Ανίχνευση και πρόβλεψη διαχρονικών αλλαγών κάλυψης γης στο νομό Μαγνησίας
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Ανίχνευση και πρόβλεψη διαχρονικών αλλαγών κάλυψης γης στο νομό Μαγνησίας με την εφαρμογή της μεθόδου Markov και των κυτταρικών αυτόματων σε πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες
Συγγραφέας: Περάκης Κωνσταντίνος
Εισαγωγή
Σε μελέτη του Περάκη (2011) έγινε καταγραφή της υφιστάμενης κατάστασης του αστικού ιστού για τον νομό Μαγνησίας. Πιο συγκεκριμένα με χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης επιχειρήθηκε η αναγνώριση της αστικής εξάπλωσης του πολεοδομικού συγκροτήματος Βόλου-Νέας Ιώνιας και στην συνέχεια η πρόβλεψη της μελλοντικής επέκτασης και μορφής του αστικού χώρου.
Δεδομένα
Για την επίτευξη των στόχων της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν τρείς δορυφορικές εικόνες του Landsat (06/1991, 06/1999 και 08/2000). Σε πρώτο επίπεδο λοιπόν έγιναν οι απαραίτητες ραδιομετρικές (Ραδιομέτρικα σφάλματα μπορεί να προκύψουν από σφάλματα στα όργανα καταγραφής, από παραμορφώσεις στην ραδιομετρία λόγω της ατμόσφαιρας ή τέλος από την εξάρτηση ορισμένων μηκών κύματος από την ηλιακή ενέργεια.) και γεωμετρικές διορθώσεις, ενώ στην συνέχεια ακολούθησε η διαδικασία ταξινόμησης των εικόνων. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόστηκαν επιβλεπόμενες ταξινομήσεις για την παραγωγή θεματικών χαρτών καλύψεων γης για κάθε μια από τις προαναφερθείσες (τρείς) χρονικές περιόδους. Για την αποφυγή σφαλμάτων και την επίτευξη του καλύτερου δυνατού αποτελέσματος χρησιμοποιήθηκε και πληροφορία από ήδη υπάρχοντες χάρτες κάλυψης της περιοχής μελέτης από τα ευρωπαϊκά προγράμματα LIFE96ENV/GR/580 σε κλίμακα 1:50.000 και CORINE (1990 και 2000) σε κλίμακα 1:100.000.
Εκτιμώντας τον βαθμό σημαντικότητας κάθε χρήσης αλλά και το γεγονός ότι κάποιες χρήσεις δεν εμφανίζονται στην υπό εξέταση περιοχή, οι καλύψεις γης ταξινομήθηκαν στις εξής κατηγορίες (Η κωδικοποίηση και οι κατηγορίες χρήσεων γης που αναφέρονται στις παρενθέσεις είναι βάσει του πίνακα από το πρόγραμμα CORINE):
1. Αστική οικοδόμηση (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 1.1.1 και με αριθμ. 1.1.2)
2. Βιομηχανικές, εμπορικές ζώνες και δίκτυα επικοινωνίας (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 1.2.1, με αριθμ. 1.2.2 και με αριθμ. 1.2.3)
3. Ορυχεία, χώροι απορρίψεως απορριμμάτων και χώροι οικοδόμησης (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 1.3.1, με αριθμ. 1.3.2, με αριθμ. 1.3.3)
4. Οι κατηγορίες 1.4.1 και 1.4.2 ενσωματώθηκαν στην κατηγορία 11 παρακάτω γιατί διαπιστώθηκε μεγάλη προσέγγιση των φασματικών τους υπογραφών και λόγω της πολύ μικρής έκτασης σε επίπεδο νομού.
5. Αρόσιμη γη (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 2.1.1 και με αριθμ. 2.1.2)
6. Δεν διαπιστώθηκε ύπαρξη της κατηγορίας 2.1.3
7. Οπωροφόρα δέντρα με φυτείες και σαρκώδεις καρπούς και αμπελώνες (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 2.2.1 και με αριθμ. 2.2.2.)
8. Ελαιώνες (κατηγορία του επιπ.3 με αριθμ. 2.2.3.)
9. Ετερογενείς γεωργικές περιοχές (κατηγορία του επιπ.2 με αριθμ. 2.4., δηλ. όλες οι αντίστοιχες κατηγορίες του επιπ.3 που είναι οι 2.4.1, 2.4.2, 2.4.3 και 2.4.4)
10. Δάσος πλατύφυλλων (κατηγορία του επιπ.3 με αριθμ. 3.1.1.)
11. Δάσος κωνοφόρων-Μικτό δάσος (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 3.1.2. και 3.1.3.)
12. Φυσικοί βοσκότοποι (περιλαμβάνει τις κατηγορίες του επιπ.3, 3.2.1 και 3.2.2 αλλά και την κατηγορία 2.3.1)
13. Σκληροφυλλική βλάστηση και μεταβατικές θαμνώδεις – δασώδεις εκτάσεις (κατηγορίες του επιπ.3 με αριθμ. 3.2.3. και 3.2.4.)
