Use of geospatial technologies and hydroacoustics of monitoring aquatic ecosystems

Abstract

Inland waters play a major role in many important environmental processes, among the most fundamental of which are the provision of habitats for a variety of species, the participation in the hydrological cycle, as well as the nutrient and carbon cycles. Furthermore, their contribution to social well-being, health and human activities has begun to receive increasing attention within the broader frame of ecosystem services. Nevertheless, pressure from human activities, climate change and land use alteration have led to a global degradation of inland waters, negatively impacting their role and functions. In light of this, a number of national and international legislative directives have been put forth, with the collective aim of highlighting the problem and enforcing the protection and improvement of inland water ecological status. To provide an integral understanding of the way in which aquatic ecosystems respond to various forms of external pressure, as well as to clarify the factors that influence their manifestations, large volumes of geographic data are needed. Αquatic ecosystems exhibit a significantly large diversity with respect to their hydrological and morphological characteristics. As a result, the study of the species that they host, as well as their physico-chemical composition, the management, monitoring and inference with regards to ecosystem behavior cannot be secured exclusively based on point-wise field measurements and observations. To this end, Remote Sensing provides an important modern geospatial technology, which has been widely used for the analysis of information related to the status of aquatic ecosystems. Using passive (e.g. multi-spectral or hyper-spectral), as well as active (e.g. radar) satellite systems, it is possible to monitor the condition of aquatic ecosystems, as well as their drainage catchments. At the same time, recent years have seen an increase in use of aerial remote sensing, owing, in part, to the increasing popularity and accessibility to unmanned aerial vehicles (UAVs), which offer the acquisition of data with high spatial resolution at an increased temporal resolution and flexibility. Despite the fact that satellite-, as well as aerial remote sensing, have been used and contributed to the identification, classification and detection of variations in aquatic ecosystem status, they cannot be used to collect reliable information for water depths greater than those of the proximal surface layer (or up to several meters under favourable conditions). To tackle these limitations, hydroacoustics presents a standardised, widely used method for the observation and monitoring of biological and hydromorphological characteristics of aquatic ecosystems. This thesis comprises an effort to demonstrate the capabilities offered by modern geospatial technologies and hydroacoustics, with the goal of achieving the holistic monitoring of aquatic ecosystems. In specific, a number of potential applications of geospatial technologies and hydroacoustics for the observation and monitoring of morphometric, physico-chemical and biological parameters of aquatic ecosystems, are presented through targeted case studies.

Τα εσωτερικά ύδατα συμμετέχουν σε πολύ σημαντικές περιβαλλοντικές λειτουργίες και διαδικασίες, μεταξύ των οποίων η παροχή ενδιαιτημάτων για πληθώρα ειδών και η συμμετοχή τους στον υδρολογικό κύκλο, καθώς και στους κύκλους θρεπτικών αλάτων και άνθρακα. Επίσης, η συμβολή τους στην κοινωνική ευημερία, την υγεία και τις ανθρώπινες δραστηριότητες έχει αρχίσει να γίνεται ευρέως αντιληπτή στο πλαίσιο των υπηρεσιών των οικοσυστημάτων. Παρόλα αυτά, οι ανθρωπογενείς πιέσεις, η κλιματική αλλαγή και οι μεταβολές των χρήσεων γης έχουν οδηγήσει στην υποβάθμιση των εσωτερικών υδάτων σε παγκόσμια κλίμακα και έχουν αλλοιώσει τις λειτουργίες αυτών των οικοσυστημάτων. Στο πλαίσιο αυτό, διάφορες εθνικές και διεθνείς οδηγίες έχουν θεσμοθετηθεί, με σκοπό την ανάδειξη του προβλήματος και την προστασία-βελτίωση της οικολογικής τους κατάστασης. Με σκοπό την ολοκληρωμένη κατανόηση του τρόπου, με τον οποίον ανταποκρίνονται τα υδάτινα οικοσυστήματα στις διάφορες πιέσεις, καθώς και τον προσδιορισμό των αιτιών της απόκρισής τους αυτής, απαιτείται μεγάλος όγκος γεωγραφικών δεδομένων και παρατηρήσεων. Τα υδάτινα οικοσυστήματα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλομορφία ως προς τα υδρολογικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά τους, ως προς τα είδη που φιλοξενούν, καθώς και ως προς τη φυσικοχημική τους κατάσταση. Ως εκ τούτου, η διαχείριση, η παρακολούθηση και η γενίκευση της συμπεριφοράς των οικοσυστημάτων, βασιζόμενη αποκλειστικά σε σημειακές παρατηρήσεις πεδίου, είναι συχνά επισφαλής, οικονομικά ασύμφορη ή/και επιχειρησιακά αδύνατη. Η Τηλεπισκόπηση αποτελεί μία σημαντική σύγχρονη γεωχωρική επιστήμη και τεχνολογία, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την ανάλυση πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση των υδάτινων οικοσυστημάτων. Τόσο από παθητικά (για παράδειγμα, πολυφασματικά ή υπερφασματικά), όσο και από ενεργητικά (για παράδειγμα ραντάρ) δορυφορικά συστήματα, είναι δυνατή η παρακολούθηση της κατάστασης των υδάτινων οικοσυστημάτων και της λεκάνης απορροής τους. Παράλληλα, τα τελευταία χρόνια, έχει αυξηθεί η χρήση της εναέριας τηλεπισκόπησης, μέσω και των μη-επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAVs), τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα συλλογής δεδομένων με μεγαλύτερη χωρική ανάλυση και μεγαλύτερη χρονική ευελιξία. Παρότι τόσο η δορυφορική, όσο και η εναέρια τηλεπισκόπηση, έχουν χρησιμοποιηθεί και έχουν συνεισφέρει στην αναγνώριση, ταξινόμηση και ανίχνευση των μεταβολών των υδάτινων οικοσυστημάτων, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάκτηση δεδομένων από μεγαλύτερα βάθη, πέραν του εγγύς επιφανειακού υδάτινου στρώματος (ή σε βάθος μερικών μέτρων, υπό προϋποθέσεις). Για την αντιμετώπιση των περιορισμών αυτών, η υδροακουστική είναι μία πρότυπη μέθοδος τηλεπισκόπησης που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την παρακολούθηση βιολογικών και υδρομορφολογικών χαρακτηριστικών των υδάτινων οικοσυστημάτων. Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής γίνεται προσπάθεια εφαρμογής και ανάδειξης των δυνατοτήτων που προσφέρουν οι σύγχρονες γεωχωρικές τεχνολογίες και η υδροακουστική, με σκοπό την ολιστική παρακολούθηση υδάτινων οικοσυστημάτων. Συγκεκριμένα, μέσα από στοχευμένες μελέτες περίπτωσης, παρουσιάζονται χαρακτηριστικές εφαρμογές των γεωχωρικών τεχνολογιών και της υδροακουστικής στην παρακολούθηση μορφομετρικών, φυσικοχημικών και βιολογικών παραμέτρων υδάτινων οικοσυστημάτων.