title: Ανίχνευση εκβολών πόσιμων υδάτων στη θάλασσα της Δυτικής Κρήτης με θερμικές εικόνες και με μη-επανδρωμένα συστήματα
title: Detection of runoffs with freshwater in the sea near coastal areas in West Crete with thermal imaging and UAV
Creators: name: Μιχαλοπουλος Αλεξανδρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Αντικείμενο της διπλωματικής είναι η αξιολόγηση και η εφαρμογή θερμικών εικόνων για την ανίχνευση και τον εντοπισμό πηγών πόσιμων υδάτων σε παράκτιες περιοχές στη Δυτική Κρήτη. Θερμικές εικόνες (8-12,5 μm) από δορυφόρους και από μη επανδρωμένα αεροσκάφη χρησιμοποιήθηκαν για να αποδειχθεί η ανάβλυση γλυκού νερού σε παράκτιες ζώνες. Ψηφιακή επεξεργασία και ενίσχυση χαρακτηριστικών στοιχείων των θερμικών αυτών εικόνων ανέδειξε ζώνες με διαφορετικές θερμικές ιδιότητες εντός της θαλάσσης και ύπαρξη τέτοιων πηγών.
Η ανάγκη για την εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας πηγάζει από την έντονη και συνεχή υπεράντληση υπόγειων υδάτων προς άρδευση, π.χ., κοιλάδα Μεσαράς, Κρήτη, ενώ ταυτόχρονα ένα ποσοστό υδάτων από υπόγειες πηγές καταλήγει, από μαρτυρικές αποδείξεις, ανεκμετάλλευτο στη θάλασσα. Περίπου 77,3 εκατομμύρια m3 νερού ανά έτος (15% του συνόλου) προορίζονται για οικιακές και λοιπές χρήσεις (βιομηχανική, κτηνοτροφία, κ.λπ.), ενώ 85% (458,4 εκατομμύρια m3) εξ αυτών χρησιμοποιούνται στην άρδευση. Με την ραγδαία αύξηση της γεωργικής παραγωγής είναι επιτακτική η εξοικονόμηση πόσιμων υδάτων στην περιοχή. Θερμικές καταγραφές στη θάλασσα μπορούν να βοηθήσουν στον εντοπισμό τέτοιων περιοχών ανάβλυσης υδάτων αλλά και να βοηθήσουν στον προγραμματισμό και το στρατηγικό σχεδιασμό προς ενίσχυση της αποθηκευτικής ικανότητας των εδαφών της Κρήτης.  
Τα υπόγεια γλυκά νερά διατηρούν σταθερή (17-18o C) και κατά κανόνα χαμηλότερη θερμοκρασία από εκείνης της θαλάσσης καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Εντονότερες διαφορές παρουσιάζονται κατά την θερινή περίοδο. Το θαλασσινό νερό μεταβάλλει τη θερμοκρασία του έντονα ανάλογα με την εποχή και την ώρα της ημέρας που καταγράφεται. Οι διαφορές αυτές είναι ανιχνεύσιμες από θερμικούς αισθητήρες.
Έγινε αναζήτηση δορυφόρων με ελεύθερη πρόσβαση στα δεδομένα τους και με χωρική διακριτική ικανότητα κάτω από 100 m. Τελικά χρησιμοποιήθηκαν θερμικές εικόνες από τους δορυφόρους Landsat-7, Landsat-8, και ASTER (στις φασματικές ζώνες 10,4-12,5 μm, 10,6-12,51 μm και 8,125-11,65 μm αντίστοιχα) και σύγχρονοι θερμικοί αισθητήρες νέας τεχνολογίας (FLIR Vue Pro R, 7,5-13,5 μm) από μη επανδρωμένα αεροσκάφη στις περιοχές των Γλυκών Νερών Σφακίων και στην Κυανή Ακτή, στα Χανιά για την καταγραφή τέτοιων θαλάσσιων περιοχών. Δορυφορικές εικόνες έδωσαν εποπτική εικόνα των θερμοκρασιακών αντιθέσεων ενώ οι εναέριοι θερμικοί αισθητήρες  προσδιόρισαν και κατέγραψαν τις λεπτομέρειες. Οι περιοχές αυτές στη θάλασσα ήταν της τάξης των 2 km σε έκταση και  επιλέχτηκαν μετά από υποδείξεις υδραυλικών μηχανικών αλλά και πρότερης εμπειρίας.
