Water resources management in agricultural watersheds using remote sensing

Abstract

The goal of this study is a contribution to the water resources management through the detailed study of evapotranspiration estimated by calculating the surface energy balance. Satellite-based energy balance for Mapping EvapoTRanspiration with Internalized Calibration (METRIC) methodology is successfully modified and applied at the region of Thessaly, Greece. Furthermore, hundreds of field measurements (spectral measurements) for the year 2012 for selected crops at the Lake Karla basin are recorded. These values are filtered and then converted according to the specific wavelengths of Landsat 7 bands using the Relative Spectral Response (RSR) of Landsat TM/ETM+, and applying interpolation. Surface reflectivity values over cotton, wheat, maize, alfalfa and sugar beet fields of Lake Karla basin are finally generated, and vegetation indices can be estimated with high accuracy without the need for atmospheric correction. It is therefore possible now to incorporate accurate values of vegetation indices into METRIC methodology and finally get separate Kc values for each crop with a spatial resolution of 30 m x 30 m. Kc values can be finally introduced into FAO’s CROPWAT model for the computation of water needs for each crop. Specialized downscaling techniques show that it is possible to predict a 30 m x 30 m ETa Landsat image map for Lake Karla watershed simply applying a linear model (linear regression) derived from MODIS images with a 250 m x 250 m spatial resolution. The basic assumption of this methodology is that the fine-scale variability inside a MODIS pixel (250 m x 250 m) is assumed to be fixed between the times of the first and the second Landsat image acquisition. After that, an estimation of the required amount of irrigation water requirements using CROPWAT (FAO) model is generated, using specific land use. At last, a new model incorporating all the previous applied methodologies is established. The new model uses field measurements, downscaling techniques between Landsat and MODIS derived NDVI values and linear regression in order to finally produce daily crop coefficient values with a 30 m x 30 m spatial resolution. Values of actual evapotranspiration produced by METRIC methodology are validated through the theoretical Penman-Monteith methodology. Then, the proposed methodology is validated independently utilizing new Landsat 7 and Landsat 8 images not initially used at the proposed methodology, by comparing the predicted values when applying the proposed methodology with the computed values of evapotranspiration based on METRIC methodology. Validation is satisfactory for both cases. Finally, a sensitivity analysis of the assessment of crop irrigation requirements is performed. CROPWAT outputs are checked against the possible error of crop coefficients derived from the proposed methodology. The results are again encouraging.

Στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η συμβολή στη διαχείριση υδατικών πόρων μέσω της λεπτομερούς μελέτης της εξατμισοδιαπνοής που εκτιμάται από τον υπολογισμό του επιφανειακού ενεργειακού ισοζυγίου. Το επιφανειακό ενεργειακό ισοζύγιο μελετάται με τη μεθοδολογία Satellite-based energy balance for Mapping EvapoTRanspiration with Internalized Calibration (METRIC) το οποίο και εφαρμόστηκε με επιτυχία στη λεκάνη απορροής της Λίμνης Κάρλας στην Θεσσαλία. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ανακλαστικότητας στο πεδίο χρησιμοποιώντας το φορητό φασματοραδιόμετρο Geophysical Environmental Research (GER) 1500. Εκατοντάδες επίγειες μετρήσεις ανακλαστικότητας μετατρέπονται στη συνέχεια, με τη χρήση των Relative Spectral Response (RSR) των Landsat TM/ETM+, και με παρεμβολή, σε τιμές συγκρίσιμες με τις αντίστοιχες των αντίστοιχων καναλιών του δορυφόρου Landsat 7. Σαν τελικό αποτέλεσμα δείκτες βλάστησης (VI) μπορούν πλέον να παραχθούν με ακρίβεια και χωρίς την ανάγκη διενέργειας ατμοσφαιρικής διόρθωσης πάνω από καλλιέργειες βαμβακιού, σιταριού, καλαμποκιού, μηδικής και ζαχαροτεύτλων στην περιοχή μελέτης. Περαιτέρω διερεύνηση των δεικτών οδηγεί στην εξαγωγή μέσω παλινδρόμησης ξεχωριστών σχέσεων κι έτσι παράγεται πλέον μια ξεχωριστή τιμή του ειδικού φυτικού συντελεστή Kc για κάθε καλλιέργεια και για κάθε φαινολογικό στάδιο με χωρική ανάλυση 30 m x 30 m. Οι τιμές των φυτικών συντελεστών μπορούν πλέον να εισαχθούν σε μια μέθοδο υπολογισμού υδατικών απαιτήσεων όπως το μοντέλο CROPWAT και να δώσουν τελικά τιμές αρδευτικών απαιτήσεων ανά καλλιέργεια σε mm ύψους βροχής. Κατόπιν εφαρμόζεται η μεθοδολογία καταβιβασμού (downscaling) κατά την οποία διαφαίνεται ότι είναι εφικτή η πρόβλεψη μιας 30 m x 30 m ETa Landsat απεικόνισης για την περιοχή της λίμνης Κάρλας εφαρμόζοντας ένα απλό γραμμικό μοντέλο (linear regression) παραγόμενο από εικόνες MODIS χωρικής ανάλυσης 250 m x 250 m με την προϋπόθεση φυσικά ότι η μεταβλητότητα μέσα σε ένα εικονοστοιχείο MODIS (250 m x 250 m) θεωρείται αναλογικά σταθερή μεταξύ του χρόνου από την ανάκτηση της πρώτης έως την ανάκτηση της δεύτερης εικόνας Landsat. Η μεθοδολογία καταβιβασμού εφαρμόζεται με την ίδια λογική και σε εικόνες του δείκτη NDVI και, τελικά, επιχειρείται η ανάπτυξη ενός νέου συνδυαστικού μοντέλου το οποίο ενσωματώνει τη μεθοδολογία της ανάκτησης δεικτών βλάστησης από επίγεια δεδομένα, και τον καταβιβασμό τιμών του δείκτη βλάστησης NDVI μεταξύ Landsat και MODIS προς όφελος της δημιουργίας γραμμικών εξισώσεων που δίνουν απευθείας καθημερινές τιμές του φυτικού συντελεστή Kc με χωρική ανάλυση 30 m x 30 m. Η πιστοποίηση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής με τη μεθοδολογία METRIC γίνεται βάσει της θεωρητικής μεθόδου Penman-Monteith. Σε δεύτερο στάδιο, η προτεινόμενη μεθοδολογία πιστοποιείται, ανεξάρτητα, με νέες εικόνες Landsat 7 και Landsat 8, οι οποίες δεν έχουν χρησιμοποιηθεί στην ανάπτυξη της μεθοδολογίας. Και στα δύο στάδια η πιστοποίηση κρίνεται αρκετά ικανοποιητική. Τέλος, γίνεται μια ανάλυση ευαισθησίας της εκτίμησης των αρδευτικών αναγκών σε συνάρτηση με το πιθανό σφάλμα που προέρχεται από την εκτίμηση των φυτικών συντελεστών. Τα αποτελέσματα και σε αυτή την περίπτωση είναι ενθαρρυντικά.