«Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα Landsat TM»
Από RemoteSensing Wiki
Δημοσίευση Εφαρμογής Τηλεπισκόπισης: «Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα TM» Συγγραφείς: Μ. Παπαδοπούλου, Μ. Τσακίρη – Στρατή Επίκ. Καθηγήτριες Α.Π.Θ.
Ανάλυση – Παρουσίαση:
Αντικείμενο αυτής της εφαρμογής είναι η βαθυμετρία ρηχών θαλασσινών νερών. Στόχος της ήταν η διερεύνηση και εκτίμηση της δυνατότητας μέτρησης του βάθους, σε ρηχά θαλάσσια νερά σε περιοχές της Κέρκυρας και της Αίγινας, με τη χρήση δορυφορικών πολυφασματικών δεδομένων. Η μέτρηση βαθών σε περιοχές ρηχών νερών παραδοσιακά γινόταν με ηχοβολιστικές συσκευές, διαδικασία αρκετά χρονοβόρα και ακριβή, καθώς απαιτεί πολλές μετρήσεις. Η ανάγκη για τη γρήγορη ενημέρωση των χαρτών πλοήγησης καθώς και για την παρακολούθηση και χαρτογράφηση των παράκτιων περιοχών, που εμφανίζουν κινδύνους για τη ναυσιπλοΐα, οδήγησε στην ανάπτυξη τεχνικών βαθυμετρίας με τηλεπισκόπηση. Στην εργασία αυτή έγινε έρευνα για την εφαρμογή ενός μοντέλου μέτρησης βαθών σε ρηχά νερά, στη θαλάσσια περιοχή νότια της Κέρκυρας (σχήμα 1) και στη θαλάσσια περιοχή δυτικά της Αίγινας (σχήμα 2), με τη χρήση πολυφασματικών δεδομένων που προήλθαν από εικόνες του σαρωτή Thematic Mapper (ΤΜ) του δορυφόρου Landsat. Για την ολοκλήρωση της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πακέτα: Imagine/ERDAS για την επεξεργασία των εικόνων, Minitab για τη βαθμονόμηση και επαλήθευση του βαθυμετρικού μοντέλου, PC/Arcinfo για την ψηφιοποίηση και την αναγωγή των βαθυμετρικών σημείων.
Η βαθμονόμηση του μοντέλου της Κέρκυρας έγινε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στο σχήμα 1 και η οποία περιλαμβάνει βάθη μέχρι 20 m. Έπειτα από έρευνα των γεωλογικών χαρακτηριστικών της περιοχής μελέτης μπορεί να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σχετική χρωματική ομοιογένεια στο λευκό χρώμα και καθαρό θαλάσσιο νερό. Τα πολυφασματικά δεδομένα ελήφθησαν από εικόνα ΤΜ του Landsat-4, λήψης 17/7/1984. Τα βαθυμετρικά σημεία, που χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση και για την επαλήθευση του μοντέλου, ψηφιοποιήθηκαν από το φύλλο "Λευκίμη" κλίμακας 1:50,000 της Γ.Υ.Σ., προβολής UTM και κατασκευής 1972 από μετρήσεις 1958. Η μεγάλη χρονική περίοδος που μεσολάβησε αποτελεί μειονέκτημα για την εφαρμογή της μεθοδολογίας, αφού είναι πιθανό τα δεδομένα του χάρτη και της εικόνας να μην περιγράφουν την ίδια κατάσταση εξαιτίας μεταβολής του ανάγλυφου του βυθού και των οπτικών ιδιοτήτων του νερού, αλλά δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί λόγω έλλειψης ενημερωμένων βαθυμετρικών στοιχείων
Το βαθυμετρικό μοντέλο της Αίγινας βαθμονομήθηκε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στο σχήμα 2, και για βάθη μέχρι 20 m. Με βάση τα γεωλογικά χαρακτηριστικά της περιοχής, μπορεί σε γενικές γραμμές να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σε όλη την περιοχή σχετική χρωματική ομοιογένεια στο λευκό χρώμα και καθαρό θαλάσσιο νερό. Τα πολυφασματικά δεδομένα για την Αίγινα ελήφθησαν από εικόνα ΤΜ του Landsat-5, λήψης 28/1/1988. Τα σημεία για τη βαθμονόμηση και την επαλήθευση του μοντέλου προήλθαν από ψηφιοποίηση του χάρτη "Πρόσγεια και λιμήν Αίγινας-Στενό Μετώπης", κλίμακας 1:12,500, προβολής UTM της Υ.Υ.Π.Ν. Τα βαθυμετρικά δεδομένα του χάρτη προήλθαν από μετρήσεις του 1969 εμπεριέχοντας και σε αυτή τη περίπτωση την πιθανότητα αλλάγων κατά τη χρονική περίοδο που μεσολάβησε ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών και των πολυφασματικών δεδομένων.