Ελέγχθηκαν εικόνες για διάφορες εποχές και χρονολογίες για τη βεβαίωση ύπαρξης πηγών, μετατράπηκαν οι εντάσεις των εικονοστοιχείων σε θερμοκρασίες, απομονώθηκαν οι περιοχές ενδιαφέροντος στις εικόνες με ψηφιακές μεθόδους, βελτιώθηκε η ποιότητα των καταγραφών, έγινε κατάτμηση των ιστογραμμάτων της εικόνας, ενισχύθηκαν οι θερμοκρασιακές αντιθέσεις του νερού και αποδόθηκαν χρώματα στις εντάσεις των διαφόρων θερμοκρασιών των εικόνων. Μετά από λεπτομερή επεξεργασία των εικόνων προσδιορίστηκαν στις περιοχές μελέτης εμφανείς ζώνες στις οποίες παρουσιάζονται νερά με μικρότερες θερμοκρασίες σε σχέση με τη θάλασσα. Μετρήθηκαν οι θερμοκρασίες του νερού με ειδικό θερμόμετρο στο πεδίο και στις περιοχές μελέτης και επιβεβαιώθηκαν τα αποτελέσματα των θερμικών απεικονίσεων και των αποτελεσμάτων.
Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας κατασκευάστηκαν θεματικοί χάρτες με πιθανές περιοχές εκβολών πόσιμων υδάτων στη θάλασσα. Οι εξαγόμενες πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οδηγός για επιπλέον επιστημονική έρευνα. Συνίστανται μεθοδολογίες για τον εντοπισμό υπόγειων ταμιευτήρων ύδατος και την πιθανότητα μελλοντικής αξιοποίησης, όπως γεωλογική έρευνα και γεωφυσικές διασκοπήσεις για την αξιολόγηση των υφιστάμενων σχηματισμών, καθώς και διεξαγωγή ερευνητικών γεωτρήσεων σε περιοχές που καταδεικνύονται από την συγκεκριμένη μελέτη.

  
Abstract

The aim of this thesis is the evaluation and use of thermal images towards the search for and detection of potable water sources at coastal areas in Western Crete. Thermal images (8-12,5 μm) from satellites and unmanned aerial vehicles were used to demonstrate the existence of freshwater in coastal zones. Digital processing and enhancement of the characteristics of those thermal images showed zones with different thermal properties within the sea and the existence of such sources.
The need for such a thesis to be carried out stems from the intense and continuous over-pumping of underground water for irrigation purposes, e.g., valley of Mesara, Crete, while simultaneously a percentage of water from underground sources ends up, according to testimony evidence, unexploited at sea. About 77.3 million m3 of water per year (15% of total consumption) are intended for household and other uses (industry, livestock, etc.), while 85% (458.4 million m3) of the total amount is intended for irrigation. With the rapid increase in agricultural production saving up on fresh water is imperative. Thermal recordings at sea can help with the localization of such water source areas but can also help towards the programming and strategic design towards the enhancement of the storing capacity of soils.
Underground freshwater maintains a stable (17-18o C) and as a general rule of thumb a lower temperature compared to the sea’s throughout the year. More intense differences can be noticed during the summer period. Seawater’s temperature changes intensely according to the season and time of day it is being recorded. These differences can be detected by the use of thermal sensors.
For these purposes satellites were needed with free access to their data and with a spatial resolution of less than 100 m. In the end thermal images from the satellites Landsat-7, Landsat-8 and ASTER (in the spectral areas 10.4-12.5 μm, 10.6-12.51 μm and 8.125-11.65 μm respectively) and modern thermal sensors (FLIR Vue Pro R, 7,5-13,5 μm) flown by unmanned aerial vehicles were used in the areas of Glika Nera in Sfakia and Kiani Akti in Chania for the recording of such locations at sea. Satellite images gave an overall picture of the thermal differences of the water while the aerial sensors identified and recorded the details. These areas at sea where on the scale of about 2 km wide and were chosen after the suggestions of hydraulic engineers but also with previous experiences and knowledge.
Images from different seasons and years were processed to confirm the existence of freshwater sources, the intensities of the pixels got converted to temperatures, interest areas got singled out on the images through digital methods, image quality enhancement, aimed splitting of the histograms of the images, enhancement of the thermal differences within the water and the attribution of colors to the intensities of the various temperatures in the images. After detailed image processing visible zones were identified in the areas where zones with lower temperatures within the sea can be noticed. Water temperatures were calculated in situ in the areas of interest and confirmed the thermal imaging and its results.
In the context of this study thematic maps of probable areas with estuaries of drinking water at sea were created. The extracted information can be used as a guide for further scientific research. Methodologies for the detection of underground water reservoirs are advised, such as geological research and geophysical surveys for the evaluation of the underlying formations, but also the creation of exploratory drilling in areas demonstrated by this study.