Wyznaczanie indeksu suszy TVDI przy użyciu wolnego oprogramowania i bezpłatnych zdjęd satelitarnych Jarosław Zawadzki, Karol Przeździecki Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Warszawska
Wilgotnośd gleby dlaczego jest istotna? Wilgotnośd gleby oraz zawartośd wody w pokrywie roślinnej są jednymi z kluczowych parametrów w modelowaniu procesów zachodzących na powierzchni Ziemi. Bardzo ważna z punktu widzenia rolnictwa. Intensywna produkcja roślinna w dużej mierze zależy od dostępności wody. Jest jednym z podstawowych czynników decyzyjnych w zarządzaniu systemem produkcji w rolnictwie precyzyjnym.
Wilgotnośd gleby czynniki zmienności. Wilgotnośd gleby ulega zmianom zarówno w aspekcie przestrzennym jak i czasowym. Czynniki wpływające na retencję wody w glebie: szybkośd infiltracji do głębszych warstw, temperatura rodzaj roślinności zabiegi agrotechniczne opady topografia, itd.
Konwencjonalne metody pomiaru wilgotności gleb Najczęściej wykorzystywanymi metodami pomiaru wilgotności gleb są: Metoda grawimetryczna z wykorzystaniem cylindrów Kopeckiego. Metody elektrooporowe. Metoda TDR (ang. Time Domain Reflectometry). TDR ThetaProbe ML2x TDR Fieldscout Miernik elektrooporowy
Zdalne pozyskiwanie danych o wilgotności Zalety w stosunku do badao terenowych: Obniżenie kosztów w stosunku do badao terenowych. Możliwośd zwiększenia rozdzielczości czasowej badao Możliwośd zwiększenia obszaru badao, do rozmiarów praktycznie nieosiągalnych dla badao terenowych Możliwośd korzystania z bezpłatnych programów oraz danych. MODIS źródło http://modis.gsfc.nasa.gov
Indeks TVDI. Niezbędne dane satelitarne. Do wyznaczenia indeksu korzystaliśmy z następujących bezpłatnych danych z sensora MODIS* (ang. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) : MOD11A2 produkt o nazwie Land Surface Temperature & Emissivity MOD13A2- produkt o nazwie Vegetation Indices Źródło https://lpdaac.usgs.gov/ Źródło https://lpdaac.usgs.gov/
Indeks TVDI. Wykorzystane programy. Do przetwarzania danych w celu wyznaczenia indeksu korzystaliśmy z następujących bezpłatnych narzędzi: MRT Modis Reprojection Tool*, program do zmiany projekcji oraz konwersji formatów. LDOPE Tool*, program do analizy oraz oceny jakości produktów MODIS LAND. Quantum GIS**, open source owy program GIS. Open Office***, darmowy pakiet biurowy wykorzystany do prezentacji graficznej danych. *( dostępne na stronie: https://lpdaac.usgs.gov/) **( dostępny na stronie http://www.qgis.org/) *** ( dostępny na stronie http://pl.openoffice.org/)
Metoda trójkąta. Teoria. Jedną z metod badania wilgotności jest tzw. metoda trójkąta w przestrzeni T S -VI. Temperatura powierzchni-wskaźnik wegetacyjny (ang. Surface temperature-vegetation Index). Podstawową ideą połączenia ze sobą temperatury powierzchni oraz indeksów wegetacyjnych jest fakt, że temperatura powierzchni jest silnie związana z zawartością wilgoci oraz pokrywą roślinną. Obszar ograniczony dwiema prostymi: suchą i mokrą.
Wstępne przygotowanie danych. Na przygotowanie danych składają się następujące etapy: Zmiana projekcji sinusoidalnej na układ współrzędnych UTM, w odwzorowaniu WGS-84,w programie MRT, Interfejs graficzny MRT Wyłączenie pikseli słabej jakości na podstawie warstw zawierających informacje o jakości, przy wykorzystaniu programu LDOPE. Brak interfejsu, praca z linii komend.
Maskowanie. Po wstępnym przygotowaniu danych musimy przeprowadzid maskowanie pikseli. Operację tą wykonujemy w programie Quantum GIS w kalkulatorze rastra. Ogólny wzór maskowania wygląda następująco: warstwa _ surowa maska _ warstwa scale _ factor warstwa gdzie: warstwa_surowa warstwa LST lub indeksu wegetacyjnego maska_warstwa warstwa maskująca utworzona w programie LDOPE scale_factor współczynnik przeliczeniowy z metadanych zdjęcia satelitarnego
Konwersja formatów. W celu wykonania dalszych operacji wymagana jest konwersja formatu HDF i GEOTIFF na których pracuje Quantum GIS, na format danych wykorzystywany w obliczeniach. Konwersję wykonujemy w QGIS. Schemat zmian formatów w trakcie pracy z programami: HDF HDF GEOTIFF ASC MRT LDOPE QGIS QGIS Open Office
LST Metoda trójkąta. Indeks suszy TVDI. 305 Wykres rozrzutu LST(NDVI) Okres 9-24 maj 2009r. 300 295 290 285 280 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 NDVI
LST LST Metoda trójkąta. Indeks suszy TVDI. W celu wyznaczenia wskaźnika suszy TVDI należy, po wstępnym przygotowaniu oraz konwersji danych, wyznaczyd równania krzywych suchej i mokrej. Krzywa sucha Krzywa mokra Tsmin amin bmin VI Tsmax amax bmax VI 304 302 300 298 296 294 292 290 288 286 Krzywa sucha Ts/NDVI Okres 9-24 maj 2009r f(x) = -14,9x + 308,26 284 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 NDVI Krzywa mokra Ts/NDVI Okres 9-24 maj 2009r f(x) = -2,78x + 291,33 293 292 291 290 289 288 287 286 285 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 NDVI
Metoda trójkąta. Indeks suszy TVDI. Po wyznaczeniu współczynników krzywych suchej i mokrej należy na ich podstawie wyliczyd wskaźnik TVDI dla badanego obszaru korzystając z równania: TVDI Ts ( amin bmin VI ) a b VI ( a b VI ) max max min min
Tworzenie map indeks suszy TVDI. Mapy indeksu suszy tworzymy w programie QGIS przy użyciu kalkulatora rastra podstawiając do powyższego wzoru obliczone współczynniki krzywych. Mapa indeksy TVDI (NDVI) dla okresu 9-24 maja 2009r. Kolor niebieski reprezentuje tereny o dużej wilgotności natomiast żółty z niedoborem wilgoci.
Podsumowanie Metodę trójkątów można wykonywad stosując bezpłatne oprogramowanie, Wykorzystanie zdjęd MODIS pozwala na bezpłatny dostęp do danych, Metoda daje możliwośd analizy wilgotności gleby na dużych obszarach oraz na znaczne obniżenie kosztów badao, Pozwala na zwiększenie obszaru analiz w stosunku do badao terenowych, Pozwala na zwiększenie rozdzielczości czasowej badao, przy zachowaniu bardzo dobrej zdolności rozdzielczej.
Dziękuję za uwagę Kontakt : Jarosław Zawadzki, j.j.zawadzki@gmail.com