Τηλεπισκοπικός υπολογισμός εδαφικής υγρασίας στο δορυφορικό σύστημα MODIS

Abstract

Με την διπλωματική αυτή εργασία έγινε προσπάθεια να βρεθεί ένας αιτιολογημένα αντικειμενικός τρόπος για την μέτρηση του μεγέθους της εδαφικής υγρασίας με την χρήση δορυφορικών λήψεων MODIS. Αρχικά δίνεται ο ορισμός της εδαφικής υγρασίας και ορισμένων θεμελιωδών μεγεθών της στατικής του εδάφους (πχ. Πορώδες), τα οποία είναι απαραίτητα για την κατανόηση της εργασίας. Έπειτα αναφέρονται όλες οι ποσοτικές εκφράσεις μέτρησης. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή όλων των μεθόδων μέτρησης της εδαφικής υγρασίας με επίγεια και τηλεπισκοπικά μέσα. Εν συνεχεία γίνεται μια αδρομερής περιγραφή των τεχνικών χαρακτηριστικών των δεκτών MODIS και κατόπιν παρουσιάζονται αναλυτικά τα βασικά μέρη των δημοσιεύσεων των ερευνών επί των οποίων βασίστηκε η εργασία. Συνεχίζουμε με την μεθοδολογία, η οποία σε πρώτο στάδιο περιλαμβάνει την περιγραφή όλων των δεδομένων που αξιοποιήθηκαν. Αυτά αφορούν είτε εδαφικά δεδομένα, όπως οι καταγεγραμμένες τιμές υγρασίας από τους σταθμούς του Ιλινόις και τα χαρακτηριστικά φυτοκάλυψης των περιοχών μελέτης (πέριξ των σταθμών) είτε τηλεπισκοπικά δεδομένα ( λήψεις MODIS ). Σε δεύτερο στάδιο παρουσιάζεται η προεπεξεργασία των δεδομένων που συνοψίζεται σε πέντε φάσεις, οι οποίες κατά σειρά είναι: α) η ημερολογιακή αντιστοίχηση δορυφορικών και επίγειων δεδομένων, β) η εύρεση των βέλτιστων εικόνων MODIS βάσει συγκεκριμένων κριτηρίων που αναφέρονται διεξοδικά στο κείμενο, γ )η εύρεση του γεωδαιτικού συστήματος στο οποίο αναφέρονται οι συντεταγμένες των σταθμών μέτρησης της εδαφικής υγρασίας (WGS 84 χωρίς την εφαρμογή προβολής) με την γεωαναφορά των εικόνων, δ) ο υπολογισμός των τιμών των φασματικών δεικτών εντοπισμού εδαφικής υγρασίας στο ER Mapper και τέλος ε) η φωτοερμηνευτική ανάλυση της περιοχής κάθε σταθμού για τον εντοπισμό στοιχείων, που δεν γίνονται αντιληπτά από τους χάρτες εδαφοκαλύψεων, όπως τα μεγάλα οικοδομήματα στους αγρούς. Ακολουθεί η παρουσίαση της στατιστικής ανάλυσης των μετρήσεων για τους σκοπούς της εργασίας. Η ανάλυση επεκτάθηκε αρχικά στην κατασκευή των διαγραμμάτων διασποράς για κάθε δείκτη με την χρήση και των 36 μετρήσεων, όπου ως ανεξάρτητη μεταβλητή θεωρήθηκε η τιμή των δεικτών εντοπισμού και ως εξηρτημένη η τιμή της εδαφικής υγρασίας. Κατόπιν έγινε η κατασκευή των βέλτιστων παλινδρομήσεων για κάθε δείκτη με την αφαίρεση 10 μετρήσεων. Έπεται η αξιολόγηση των στατιστικών αποτελεσμάτων, που περιλαμβάνει όλες της μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για την αντικειμενικοποίηση της μεθόδου απόρριψης μετρήσεων. Αναλυτικότερα στα πλαίσιά της έγινε ορισμός των τεσσάρων κλάσεων ποιότητας “καλές” ,“κακές”, “πολλαπλώς απορριφθείσες” και “μη πολλαπλώς απορριφθείσες” και η κατάταξη των μετρήσεων σε αυτές αντίστοιχά με το αν έχουν απορριφθεί σε καμία, σε τουλάχιστον μία, τουλάχιστον σε τέσσερις και το πολύ σε δύο παλινδρομήσεις. Η παρουσίαση των μεταβλητών για την αξιολόγηση της κατάταξης και τέλος η αιτιολόγηση της κατάταξης βάσει των μεταβλητών αυτών . Εν συνεχεία γίνεται η παρουσίαση των συμπερασμάτων όπου κατά πρώτον γίνονται οι κρίσεις για τον βαθμό επιτυχίας στην αντικειμενοποίηση της μεθόδου απόρριψης, όπως αυτή εφαρμόστηκε κατά την αξιολόγηση των στατιστικών αποτελεσμάτων. Κατά δεύτερον ακολουθεί η πρόκριση του NDVI ως βέλτιστου δείκτη στη εκτίμηση της εδαφικής υγρασίας και η παράθεση των λόγων που στηρίζουν αυτή την επιλογή. Η εργασία κλείνει με την παρουσίαση των προοπτικών των αποτελεσμάτων της μελέτης. Αυτές δεν είναι άλλες από την περαιτέρω θεμελίωση της μεθόδου απόρριψης μετρήσεων στο καθαρά ερευνητικό κομμάτι. Στο πρακτικό σκέλος μπορεί να περιλαμβάνει την εφαρμογή των συμπερασμάτων σε μια επιχειρησιακή εφαρμογή σε τομείς, όπως ο προγραμματισμός των αρδεύσεων που επιτρέπει η γνώση της εδαφικής υγρασίας , η καταπολέμηση πυρκαγιών, αφού όσο αυξάνει η ξηρότητα αυξάνεται η πιθανότητα ξεσπάσματός τους κτλ. Τέλος σημειώνεται η δυνατότητα για συνδυασμένη χρήση λήψεων MODIS και radar εικόνων, που επιτρέπει τον φθηνό και χωρίς εκπτώσεις στην ποιότητα υπολογισμό εδαφικής υγρασίας δίχως την χρήση επιγείων δεδομένων.

