπαίδευσης.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μέθοδος απαιτεί ελάχιστα δεδομένα εισόδου (δορυφορικές εικόνες χωρίς σύννεφα, παράμετροι βροχοπτώσεων και εδαφικού νερού) χωρίς να βασίζεται σε πληροφορίες τύπου καλλιέργειας αναφοράς, διασφαλίζοντας τη δυνατότητα μεταφοράς σε χρόνο και χώρο. Δοκιμασμένη στην Αυστρία και την Ιταλία, η προσέγγιση πέτυχε συνολική ακρίβεια 70% και προσδιόρισε με ακρίβεια τις αρδευόμενες εκτάσεις. Παρά τη χαμηλότερη ακρίβεια από τις εποπτευόμενες μεθόδους, η μελέτη υπογραμμίζει τις δυνατότητες του OPTRAM για αρδευτικούς σκοπούς. Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να βελτιώσει την προσέγγιση αντιμετωπίζοντας τις αβεβαιότητες και επιτρέποντας την εφαρμογή σε πλατφόρμες υπολογιστικού νέφους για ευρύτερες εφαρμογές. Τελικά, η μέθοδος υποστηρίζει αποφάσεις διαχείρισης του νερού βάσει δεδομένων, ενισχύοντας τη βιωσιμότητα της αρδευόμενης γεωργίας και βοηθώντας τα κράτη μέλη της ΕΕ να εκπληρώσουν τις υποχρεώσεις της Οδηγίας Πλαίσιο για τα Νερά.