Η μέση απόσταση ανάμεσα στα ψηφιοποιηθέντα σημεία για την Κέρκυρα ήταν περίπου 500 m ενώ για την Αίγινα ήταν περίπου 125 m. Η αναγωγή και των δύο εικόνων στο σύστημα UTM του χάρτη έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού με τη χρήση 14 σημείων ελέγχου και με ακρίβεια μισής ψηφίδας. Η επαναδειγματοληψία των εικόνων έγινε με τη δικυβική παρεμβολή. Επειδή και οι δύο εικόνες στη θαλάσσια περιοχή παρουσίαζαν έντονη λωριδοποίηση δοκιμάστηκαν πολλές από τις υπάρχουσες μεθόδους μείωσης της λωριδοποίησης και επιλέχθηκε αυτή με την ικανοποιητικότερη βαθμονόμηση του μοντέλου. Την αποτελεσματικότερη μείωση έδωσε η εφαρμογή του συνελικτικού χωρικού χαμηλοπερατού φίλτρου μέσης τιμής 7x7, δηλαδή ενός μητρώου με διαστάσεις 7x7 και με όλα τα στοιχεία του ίσα με τη μονάδα. Στο σχήμα 3 φαίνεται σε τομή κάθετη στις λωρίδες, η μείωση της λωριδοποίησης μετά την εφαρμογή του φίλτρου. Η μείωση του θορύβου και για τις δύο εικόνες ήταν μεγαλύτερη κοντά στην ακτή. Δηλαδή η ποιότητα της ραδιομετρικής διόρθωσης που εφαρμόστηκε σε κάποιο σημείο φάνηκε να είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασής του από την ξηρά. Η χαμηλή τιμή (<0.9) του δείκτη συσχετισμού ανάμεσα στις τιμές έντασης πάνω από τα βαθιά νερά στους διάφορους διαύλους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι εικόνες ήταν απαλλαγμένες από επιδράσεις του λαμπιρίσματος της θαλάσσιας επιφάνειας.
Η πολυφασματική βαθυμετρία βασίζεται στο γεγονός ότι το βάθος διαπερατότητας του νερού από την ηλιακή ενέργεια εξαρτάται από το μήκος κύματός της και επιτυγχάνεται με το χειρισμό ψηφιακών τιμών που συλλέγονται από ένα πολυφασματικό τηλεπισκοπικό σύστημα. Η καταγραφόμενη από το δέκτη ακτινοβολία Lsens εκτιμάται από τη σχέση: Lsens = Latm + Tatm (Lsurf + Lwat), όπου Latm είναι η ακτινοβολία που οφείλεται στην ατμοσφαιρική σκέδαση, Tatm η διαπερατότητα της ατμόσφαιρας, Lsurf η ανάκλαση από την επιφάνεια του νερού και Lwat η ανάκλαση από το σώμα του νερού και το βυθό (σχήμα 4). Το Lwat για ένα δίαυλο i συνήθως συμβολίζεται ως Li και εκτιμάται από τη συνάρτηση: Li = Lw(i)+L0(i)Lb(i)e^(-k,fz), όπου: i είναι ένας δίαυλος, Lw(i) είναι η ακτινοβολία πάνω από τα βαθιά νερά στο δίαυλο i. L0(i) είναι μία σταθερά που εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία, από τον τρόπο μετάδοσής της μέσω του αέρα και της επιφάνειας του νερού, και από τη διάθλασή της στην επιφάνεια του νερού και συνήθως ισούται με 1, Lb(i) είναι η ακτινοβολία βυθού στο δίαυλο I, ki είναι ο συντελεστής εξασθένισης στο δίαυλο I, f είναι ο συντελεστής που περιγράφει το μήκος της διαδρομής της ακτινοβολίας μέσα στο νερό και συνήθως δίνεται ίσος με 2 και z είναι το βάθος του νερού. Στην περίπτωση των περιοχών μελέτης που ο βυθός είναι ομοιογενής και το νερό καθαρό, τότε μπορεί να θεωρηθεί ότι οι παράμετροι Lw(i), Lb(i) και ki της παραπάνω συνάρτησης