Εκτίμηση και χαρτογράφηση ποιοτικών χαρακτηριστικώνσε υδάτινους αποδέκτες με τεχνικές τηλεπισκόπησης: Η περίπτωση της λίμνης Κάρλα.

Abstract

Σήμερα η ανάγκη παρακολούθησης και προστασίας του περιβάλλοντος είναι πιο έντονη από ποτέ. Παράλληλα, απαραίτητες καθίστανται μέθοδοι και τεχνικές αξιόπιστες και χαμηλού κόστους. Οι σύγχρονες τεχνολογίες και οι μέθοδοι παρακολούθησης του γήινου περιβάλλοντος αποτελούν ένα πολύτιμο εργαλείο προς τη κατεύθυνση αυτή. Στη παρούσα εργασία, κύρια επιδίωξη αποτέλεσε η τυποποίηση της διαδικασίας χαρτογράφησης των βασικών ποιοτικών παραμέτρων παρακολούθησης λιμναίων οικοσυστημάτων. Με συνδυασμό ταυτόχρονων επίγειων και δορυφορικών πολυφασματικών παρατηρήσεων, έγινε προσπάθεια εκτίμησης με τηλεπισκοπικά μέσα των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού. Δεδομένα αποτέλεσαν οι δορυφορικές εικόνες του Landsat 8, τα υπερφασματικά δεδομένα από φασματογράφο χειρός και τα αποτελέσματα των αντίστοιχων χημικών αναλύσεων, τα οποία αποτέλεσαν και τα δεδομένα ελέγχου (ground truth). Για τα δορυφορικά και υπερφασματικά δεδομένα πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητες ραδιομετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις. Τα αποτελέσματα των συσχετίσεων ήταν ενθαρρυντικά τόσο για τα υπερφασματικά δεδομένα όσο και για τα δορυφορικά, και δεν περιορίζονταν μόνο σε παραμέτρους όπως η χλωροφύλλη-α, στην οποία συνήθως επικεντρώνονται οι μελέτες της διεθνούς βιβλιογραφίας, αλλά και σε παραμέτρους όπως το αμμώνιο και το διαλυμένο οξυγόνο. Συγκεκριμένα, στα υπερφασματικά, ο καλύτερος δείκτης για την εκτίμηση της χλωροφύλλης-α ήταν ο ( (R665.7)^(-1) x R 703.5 ) (r2=97.6%), των νιτρικών ιόντων ο λόγος R850.1/R550 (r2=85.7%) και του αμμωνίου ο δείκτης R664.1/550.6 (r2=88.5%). Για την αγωγιμότητα το κανάλι R753.5 έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα (r2=81.7%), για το διαλυμένο οξυγόνο ο λόγος R664/550 (r2=81.9%), για τη θερμοκρασία ο λόγος R670/412 (r2=84%), ενώ για τον ολικό φώσφορο και το pH δεν παρατηρήθηκαν αξιοσημείωτες συσχετίσεις για τους υπό μελέτη δείκτες. Σε αντίστοιχα επίπεδα κινήθηκαν και τα αποτελέσματα για τα δορυφορικά δεδομένα, με τη καλύτερη συσχέτιση χλωροφύλλης-α να εμφανίζεται για το δείκτη R480/(R440+R480+R560) (r2=93.2%), με τα νιτρικά να δίνουν συσχέτιση (r2=82.7%) για το δείκτη exp(R865/R560), το αμμώνιο (r2=87.2%) στο (R440-R655)/(R560-R655), ο ολικός φώσφορος (r2=78.9%) στο (R480-R655)/R560, το pH (r2=79.3%) στο LnR865-LnR1610, την αγωγιμότητα (r2=57.5%) στο R480-R865 και τέλος το διαλυμένο οξυγόνο (r2=90%) για τη διαφορά R560-R655. Όσον αφορά τη θερμοκρασία, τα κανάλια του θερμικού δέκτη έδωσαν ισχυρές συσχετίσεις της τάξης του (r2=95%). Τέλος, και με βάση τα αποτελέσματα αυτά, δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχοι χάρτες για την περιοχή μελέτης, τη λίμνη Κάρλα.

Nowadays, the need for monitoring and protection of natural environment is greater than ever. Thus, reliable and low cost monitoring methods and techniques are becoming more essential. To this end, cutting-edge technologies from Geo-Informatics and Earth Observation fields form a valuable tool towards effective remote sensing monitoring of aquatic environment. The main objective of this study was to standardize the process of monitoring key water quality parameters in lake ecosystems. Therefore, multiple in-situ, analytical and satellite multispectral data were acquired, processed and fused in the study area Lake Karla, Greece. In particular, Landsat 8 satellite images, hyperspectral data from a field spectrometer, physico-chemical and other monitoring parameters from water samples served as the ground truth data, formed the multi-modal dataset. Radiometric and atmospheric corrections were performed to the satellite and hyperspectral data. The experimental results indicated highly correlations between the remote sensing observations and the in-situ data for key water quality parameters like the concentrations of chlorophyll-a, ammonium and dissolved oxygen. In particular, for the hyperspectral data the highest rates were for chl-a (r2=97.6%), ammonium (r2=88.5%), nitrates (r2=85.7%), conductivity (r2=81.7%) and dissolved oxygen (r2=81.9%). The total phosphorus and the pH didn’t provide stable correlations. For the satellite multispectral data, the highest rates were for chl-a (r2=93.2%), dissolved oxygen (r2=90%), nitrates (r2=82.7%), ammonium (r2=87.2%), total phosphorus (r2=78.9%) and pH (r2=79.3%), while the conductivity (r2=57.5% ) stayed in lower correlation rates. In all cases, the temperature estimation based on Landsat TIRS data established strong relationships at 95% (r2). These preliminary results demonstrate that remote sensing technology and advanced processing techniques can significantly contribute towards the development of a reliable and lowcost off-situ water quality monitoring system for sensitive aquatic ecosystems like the shallow lakes in the greater Mediterranean basin.