Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρονόμων Τοπογράφων Μηχανικών ΔΠΜΣ: Γεωπληροφορικής ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΙΚΤΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΛΕΤΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ ΣΤΟ ΘΕΡΜΑΙΚΟ ΚΟΛΠΟ Η ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗΣ Χατζηνικολάου Εφη Ακαδημαϊκό εξάμηνο -2018 Αναλυτικές μέθοδοι Γεωπληροφορικής
Ποιότητα υδάτων στις παράκτιες ζώνες Οι παράκτιες ζώνες : σύνθετες, δυναμικές, πιο παραγωγικές περιοχές στον παγκόσμιο ωκεανό. Η παράκτια περιοχή επομένως υφίσταται μεγάλες πιέσεις. Η ανθρώπινη δραστηριότητα (βιομηχανική παραγωγή και οι ιχθυοκαλλιέργειες) υπερεκμετάλλευση των φυσικών πόρων μεταβολή προτύπων των εισροών του γλυκού νερού αυξάνοντας τη ροή των θρεπτικών ουσιών και των ιζημάτων στα ποτάμια προκαλώντας φαινόμενα ευτροφισμού (ανεπιθύμητη πληθυσμιακή αύξηση φυκιών). Αποτέλεσμα : μείωση της ποιότητας + περιορισμό της βιοποικιλότητας σε παγκόσμια κλίμακα. Βασικές πηγές μόλυνσης προέρχονται : - παθογόνους μικροοργανισμούς (βακτήρια και ιούς), - τοξικές ουσίες (π.χ. βαρέα μέταλλα και βιομηχανικά απόβλητα), - θρεπτικές ουσίες (νιτρικά και φωσφορικά ιόντα από λιπάσματα και φυτοφάρμακα), - εισροές ζεστού νερού, απορρίμματα κτλ.
ΕΥΤΡΟΦΙΣΜΟΣ ΣΤΗ ΜΕΣΟΓΕΙΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Κατανομή χλωροφύλλης (δείκτης βιομάζας φυτοπαλγκτού) στη Μεσόγειο, όπως εκτιμήθηκε από δορυφορικές φωτογραφίες SeaWifs της περιόδου 1998-2000 (UNEP(DEC/MED WG 228/Inf.7, 2003). Χαμηλές τιμές μπλε χρώμα υψηλές τιμές πράσινο έως κόκκινο χρώμα. Μεσόγειος ολιγοτροφικές θάλασσες του κόσμου (φτωχή σε θρεπτικά άλατα, υψηλή βιοποικιλότητα, διαυγής) Φαινόμενα ευτροφισμού σε ορισμένες παράκτιες περιοχές με αστικά και γεωργικά κυρίως απόβλητα ( επαρκή ή καθόλου επεξεργασία) Περιοχές: το βόρειο τμήμα του Σαρωνικού και κυρίως ο κόλπος της Ελευσίνας, το βόρειο τμήμα του Θερμαϊκού, ο Μαλιακός, ο Αμβρακικός κόλπος, η λιμνοθάλασσα του Αράξου, οι λιμνοθάλασσες του Μεσολογγίου, κλπ
Δείκτες Ποιότητας Νερού ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΝΕΡΟΥ -Οι φυσικές ιδιότητες ( θερμοκρασία, θολότητα). -Τα χημικά χαρακτηριστικά (διαλυμένο οξυγόνο, το αμμωνιακά & φωσφορικά ιόντα κτλ.) -Οι βιολογικοί δείκτες (την άλγη, φυτοπλαγκτόν) Χλωροφύλλη-α (chlorophyll-a ή chl-a) Η χλωροφύλλη βρίσκεται στα φυτά, στην άλγη και το φυτοπλαγκτόν. Το πράσινο χρώμα των φυτών οφείλεται στο ότι η χλωροφύλλη ανακλά το πράσινο χρώμα, ενώ απορροφά όλα τα άλλα. 6 διαφορετικές μορφές χλωροφύλλης (A, B, C, D, E και F) και η κάθε μία ανακλά ελαφρώς διαφορετικά στα πράσινα μήκη κύματος. H κύρια μορφή χλωροφύλλης που είναι υπεύθυνη για τη φωτοσύνθεση είναι η χλωροφύλλη-α. Τα υδάτινα οικοσυστήματα μπορούν να χαρακτηριστούν ως ολιγοτροφικά (<0.1 0.6 mg/l), μεσοτροφικά (o.6-2.21) και ευτροφικά (>2.21)