για κάθε δίαυλο είναι σταθερές. Συνεπώς η συνάρτηση μπορεί να γραμμικοποιηθεί ορίζοντας μία νέα μεταβλητή Χi, η οποία είναι γραμμική συνάρτηση του βάθους z, το οποίο μπορεί να γραφεί ως ο γραμμικός συνδυασμός των Χi όλων των χρησιμοποιουμένων διαύλων ως εξής: Z= a0 + ∑_(i=1)^n▒aixi, όπου: z είναι το βάθος του νερού. Xi = ln[Li – Lw(i)], με i από 1 έως n. n είναι το πλήθος των χρησιμοποιούμενων διαύλων. Η σχέση δεν είναι παρά η πολλαπλή παλινδρόμηση ανάμεσα στα βάθη z και τις μεταβλητές Xi. Ο σταθερός συντελεστής a0 είναι συνάρτηση των συντελεστών εξασθένισης ki και οι συντελεστές ai είναι συναρτήσεις των ki, των L0(i) και των ακτινοβολιών βυθού Lb(i).
Για την βαθμονόμηση χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της τελευταίας σχέσης και για τις δύο περιοχές μελέτης. Η σχέση εφαρμόστηκε για n=3, διότι χρησιμοποιήθηκαν οι τρεις πρώτοι δίαυλοι (ορατή περιοχή) των εικόνων. Η τιμή Lw(i) για κάθε δίαυλο ελήφθη ως το σημείο αποκοπής του ιστογράμματός του στις χαμηλότερες τιμές. Η μέθοδος αυτή προτιμήθηκε, αφ’ ενός διότι καμία από τις τιμές των διαφορών (Li_Lw(i) ) δεν προέκυψε αρνητική και αφ’ ετέρου επειδή οι βαθμονομήσεις του μοντέλου και στις δύο περιοχές ήταν καλύτερες. Για τη βαθμονόμηση του μοντέλου, υπολογίστηκαν οι μεταβλητές Χi κάθε διαύλου στις θέσεις της εικόνας που αντιστοιχούσαν στα βαθυμετρικά σημεία του χάρτη και εφαρμόστηκε μία πολλαπλή παλινδρόμηση ανάμεσα στα βάθη z και τις αντίστοιχες τιμές των Xi.
Για το βαθυμετρικό μοντέλο στην Κέρκυρα χρησιμοποιήθηκαν αρχικά 216 βαθυμετρικά σημεία με βάθη που κυμαίνονταν από 1.5 m έως 20 m. Λόγω του περιορισμένου αριθμού βαθυμετρικών στον εν χρήσει χάρτη, χρησιμοποιήθηκαν και επιπλέον σημεία που προήλθαν από τις υπάρχουσες στο χάρτη ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 66 σημεία από ισοβαθείς Η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης στα 216 σημεία βρέθηκε ίση με 3.1 m, ενώ η συσχέτιση r ανάμεσα στα γνωστά βάθη και τις αντίστοιχες τιμές των μεταβλητών Xi ίση με 73%. Το s απέκτησε ικανοποιητική τιμή, όταν κανένα από τα χρησιμοποιούμενα σημεία δεν είχε βάθος μεγαλύτερο από 11 m (πίνακας 1). Έτσι, η περιοχή μελέτης περιορίστηκε μέχρι το βάθος αυτό. H διαδικασία της βαθμονόμησης ξεκίνησε με 159 σημεία που τα βάθη τους κυμαίνονταν από 1.5 m έως 10.8 m (σχήμα 5). Η τελική βαθμονόμηση προέκυψε από την εφαρμογή της παλινδρόμησης σε 119 σημεία (75% των αρχικών) με βάθη που κυμαίνονταν από 1.5 m έως 10 m και έδωσε s =0.98 m και r = 92.3%. Το μοντέλο που προέκυψε είχε τη μορφή: z = 14.1 + 1.46ln(L1-96) - 8.14ln(L2-26) + 2.38ln(L3-22). Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 10 βαθυμετρικά σημεία που δεν συμμετείχαν στη βαθμονόμησή του και τα οποία ελήφθησαν αναγκαστικά από τις ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων, λόγω της προαναφερθείσας έλλειψης βαθυμετρικών στο χάρτη.
