Βιοφυσική χαρτογράφηση της Κύπρου απο δεδομένα MODIS και οι εφαρμογές της

Περιέχει βιβλιογραφικές παραπομπές.

Στη παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματοποιείται η βιοφυσική χαρτογράφηση της Κύπρου από το καταγραφικό σύστημα MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), που παρουσιάζει υψηλή φασματική, ραδιομετρική και χρονική διακριτική ικανότητα. Οι φασματικές καταγραφές του MODIS χρησιμοποιούνται από την ΝΑSA και την USGS για την σύνθεση παράγωγων δεδομένων όπως η θερμοκρασία και ο δείκτης βλάστησης. Τα δεδομένα αυτά συνθέτουν καταγραφές που αντιστοιχούν σε προκαθορισμένες ώρες της ημέρας (01:30, 10:30, 13:30, 22:30), ενώ ομαδοποιούνται (μεταξύ άλλων πχ εβδομαδιαίες) σε μέσες μηνιαίες εκτιμήσεις. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε κατάτμηση της Κύπρου σε χωρικές ζώνες που παρουσιάζουν διαφορετική ετήσια χωροχρονική μεταβολή των μέσων μηνιαίων τιμών για το έτος 2010 ως προς: 1) την θερμοκρασία ημέρας και νύχτας (LST day/night) 2) την ημερήσια διακύμανση της θερμοκρασίας (Diurnal) και 3) τους δύο δείκτες βλάστησης, (NDVI, EVI). Οι ζώνες διαφοροποιούνται ως προς την εποχική μεταβολή της θερμοκρασίας και της βλάστησης σε συνάρτηση με τις καλύψεις/χρήσης γης και την τοποθέτηση τους στο γεωμορφολογικό και γεωγραφικό περιβάλλον. Οι τεχνικές που ακολουθήθηκαν για την επίτευξη του στόχου αυτού περιλαμβάνουν αρχικά την φωτοερμηνεία των εικόνων που αντιστοιχούν στις μέσες μηνιαίες εκτιμήσεις των βιοφυσικών δεικτών της θερμοκρασίας και της βλάστησης. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της κανονικοποιημένης ανάλυσης κυρίων συνιστωσών για να εφαρμοσθεί ένα φιλτράρισμα στα δεδομένα, πριν τον προσδιορισμό χωρικών υποσυνόλων με διαφοροποιημένη εποχική βιοφυσική υπογραφή με την τεχνική της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Τα χωρικά υποσύνολα ή ζώνες για κάθε βιοφυσικό δείκτη αξιολογήθηκαν με βάση την χωρική τους κατανομή και το κέντρο βάρους (μέση μηνιαία εκτίμηση για κάθε μήνα του έτους 2010) των εικονοστοιχείων που ανήκουν σε κάθε ζώνη. Επιπλέον οι ζώνες αυτές συγκρίνονται με δεδομένα καλύψεων γης (Corine) και υψομετρικές πληροφορίες (SRTM 3) προκειμένου να ερμηνευτούν οι μεταβολές με βάση το φυσικό περιβάλλον και τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Η μελέτη των ζωνών κατέδειξε διαφοροποιήσεις ως προς τις βιοφυσικές υπογραφές, υποδεικνύοντας χωροχρονικές μεταβολές σε συγκριμένες ζώνες που συσχετίζονται με τις καλύψεις και χρήσεις γης και συνέβαλε στην άντληση πληροφοριών σχετικά με το χρόνο εμφάνισης των δύο κύριων αλλαγών των εποχών (θερμήψυχρή περίοδο και αντιστρόφως). Ενδεικτικά αναφέρεται: • Το δασικό οικοσύστημα της περιοχής Τροόδους για παράδειγμα, συμβάλει στην αύξηση της πυκνότητας της βλάστησης κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και