Δείκτες Ποιότητας Νερού Επίδραση ευτροφισμού υδάτων = αύξηση φυτοπλακτόν = χλωροφύλλης-α Συνέπειες αύξησης του φυτοπλαγκτού είναι: 1) αλλαγές στη σύνθεση των θαλάσσιων ειδών και της λειτουργίας της τροφικής αλυσίδας, 2) έντονη ιζηματογένεση της οργανικής ύλης, 3) αύξηση στην κατανάλωση του οξυγόνου, με αποτέλεσμα της συνακόλουθες αλλαγές στη δομή της υδρόβιας ζωής ή και το θάνατο της και 4) πιθανή προώθηση επιβλαβών φυκιών, που μπορούν να προκαλέσουν δηλητηρίαση στα ψάρια και στα όστρακα και επομένως στον άνθρωπο. Η συγκέντρωση χλωροφύλλης στις θάλλασες μπορεί να εκτιμηθεί με μετρήσεις από τους δορυφόρους στο ορατό φάσμα, η οποία σκεδάζει έντονα το πράσινο χρώμα. Για ολιγοτροφικά συστήματα η καλύτερη σχέση για αποτύπωση είναι ο λόγος πράσινου με το μπλε
Δείκτες Ποιότητας Νερού Διαλυμένο Οξυγόνο (Dissolved Oxygen ή DO) Η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό, σχετίζεται με την ανάπτυξή πολλών μορφών ζωής επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως την αλατότητα, τη θερμοκρασία, την ατμοσφαιρική πίεση, την υδροστατική πίεση, τη βιομάζα, τις συνθήκες φωτισμού κτλ.. Χρησιμοποιείται από τους περισσότερους οργανισμούς για την αναπνοή και την οξείδωση των οργανικών ουσιών Στα παραγωγικά συστήματα αναμένεται να υπάρχουν μεγάλες συγκεντρώσεις DO. Η έλλειψη του οξυγόνου, οδηγεί σε αφανισμό αερόβιων οργανισμών (π.χ. ψάρια) και επιτρέπει την επιβίωση μόνο σε ορισμένα είδη βακτηρίων. Βάθος δίσκου Secchi (Secchi Disk Depth - SDD) Ο δίσκος Secchi είναι ένα όργανο μέτρησης της διαύγειας του νερού. Διαδικασία βύθιση του δίσκου στο νερό και στη συνέχεια η καταγραφή του βάθους που παύει να φαίνεται ο δίσκος. Η ποσότητα του φωτός που φτάνει στα φυτά κάτω από την επιφάνεια του νερού εξαρτάται από την καθαρότητα / διαύγεια του νερού. Ανεπάρκεια = εξασθένηση φυτών. Άμεσες συνέπειες αυτού είναι η μείωση στην παραγωγή οξυγόνου και η μείωση της τροφής για πολλά ζώα. Αλατότητα επίδραση γλυκού νερού από τα ποτάμια, μείωση αλατότητας.
Δορυφόρος Landsat 8 Κάθε αντικείμενο παρατήρησης που βρίσκεται πάνω στη Γη ανακλά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συγκεκριμένο τρόπο στα διαφορετικά μήκη κύματος. Αυτή η ιδιαιτερότητα εκφράζεται για κάθε αντικείμενο με τη φασματική υπογραφή του. Οι δορυφορικοί δέκτες μπορούν να διαθέσουν δεδομένα παρακολούθησης για μεγάλες περιοχές παρέχοντας μία γενικότερη εικόνα της περιβαλλοντικής κατάστασης των υδάτων. Ο δορυφόρος Landsat-8 : Φεβρουάριο του 2013 ηλιοσύγχρονη τροχιά, υψόμετρο 705 km πάνω από τον ισημερινό περίοδο 16 ημερών. δύο αισθητήρες, τον Operational Land Imager (OLI) και τον Thermal Infrared Sensor (TIRS). χωρικής ανάλυσης με εδαφοψηφίδα 30x30 m 9 φασματικά κανάλια + 2 θερμικά. - 8 κανάλια στην ορατή, εγγύς υπέρυθρη και μικρού κύματος υπέρυθρη περιοχή κανάλι - 1 (coastal/aerosol band) μελέτες παράκτιων υδάτων και αερολυμάτων - 9 (cirrus band) αποσκοπεί στην ανίχνευση των θυσάνων (cirrus clouds).
