Ανίχνευση των μεταβολών του όγκου νερού στο φράγμα Lar χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες ETM +
Από RemoteSensing Wiki
Ανίχνευση των μεταβολών του όγκου νερού στο φράγμα Lar χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες ETM +
Mir Hassan Miryaghoobzadeh1 Karim Solaimani2
1-Msc. of Watershed Management, University of Mazandaran 2- Associate professor, University of Mazandaran Τμήμα Εθνικών Πόρων, Πανεπιστήμιο Mazandaran, PO Box 737,Sari, Ιράν TEL: (+98)09141909081 Email:m.miryaghoobzadeh@gmail.com
Πηγή: www.aars-acrs.org/acrs/proceeding/ACRS2007/Papers/TS8.3.pdf
Αντικείμενο Εφαρμογής: Κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού
Σκοπός Εφαρμογής: Σε αυτή την έρευνα χρησιμοποιούνται δεδομένα εικόνων ETM+ από τον δορυφόρο LANDSAT για την ανίχνευση των μεταβολών του όγκου νερού στο φράγμα Lar στα βόρεια του Ιράν. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η στάθμη του νερού μεταξύ των ετών 1997 έως το 2000 παρουσίασε μείωση περίπου 6 km2.
Εισαγωγή
Σήμερα, η ξηρασία είναι το πιο σημαντικό πρόβλημα και η μεταβολή του όγκου νερού παίζει σημαντικό ρόλο στην υδρολογία και στα σχετιζόμενα έργα Πολιτικού Μηχανικού. Έτσι, η τηλεπισκόπηση είναι μια σημαντική πηγή δεδομένων και πληροφοριών που χρησιμοποιείται σε διάφορους τομείς. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση μεταβολών και την επικαιροποίηση των χαρτών. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση προσφέρει μια σημαντική μέθοδο για την ανίχνευση των μεταβολών της γης. Πολλές τεχνικές ανίχνευσης της αλλαγής έχουν αναπτυχθεί από την πρώτες ημέρες της παρατήρησης της γης. Μπορούν να ταξινομηθούν σχηματικά σε τρεις κατηγορίες: (1) μακροσκοπική ερμηνεία, (2) μέθοδοι με βάση το εικονοστοιχείο και (3) μέθοδοι που βασίζονται σε σχέσεις αντικειμένων. Σχεδόν, όλες οι έρευνες θεωρούν ότι η αλλαγή χρήσης γης είναι ένας από τις πιο σημαντικούς παράγοντες σε ορισμένες κινδύνους, όπως τις πλημμύρες, η διάβρωση του εδάφους και της στερεοπαροχής, η οικολογική και η δυναμική του περιβάλλοντος και οι αλλαγές στις ιδιότητες του εδάφους. Επίσης η ανίχνευση της αλλαγής με δεδομένα τηλεπισκόπησης βοηθάει στην παρακολούθηση της δύσκολης και δαπανηρής έρευνας της υδρογραφίας και του όγκου του νερού των φραγμάτων. Πολυάριθμες τεχνικές ανίχνευσης της αλλαγής είναι διαθέσιμες επιτυγχάνοντας διαφορετικά επίπεδα επιτυχίας για την παρακολούθηση της ποικιλίας των αλλαγών κάλυψης γης. Αυτές οι τεχνικές περιλαμβάνουν την παλινδρόμηση (regression) της εικόνας, αφαίρεση της εικόνας, μετά τη σύγκριση και την ταξινόμηση, την κύρια ανάλυση στοιχείων, τον μετασχηματισμό multidate Tasseled Cap, την αλλαγή ανάλυσης φορέα, και τα νευρωνικά δίκτυα. Με τη σύγκριση των εικόνων που λαμβάνονται σε διαφορετικό χρόνο, οι αλλαγές στο επίπεδο μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν.
Περιοχή Μελέτης
Το φράγμα Lar βρίσκεται στα βόρεια του Ιράν, στην επαρχία Mazandaran με γεωγραφικό μήκος λ: 520 00 και γεωγραφικό πλάτος φ: 350 88. Στην εικόνα 1 φαίνεται η θέση του φράγματος Lar στα Βόρεια του Ιράν. Αυτό το φράγμα είναι ένα από τα πιο σημαντικά φράγματα στο Ιράν για το λόγο ότι παρέχει νερό περίπου για 10 εκατομμύρια ανθρώπους. Έτσι η μείωση του όγκου του νερού σε αυτό το φράγμα έχει αρνητικές επιπτώσεις στον υδρολογικό κύκλο. Το φράγμα Lar βρίσκεται σε ορεινή λεκάνη ως επί το πλείστον με ασβεστολιθικό σχηματισμό.