στη διατήρηση χαμηλότερων θερμοκρασιών. • Στην περιοχή της Μεσαορίας, όπου οι γεωργικές δραστηριότητες περιορίζονται εκεί όπου υπάρχει άρδευση, η πυκνότητα της βλάστησης ελαχιστοποιείται κατά τους μήνες του καλοκαιριού και παρατηρούνται υψηλές θερμοκρασίες ημέρας σε αντιστοιχία με χαμηλές θερμοκρασίες νύχτας. • Ενώ όσον αφορά τις ημερήσιες διακυμάνσεις Diurnal κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού η περιοχή του Τροόδους εμφανίζει μέχρι και 100C χαμηλότερες τιμές εύρους σε σύγκριση με την περιοχή της Μεσαορίας. • Τέλος, εντοπίστηκαν περιοχές του ευρύτερου αστικού συγκροτήματος της Λευκωσίας που παρουσιάζουν φαινόμενο αστικής θερμονησίδας, με τη ημερήσια διακύμανση Diurnal να είναι μέχρι και 60C χαμηλότερη κατά τους μήνες του καλοκαιριού. Οι χωρικές και χρονικές συγκρίσεις των συνθηκών της βλάστησης και της θερμοκρασίας που προκύπτουν από την επεξεργασία των δορυφορικών βιοφυσικών δεδομένων, συμβάλουν στην ανίχνευση των αλλαγών στη χρήση γης, στην αξιολόγηση της πυκνότητας φυτοκάλυψης, στη μελέτη των διαδικασιών της εξατμοδιαπνοής και της απερήμωσης, στη διάκριση και προγραμματισμό των καλλιεργειών, στην ερμηνεία του φαινομένου της αστικής θερμονησίδας, ενώ με βάση την βιβλιογραφία συμβάλουν στην πρόβλεψη σεισμών και σε πληθώρα άλλων εφαρμογών (γεωθερμία, ηφαιστειολογία, δασοκομία). Απώτερος στόχος είναι τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης αυτής να διαχυθούν στους κρατικούς φορείς της Κύπρου ούτως ώστε να ληφθούν υπόψη για τη χωροθέτηση – εγκατάσταση χρήσεων και δραστηριοτήτων (καλλιέργειες, επέκταση σχεδίων πόλεων, χωροθέτηση τουριστικών εγκαταστάσεων κ.α.), που θα οδηγήσουν στον καλύτερο περιβαλλοντικό χωροταξικό σχεδιασμό, τον σχεδιασμό προγραμμάτων αποκατάστασης και στρατηγικών έγκαιρης πρόληψης, συμβάλλοντας παράλληλα και στη βελτίωση των βιοφυσικών υπογραφών. Οι κύριοι περιορισμοί της έρευνας έχουν σχέση με το μέγεθος του εικονοστοιχείου, το στοιχειώδες μέσο χρονικό διάστημα (μήνας, ενώ υπάρχουν δεδομένα σε εβδομαδιαία και ημερήσια βάση) και το εύρος της χρονικής περιόδου (1 έτος, ενώ η διαθεσιμότητα δεδομένων ξεκινά από το 2000 έως σήμερα). Αυτό σημαίνει ότι στο άμεσο μέλλον η διαθεσιμότητα βιοφυσικών δεδομένων με υποπενταπλάσια έως και υποδεκαπλάσια χωρική διακριτική ικανότητα θα επιτρέψει τη χαρτογράφηση ενοτήτων με διαφορετική βιοφυσική υπογραφή που θα έχουν πολύ μικρότερη επιφανειακή εξάπλωση. Επιπροσθέτως η αύξηση του εύρους της χρονικής περιόδου μελέτης θα επιτρέψει την αναγνώριση διαφοροποιήσεων που έχουν σχέση με την επερχόμενη κλιματική αλλαγή. Ενώ η θεώρηση μικρότερου μέσου χρονικού διαστήματος θα επιτρέψει τον ακριβέστερο προσδιορισμό χρονικά της μετάβασης των εποχών. Βέβαια οι τρεις προτεινόμενες βελτιώσεις- αναθεωρήσεις θα αυξήσουν τον όγκο των δεδομένων και το χρονικό διάστημα επεξεργασίας.

