Επίδραση κλίμακας στη μέτρηση υδατικών παραμέτρων και παραμέτρων βλάστησης με τεχνικές τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών

Abstract

Rapid population growth is followed by an increasing demand for food. This call is directed towards irrigated agriculture, which today comprises 40 percent of global food production. The increasing demand for fresh water is undeniably an emergent world problem, which stresses the need for improved water resource management. Production system managers should aim towards increased production without further degradation of cultivated land or depletion of available water. An element of water resource management is the calculation and geographic mapping of the water consumption, mainly by irrigated agriculture, the biggest consumer of fresh water. Using the state-of-the-art techniques of remote sensing and geographic information systems, the weaknesses of the traditional methods of evapotranspiration estimation can be overcome. The importance of scale in the study of geographic phenomena is recognized within the scientific community. However, its effect in the various operations is often overlooked. Problems can possibly emerge when using satellite data of incorrect measurement scale (pixel size), or when restricting the work in a geographic scale (study area extent) that the examined phenomena cannot be studied sufficiently. Up to now, the influence of the selected scale has been examined in vegetation applications, and no effort has been given to water resource studies. The objectives of this study focused on the influence of measurement and geographic scale change, while calculating various environmental parameters using remotely sensed images. The examined parameters are the vegetation index NDVI (a vegetation parameter), the actual evapotranspiration (a water parameter) and the water accounting indicators (a combination of the previous parameters). Moreover, this study was directed towards the investigation of methods for the improvement of the spatial resolution of derived images (measurement scale), and in the assessment of a proposed new method. The selected area to study these objectives is the Zhanghe irrigation district, in central China. It is an agricultural region, with mild terrain and an irrigated extent of 160,000 hectares. The main artificial reservoir was designed to cover the irrigation needs of the district, but gradually more water has been allocated for other uses, such as industrial and urban ones. However, the productivity of rice has increased, probably due to the improved rice varieties that were imported, the alternate wet – dry irrigation technique, and the tens of thousands of smaller reservoirs and tanks that were created by farmers for the retention of rain water and surface runoff. Consequently, the irrigation system is particularly complex, and it’s study is particularly difficult. The data used in this study consist of a time-series of satellite images and field measurements from other studies. The images were middle (Landsat 7 ETM+) and low spatial resolution (Terra MODIS and NOAA AVHRR). A common characteristic of the satellite sensors used is the presence of suitable spectral channels for the recording of vegetation, biomass growth and actual evapotranspiration.

Η ραγδαία αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού ασκεί πίεση για ανάλογη αύξηση της παραγωγής τροφής και θέτει σε κίνδυνο τους φυσικούς πόρους του πλανήτη. Το μεγαλύτερο βάρος για την κάλυψη των αναγκών πέφτει αναπόφευκτα στην αρδευόμενη γεωργία, η οποία καλύπτει σήμερα το 40% της παγκόσμιας παραγωγής. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε νερό είναι αναμφισβήτητα ένα επερχόμενο παγκόσμιο πρόβλημα, που τονίζει την ανάγκη για καλύτερη διαχείριση των υδατικών πόρων. Στόχος των διαχειριστών θα πρέπει να είναι η αύξηση της παραγωγής, χωρίς περαιτέρω υποβάθμιση των γαιών ή εξάντληση των διαθέσιμων υδατικών πόρων. Θετικά βήματα προς την κατεύθυνση αυτή είναι η καταγραφή των καλλιεργημένων εκτάσεων, ο υπολογισμός της παραγωγής και η οριοθέτηση των φυσικών οικοσυστημάτων. Επίσης, μεγάλης σημασίας είναι ο υπολογισμός και η γεωγραφική καταγραφή του νερού που καταναλώνεται από τους διάφορους χρήστες και κυρίως από τις αρδευόμενες εκτάσεις, που είναι και ο μεγαλύτερος καταναλωτής νερού. Οι αδυναμίες των παραδοσιακών μεθόδων εκτίμησης της καλλιεργημένης έκτασης, της παραγωγής και της εξατμισοδιαπνοής μπορούν πλέον να αντιμετωπιστούν χρησιμοποιώντας τις νεότερες τεχνικές τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών. Η σημασία της κλίμακας στη μελέτη των γεωγραφικών φαινομένων είναι σαφώς αναγνωρισμένη από την επιστημονική κοινότητα. Ωστόσο, η επίδρασή της στις διάφορες εργασίες συχνά παραβλέπεται. Προβλήματα μπορεί να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα ακατάλληλης κλίμακας μέτρησης (μέγεθος εικονοστοιχείου), αλλά και περιορίζοντας την εργασία σε γεωγραφική κλίμακα (εύρος περιοχής μελέτης) που τα εξεταζόμενα φαινόμενα δεν μπορούν να μελετηθούν επαρκώς. Μέχρι τώρα, η επίδραση της επιλεγμένης κλίμακας έχει εξετασθεί σε εφαρμογές καταγραφής της βλάστησης, χωρίς να έχει γίνει παρόμοια προσπάθεια σε εφαρμογές καταγραφής υδατικών παραμέτρων. Τα αντικείμενα έρευνας αυτής της μελέτης εστιάστηκαν στην επίδραση που έχει η αλλαγή της κλίμακας μέτρησης και της γεωγραφικής κλίμακας στην καταγραφή διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων. Οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι ο δείκτης βλάστησης NDVI (παράμετρος βλάστησης), η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (υδατική παράμετρος) και οι δείκτες λογιστικής ύδατος (συνδυασμός προηγούμενων παραμέτρων). Επίσης, η μελέτη κατευθύνθηκε στη διερεύνηση μεθόδων βελτίωσης της χωρικής διακριτικής ικανότητας παραγόμενων εικόνων (κλίμακα μέτρησης), και στην αποτίμηση μιας νέας προτεινόμενης μεθόδου. Ως περιοχή μελέτης των παραπάνω αντικειμένων επιλέχθηκε η περιοχή Zhanghe, της κεντρικής Κίνας. Είναι κυρίως αγροτική περιοχή, με ήπιο ανάγλυφο και αρδευόμενη έκταση 1.600.000 στρεμμάτων, περίπου. Ο κύριος τεχνητός ταμιευτήρας έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει τις αρδευτικές ανάγκες της περιοχής, ενώ με την πάροδο του χρόνου, περισσότερο νερό χορηγείται σε άλλες χρήσεις, όπως η βιομηχανική και η αστική. Ωστόσο, η παραγωγικότητα των αγρών σε ρύζι αυξάνει, γεγονός που αποδίδεται στις βελτιωμένες ποικιλίες που εισήχθησαν, στις τεχνικές άρδευσης εναλλασσόμενου υγρού-ξηρού κύκλου (alternate wet – dry irrigation), και στους δεκάδες χιλιάδες μικρότερους ταμιευτήρες που έχουν δημιουργήσει οι παραγωγοί για την κατακράτηση του νερού της βροχής και της επιφανειακής απορροής. Συνεπώς, το αρδευτικό σύστημα της περιοχής παρουσιάζει ιδιαίτερη πολυπλοκότητα, καθιστώντας τη μελέτη του ιδιαίτερα δύσκολη εργασία.