14. Οι κατηγορίες 3.3.1, 3.3.2 και 3.3.3 ενσωματώθηκαν στην κατηγορία 10 γιατί εμφάνισαν σχεδόν όμοιες φασματικές υπογραφές με την κατηγορία 3.2.2 που ανήκει στην κατηγορία 10 του παρόντος. Οι κατηγορίες 3.3.4 και 3.3.5 δεν υπάρχουν.
15. Υγρές επιφάνειες (ενσωματώθηκαν όλες οι κατηγορίες 4.1, 4.2, 5,1 και 5.2 του επιπέδου 2 και άρα και οι υποκατηγορίες του επιπέδου 3 γιατί ή δεν υπάρχουν ή παρουσιάζουν μεταξύ τους την ίδια φασματική συμπεριφορά, εκτός από την 5.2.3 η οποία δεν ταξινομήθηκε).
Στην συνέχεια εφαρμόστηκαν οι κλασικές μέθοδοι ταξινόμησης και τελικά χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα της μεθόδου της Μέγιστης Πιθανοφάνειας. Σε αυτή την επιλογή συνετέλεσε το γεγονός ότι η συγκεκριμένη μέθοδος ταξινόμησης στην εφαρμογή των αλυσίδων Markov για την διαχρονική μελέτη αξιολογήθηκαν ως οι πλέον αξιόπιστες, με ακρίβεια ταξινόμησης της τάξης του 82% σύμφωνα με τις συγκρίσεις με τους θεματικούς χάρτες των ευρωπαϊκών προγραμμάτων CORINE και LIFE. Οι αξιολογήσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν με διασταυρούμενους πίνακες (cross-classification tables) δειγματοληπτικών περιοχών των θεματικών αποτελεσμάτων (χάρτες καλύψεων γης) που προέκυψαν από τις ταξινομήσεις της ελάχιστης απόστασης από τον μέσο όρο των ομάδων(καλύψεων γης), της μεθόδου των παραλληλεπιπέδων και της μεθόδου της μέγιστης πιθανοφάνειας.
Στις Εικόνες 1 και 2 βλέπουμε τα αποτελέσματα από τον χάρτη CORINE 1990 αλλά και από την ταξινομημένη εικόνα του 1986 που δημιουργήθηκε με πληροφορίες του προγράμματος LIFE96ENV/GR/580. Είναι εμφανές ότι η ταξινομημένη εικόνα παρέχει μία πιο πλήρη και αναλυτική εικόνα για τις καλύψεις και χρήσεις της περιοχής έναντι του CORINE 1990 που εμφανίζει προβλήματα λόγω κλίμακας και γενίκευσης των δεδομένων.
Στον θεματικό χάρτη που προέκυψε με την εφαρμογή της μεθόδου Markov και των κυτταρικών αυτομάτων (Εικόνα 3), η πρόβλεψη των αλλαγών των καλύψεων γης για το 2000 είναι αρκετά ικανοποιητική. Φαίνεται ότι η ακρίβεια της μεθόδου για τις κυρίαρχες καλύψεις γης, όπως δάσος, σκληροφυλλική βλάστηση, αγροτικές καλύψεις και άγονες περιοχές έχει υψηλό βαθμό ακρίβειας.
Από την άλλη πλευρά, για καλύψεις μικρότερης έκτασης και ειδικότερα για τις αστικές και περιαστικές περιοχές η ακρίβεια της εφαρμογής της μεθόδου είναι χαμηλότερη. Το ίδιο παρατηρούμε στην Βορειοδυτική περιοχή της εικόνας όπου βρίσκεται η τεχνητή λίμνη Κάρλα. Το γεγονός αυτό ερμηνεύεται από το γεγονός ότι η μέθοδος Markov "ευνοεί βάσει πιθανοτήτων" τις καλύψεις που κατέχουν μεγάλες επιφάνειες στην εικόνα. Ένας πιθανά τομέας έρευνας στο μέλλον θα ήταν ο προσδιορισμός των συνθηκών που επηρεάζουν την εφαρμογή της μεθόδου Markov, (όπως π.χ. μικρές σε έκταση καλύψεις όπως οι ανθρωπογενείς παρεμβάσεις) και ενδεχόμενα η ποσοτική τους αποτίμηση.