Aim of the present master thesis is the biophysical mapping of Cyprus, using biophysical products from MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), a system with high spectral, radiometric and temporal resolution ability. MODIS spectral recordings are used by NASA and USGS for the synthesis of product data, e.g. land surface temperature and vegetation index. This data compose recordings that correspond to predefined day times (01:30, 10:30, 13:30, 22:30), while they group (among others e.g. weekly), into mean monthly assessments. More specifically, segmentation of Cyprus into spatial zones was performed, based on the annual spatial and temporal variation of the monthly average values for the year 2010, for the biophysical signatures of the: 1) Land Surface Temperature (Day and Night) 2) Diurnal variations of Land Surface Temperature and 3) two Vegetation indices, the Normalized (NDVI) and Enhanced (EVI).The zones differentiate based on the seasonal temperature and vegetation variation, in relation to land covers/uses and to their placement in the geomorphological and geographical environment. The techniques used to achieve this aim initially included the photo-interpretation of the imaginery that correspond to the mean monthly estimates of the biophysical indexes of temperature and vegetation. In addition, the standardized Principal Component Analysis (sPCA) method was used to filter data, before the determination of spatial subgroups with differential seasonal biophysical signature by the unsupervised clustering technique. The spatial subgroups or zones for each biophysical index were evaluated based on their spatial distribution and the centroid value (mean monthly estimate for each month in 2010) of the pixels that belong to each zone. Finally, these zones are compared with land cover (Corine) and elevation data (SRTM 3) in order to interpret the changes based on natural environment and human activities. The study of the classifications showed variations in the biophysical signatures, indicating spatiotemporal changes in specific areas associated with land covers and uses. It also contributed to gather information in relation to the time of appearance of the two main seasonal changes (warmcold period and vice versa). Indicative: • Τhe forest ecosystem of the Troodos region contributes to the increase in vegetation density during summer and keeps low temperatures LST day/night, despite the high temperatures occurring. • In contrast, in the Mesaoria area where agricultural activities are limited only where irrigation is present, the vegetation density is minimized during the summer and there are high LST day and low LST night temperatures. • In regard to the Diurnal range fluctuations during the summer, the Troodos area displays up to 100C lower value range compared to the Mesaoria area. • Finally, areas of the wider urban area of Nicosia were identified that present the urban heating phenomenon, where the Diurnal range fluctuations are up to 60C lower during summer. The spatial and temporal comparisons of vegetation and temperature conditions resulting from the processing of satellite biophysical data contribute to the detection of changes in land use, the evaluation of vegetation density, the study of the processes of evapotranspiration and desertification, the crop distinction and planning, the interpretation of the urban heating phenomenon, while according to literature they contribute to, the prediction of earthquakes, as well as in numerous other applications (geothermal, volcanology, forestry). The ultimate goal of this master thesis is the dissemination of the results of this mapping exercise to the government agencies of Cyprus, in order to be considered for the siting - installation of uses and activities (farming, urban expansion plans, siting of tourism facilities etc.), which will lead to a better environmental spatial planning, designing of rehabilitation programs and early prevention strategies, while contributing to the improvement of the biophysical signatures. There are three major limitations associated to a) pixel size- spatial resolution, b) time amplitude (day, week, month), c) and time span (1- 14 years since data availability initiated on 2000). In the near future biophysical data will be at a 500-1000m spatial resolution. On the other hand the increased spatial resolution will increase geometrically the data volume and the data processing time. The same is valid for increased time amplitude and time span too. The advantages being a) the detection of spatial finer objects with distinct biophysical signatures from their surroundings, b) the more accurate detection of season’s transitions and c) the revealing of climatic change effects.