Κανάλια Δορυφόρου Landsat 8 Αισθη τήρας Κανάλι Φασματική περιοχή (nm) Χωρική Ανάλυση OLI TIRS 1 0.435-0.451 (Coastal / Aerosol) 30m 2 0.452-0.512 (Μπλε) 30m 3 0.533-0.590 (Πράσινο) 30m 4 0.636-0.673 (Κόκκινο) 30m 5 0.851-0.879 (Εγγύς υπέρυθρο) 30m 6 1.566-1.651 (Μικρού κύματος υπέρυθρο 1) 30m 7 2.107-2.294 (Μικρού κύματος υπέρυθρο 2) 30m 8 0.503-0.676 (Πανχρωματικό) 30m 9 1.363-1.384 (Cirrus) 15m 10 10.60-11.19 (Θερμικό υπέρυθρο 1) 100m 11 11.50-12.51 (Θερμικό υπέρυθρο 2) 100m
Δείκτες ανάλυσης ποιότητας υδάτων Multiband Index Normalized Difference Water Index Χλωροφύλλη Διαλυμένο Οξυγόνο Βάθος Secchi Αλατότητα Θολότητα Θερμοκρασία Equation NDWI = (Green NIR)/(Green + NIR) Green/Blue B5/(B4+B6-B3) exp((b3-b6)/(b2-b7)) B2-B6 L655-L865 RADIANCE_MULT_BAND_10 * x + RADIANCE_ADD_BAND_10 Βιβλιοθήκες στο R που χρησιμοποιηθήκαν Raster, RGDAL, ggplot2, ggcorrplot
2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016 USGC DATA HUB EarthExplorer
Δείκτης NDWI (ένδειξη ύδατος) Normalized Difference Water Index NDWI = (Green NIR)/(Green + NIR) Χρησιμοποιήθηκε ως extend για την επεξεργασία δεδομένων που αφορούν ΜΟΝΟ το υδάτινο στοιχείο
2 Μαΐου Χλωροφύλλη Green/Blue 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 31 Μάιου 2016 Min 0.7705 0.6521 0.8237 Max 1.4811 1.7826 2.8188 Mean 0.8241 0.8541 0.8696 Median 0.8060 0.8473 0.8673
2 Μαΐου Διαλυμένο Οξυγόνο B5/(B4+B6-B3) 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 31 Μάιου 2016 Min 0.743 0.6317 0.3825 Max 2.204 1.7432 1.6596 Mean 1.376 1.2495 1.2212 Median 1.355 1.2427 1.2181
Βάθος Secchi exp((b3-b6)/(b2-b7)) 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου Min -13.90-118.000 Max 16.157 9 627.0000 Mean 0.5548 0.5719 Median 0.5200 0.5594
2 Μαΐου Αλατότητα B2-B6 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 31 Μάιου 2016 Min -22351-20819 -46436 Max 6073 3959 3461 Mean 4050 2774 2479 Median 4054 2751 2475
2 Μαΐου Θολότητα logb4-logb3 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 31 Μάιου 2016 Min -0.30171-0.23472-0.20117 Max -0.02209 0.03583 0.01877 Mean -0.13844-0.11796-0.10251 Median -0.13325-0.11690-0.10176
Θερμοκρασία RADIANCE_MULT_BAND_10 * x + RADIANCE_ADD_BAND_10 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου Min 13.10 8.857 Max 33.70 23.017 Mean 16.61 14.822 Median 16.65 15.110
2 Μαΐου Διαγράμματα Συσχετίσεων για τους δείκτες ποιότητας νερού 10 Νοεμβρίου 31 Μαΐου 2016
Πολλαπλή Γραμμική Παλινδρόμηση Εξαρτημένη μεταβλητή : Χλωροφύλλη Διαλυμένο Οξυγόνο ΘΕΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ ΦΘΙΝΟΠΟΡΙΝΗ ΠΕΡΙΟΔΟΣ 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου Estimate pvalue Estimate pvalue 5.49e-01 *** 3.533e-01 *** Βάθος Secchi 2.45e-01 *** 4.668e-05 *** Αλατότητα 3.226e-01 *** -3.468e-05 *** Θολότητα -5.246e-05 *** 4.599e-01 *** Θερμοκρασία 2.050e-03 *** -1.697e-02 ***
Διαγράμματα διασποράς Θερμοκρασίας και χλωροφύλλης 2 Μαΐου 10 Νοεμβρίου
Συμπεράσματα Χωρική διαφοροποίηση κοντά στην ακτογραμμή όλων των παραγόντων Χλωροφυλλή: Εποχική μεταβολή Αύξηση στο παράκτιο μέτωπο την καλοκαιρινή περίοδο Θερμοκρασία και Χλωροφύλλη: ανάλογα μεγέθη αύξηση Χλωροφύλλης με αύξηση Θερμοκρασίας μείωση Χλωροφύλλης με μείωση Θερμοκρασίας Αλατότητα : διακύµανση λόγω των εισροών γλυκών νερών από τα ποτάµια (όλο το παράκτιο μέτωπο Δυτικού Κόλπου) χαµηλότερες αλατότητες καλοκαίρι (Μάιος). ιαλυµένο οξυγόνο: σταθερές τιµές κορεσµού (Μάιος-Νοέμβριος).