Στο βαθυμετρικό μοντέλο της Αίγινας υπήρχε διαθέσιμος μεγάλος αριθμός βαθυμετρικών σημείων και χρησιμοποιήθηκαν περισσότερα σε σχέση με την Κέρκυρα βαθυμετρικά. Για τη βαθμονόμηση αρχικά χρησιμοποιήθηκαν 305 σημεία με βάθη που κυμαίνονταν από 1.5 m έως 20 m. Η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης με τα σημεία αυτά προέκυψε ίση με 1.67 m και η συσχέτιση r ίση με 79%. Μετά την απομάκρυνση των σημείων, των οποίων τα βάθη παρουσίαζαν μεγάλες διαφορές από το μοντέλο, η τελική βαθμονόμηση έγινε με 266 σημεία με βάθη, από 1.5 m έως 19 m, και έδωσε s = 0.95 m και r = 95%. Το μοντέλο, που προέκυψε από την εφαρμογή της παλινδρόμησης στα σημεία αυτά, είχε τη μορφή: z=12.6 + 2.94ln(L1-53) - 8.73ln(L2-14) + 0.80ln(L3-11). Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 61 βαθυμετρικά σημεία.
Το μοντέλο βαθυμετρίας, που εφαρμόστηκε έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα και στις δύο περιοχές εφαρμογής. Βασικές πηγές σφαλμάτων στη βαθμονόμηση και στην πρόβλεψη βαθών μέσω του μοντέλου φάνηκαν να είναι: α) Θόρυβος στα πολυφασματικά δεδομένα, ο οποίος δεν απαλείφθηκε με την εφαρμογή του συνελικτικού φίλτρου και επηρέασε τόσο την ένταση των ψηφίδων όσο και την εκτίμηση της ακτινοβολίας Lw(i). β) Πιθανή μειωμένη ακρίβεια στη μέτρηση του βάθους και στον προσδιορισμό της θέσης των σημείων του χάρτη, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στη βαθμονόμηση και στον έλεγχο του μοντέλου. γ) Η μεγάλη χρονική περίοδος που μεσολάβησε ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών δεδομένων των χαρτών. δ) Διαφορές στον τύπο του βυθού και τις οπτικές ιδιότητες του νερού, οι οποίες δεν αντιμετωπίστηκαν παρά τη χρήση και των τριών διαύλων των εικόνων. ε) Διαφορές κατά Χ ή/και κατά Υ, ανάμεσα στη θέση ενός βαθυμετρικού σημείου του χάρτη και της αντίστοιχης θέσης στην ανηγμένη εικόνα, λόγω της διακριτικής ικανότητας της εικόνας (30x30 m) και μπορούν να είναι έως ±15 m. Ωστόσο, οι επιδράσεις τους δεν είναι ιδιαίτερα σημαντικές, όταν ο βυθός είναι ομαλός, πράγμα που συμβαίνει και στις δύο περιοχές εφαρμογής. Τελικά, προκύπτει το συμπέρασμα ότι για την αποτελεσματικότερη απόδοση του μοντέλου για βαθυμετρία ρηχών νερών, τα πολυφασματικά δεδομένα πρέπει να έχουν καλή ραδιομετρική ποιότητα και η διόρθωση του θορύβου να είναι όσο γίνεται καλύτερη. Επίσης, τα χαρτογραφικά δεδομένα πρέπει να προέρχονται από χάρτες μεγάλης κλίμακας και να είναι της ίδιας χρονικής περιόδου με τα πολυφασματικά.
Your Content Here