In this thesis nan effort has been made to find an objective way of measuring the level of soil moisture through the use of MODIS satelite images. Initially the definition of soil moisture and certain basic meanings of statics of the soil (e.g. porosity), is given which are necessary for the better understanding of the project . Then follow all the quantitative statements of measurement . Next comes a detailed description of all the measuring methods of soil moisture by use of ground and remote sensing means. Finally there is a general description of the technical characteristics of MODIS indicators as well an analytical presentation of the basic parts of research publications on which the thesis has been based. We continue with the methodology which in the first stage includes the description of all the data used . The data refer either to soil data like the measured values of soil moisture recorded at the Illinois stations and the characteristics of plant cover of the area under study or remote sensing data (MODIS images). In the second stage we present the preprocessing of the data which is summarised in five(5) phases as follows: a) Calendar correspondance of satelite and ground data. b) The selection of the best MODIS images through specific criteria mentioned in the text. c) The identification of the geodetic system to which the coordinates of the soil moisture measuring station refers (WGS 84 without projection) with the georeference of the images. d) The calculation of the spectral indices of soil moisture estimation in ER Mapper and finally. e) The photo interpetating analysis of each stations area with the purpose of finding information which cannot be perceived through the use of land cover maps such as large structures in the fields. Next is the presentation of statistical analysis of the measurements for the purpose of the study of the study . The analysis initially covered the designing of the scattergrams for every index using all 36 measurements . On the scattergrams the values of soil moisture estimation indices were used as independent variables and the soil moisture value as a depended variable. Then we fitted the best trend line on the measurements subtracting 10 measurements. There follows the evaluations of the statistics results which includes all the methods used in order to prove objectively the measurement rejection method .In more detail in the evaluation frame work four quality classes were designated which are “good”, ”bad”, “multiply rejected” and “non- multiply rejected” and the measurement classification in the corresponding categories , depending on whether the measurements have been rejected “never”, “at least once” , “at least four times” and “at the most twice” at two regressions. The presentation of the variables for the evaluation of the classification and finally the reasons for this classification based on this variables . The next stage refers to the conclusions of the findings .First how to successful the attempt to prove objectively the measurement rejection method was and second that NDVI was the best index for soil moisture estimation and the reason for it. Finally the thesis ends with what the prospects for the study are. These are not other than the improvement of objectivity and the development of applications which will help in the planing of irrigation using the acquired knowledge regarding soil moisture. This knowledge can also be used in fighting forest fires since as dryness increases so does the risk for fire. Another possible application is the use of high cost radar images to calibrate soil moisture indices and the to use the very low cost MODIS images for daily estimations.