Αξιολόγηση αποτελεσμάτων
Παρότι η ακρίβεια των αποτελεσμάτων μιας επεξεργασίας στην Τηλεπισκόπηση που δίνει σαν αποτελέσματα θεματικούς χάρτες κάλυψης γης όπως για παράδειγμα οι ταξινομήσεις, υπήρξε αντικείμενο έρευνας πολλών ερευνητών, ήδη από την δεκαετία του 1990 εντούτοις πληθώρα ζητημάτων απασχολούν μέχρι και σήμερα τους ερευνητές (Congalton κ.ά. 1983 Rosefield 1986, Cartersen 1987). Οι Congalton and Green, 1993, διαπιστώνουν, ότι διαφόρων τύπων σφάλματα μπορούν να υπεισέλθουν στον πίνακα λαθών (Error matrix), ο οποίος δείχνει την σχετική ακρίβεια της ταξινομημένης δορυφορικής εικόνας σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο ψηφιακό αρχείο που απεικονίζει την ίδια περιοχή μελέτης. Στην έρευνα που παρουσιάσαμε, η ανάλυση της ακρίβειας των θεματικών χαρτών που προέκυψαν από την διαχρονική προβολή σε μελλοντική ημερομηνία, ακολουθεί την πιο γενικευμένη αντίληψη και μεθοδολογία την οποία υιοθέτησε και εφάρμοσε ο Pontius (2000) και σύμφωνα με την οποία ο πίνακας λαθών περιέχει εκτός από τα ποσοτικά λάθη για pixels που δεν αντιστοιχούν στην αρχική κατηγορία κάλυψης γης, και λάθη που αντιστοιχούν σε pixels που δεν βρίσκονται χωρικά στις αρχικές συντεταγμένες.
Δείκτες όπως ο Kappa Index of Agreement στην περίπτωση της πρόβλεψης κάλυψης γης του 2000 (και μετά από εφαρμογή της μεθόδου Markov με βάση τις δορυφορικές εικόνες του 1991 και του 1999), εφαρμόστηκε σε δύο επίπεδα δεδομένων και έδωσε τα εξής αποτελέσματα: 1. Για την σύμπτωση των θεματικών χαρτών μεταξύ CORINE 1990 και CORINE 2000 έδωσε τιμή 0.54, ενώ για τις ταξινομημένες εικόνες των αντιστοίχων ημερομηνιών 1991 και 1999 έδωσε την τιμή 0,5683. 2. Για την σύμπτωση της εικόνας πρόβλεψης κατά Markov με την αντίστοιχη ταξινομημένη εικόνα του 2000, η τιμή του δείκτη 0,7247 παρουσίασε μια αρκετά καλή θεματική-χωρική πρόβλεψη των καλύψεων γης, λαμβανομένων υπόψη και των σφαλμάτων ταξινόμησης από την επιλογή πολυγώνων για την δημιουργία φασματικών υπογραφών, και άλλων.
Συμπεράσματα
Η σε βάθος χρόνου μελέτη και πρόβλεψη των αλλαγών της κάλυψης γης με την μέθοδο Markov θα μπορούσε να ειπωθεί ότι οδηγεί σε σχετικά αξιόπιστα αποτελέσματα. Κύριο μειονέκτημα της μεθόδου αποτελεί η μη χωρική διάσταση των θεματικών αποτελεσμάτων που παράγονται. Αυτό το πρόβλημα στην παρούσα εργασία αντιμετωπίστηκε επιτυχώς με την εφαρμογή φίλτρων που δημιουργούνται από τα κυτταρικά αυτόματα. Ο δείκτης Kappa Index of Agreement ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο σύμπτωσης των ταξινομημένων εικόνων με τους χάρτες CORINE των αντίστοιχων ημερομηνιών (1990 και 2000) έδωσε τιμές 0,57 και 0,54 αντίστοιχα. Από τη μικρή απόκλιση (της τάξης του 3%) που παρατηρήθηκε ανάμεσα στις δύο τιμές σύμπτωσης φαίνεται ότι: • υπήρξαν σημαντικές αλλαγές στην κάλυψη γης του νομού Μαγνησίας κατά την περίοδο 1990-2000, και • οι ταξινομήσεις είναι αξιόπιστες σε σχέση με το CORINE.
Με την εφαρμογή της μεθόδου Markov για την πρόβλεψη κάλυψης γης στο Νομό Μαγνησίας στο απώτερο μέλλον φαίνεται ότι οι κυρίαρχες κατηγορίες (π.χ. δάσος, χαμηλή βλάστηση, άγονα) επικρατούν σε βάρος των κατηγοριών που καταλαμβάνουν μικρές εκτάσεις, χωρίς το γεγονός αυτό να είναι απόλυτο (κυρίως για αστικές περιοχές).
Για να οδηγηθούμε σε ασφαλέστερα συμπεράσματα, προσεγγίσεις και προβλέψεις των αλλαγών στην κάλυψη γης στο απώτερο μέλλον όμως θα πρέπει να ενσωματωθούν στην διαδικασία θεματικές ή μεθοδολογικές συνθήκες οι οποίες να λαμβάνουν υπ’ όψη τις ανθρωπογενείς επιδράσεις (π.χ. αστικοποίηση, ανθρωπογενείς πυρκαγιές, κατασκευή μεγάλων δρόμων).