Δεδομένα Προέλευσης
Δύο δορυφορικές εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα επιλέχθηκαν για την παρούσα μελέτη το 1997 και το 2000. Οι εικόνες ΕΤΜ το καλοκαίρι του 1997 και το καλοκαίρι του 2000 (Εικόνες 3, 4). Επίσης ελήφθησαν εικόνες κατά την ίδια περίοδο σε διάστημα 4 ετών, καθώς και η στάθμη του νερού το 1996 και το έτος 2000 (Εικόνα 2).
Μεθοδολογία
Η Γεωμετρική διόρθωση είναι ένα πολύ σημαντικό στάδιο στις μελέτες της αλλαγής ανίχνευσης. Για κάθε εικόνα, συνελήφθησαν περισσότερα από 50 σημεία ελέγχου εδάφους (GCP). Η Γεωμετρική διόρθωση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της μεθόδου της τετάρτου βαθμού πολυωνυμικής εξίσωσης, και το σφάλμα (μέσο τετραγωνικό σφάλμα, RMS) ήταν ελεγχόμενο μέσα σε ένα εικονοστοιχείο (pixel). H ταξινόμηση της εικόνας είναι το δεύτερο στάδιο στην μεθοδολογία της τηλεπισκόπησης. Στην παρούσα μελέτη τρία είδη της μεθόδου ταξινόμησης δοκιμάστηκαν, αυτή της μέγιστης πιθανότητας, της ελάχιστης απόστασης και του παραλληλεπίπεδου για την ανίχνευση των αλλαγών του όγκου νερού. Δύο κατηγορίες επιλέχθηκαν σε αυτές τις εικόνες για την ταξινόμηση και τον υπολογισμό των εικονοστοιχείων του εδάφους. Οι πίνακες 1 και 2 περιέχουν τα εικονοστοιχεία του εδάφους σε αυτές τις εικόνες. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε δύο μεθόδους για την εξαγωγή των υδάτων από τη γη. Η οπτική μέθοδος (Visual) είναι απλή μέθοδος για αυτό τον στόχο αλλά δεν είναι ακριβής και πολλά εικονοστοιχεία στην άκρη των φαινομένων δεν μπορούν να επιλεγούν. Η οπτική (Visual) μέθοδος είναι αποδοτική ως προς την ερμηνεία και τη σύγκριση των μεθόδων ταξινόμησης μιας εικόνας. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, χρησιμοποιήθηκε από ορισμένα κριτήρια η συνολική ακρίβεια, η ακρίβεια του αποτελέσματος και ο συντελεστής κάπα. Το τρίτο στάδιο είναι ο υπολογισμός της στάθμης του νερού στο φράγμα Lar και ο εντοπισμός των αλλαγών στα χρόνια 1997-2000.
Ανίχνευση των μεταβολών όγκων νερού
Μετά την μεθοδολογία επεξεργασίας της τηλεπισκόπησης το επόμενο στάδιο είναι η υπέρθεση των χαρτών και η παραγωγή και ανίχνευση των αλλαγών. Για να διαχωριστούν οι έννοιες "μεταβολή" και "μη μεταβολή" στην εικόνα εφαρμόστηκε η μεθοδολογία του κατωφλίου-ορίων (thresholding).
Αποτελέσματα
H σύγκριση των εικονοστοιχείων του εδάφους και ο συντελεστής κάππα που διατίθενται από εικόνες έδειξαν ότι μέθοδος της μέγιστης πιθανότητας είναι η καλύτερη μέθοδος για την ανίχνευση μεταβολών νερού.
Για ακριβή σύγκριση, θα υπολογιστεί ο συντελεστής κάπα. Οι Πίνακες 3, 4 επισημαίνουν την ακρίβεια του αποτελέσματος και την ακρίβεια του χρήστη που είναι σημαντική για τον υπολογισμό του συντελεστή κάπα με ακρίβεια.
Στο επόμενο βήμα υπολογίζεται η παραγωγική ακρίβεια και η ακρίβεια των χρηστών, υπολογίζεται η συνολική ακρίβεια και ο συντελεστής κάπα για μία αρχική προσέγγιση ποια από αυτές τις μεθόδους είναι η βέλτιστη (Πίνακας 5).
Αφού επιλεγεί η μέθοδος της μέγιστης πιθανότητας ως η βέλτιστη μέθοδος για την ανίχνευση των αλλαγών, οι μεταβολές του όγκου του νερού παράγονται από την υπέρθεση των επιπέδων της στάθμης των υδάτων (Πίνακας 6, Πίνακας 7).
Στα τρία χρόνια που επιλέχτηκαν για αυτή τη μελέτη, μειώνεται η είσοδος παροχής νερού περίπου στα 30 m3/s. Μπορεί να ειπωθεί ότι αυτό οφείλεται στην κλιματική αλλαγή ή τη μείωση της βροχής και της χιονόπτωσης. Κατά συνέπεια, η αποθήκευση του φράγματος σε νερό μειώνεται.
Βιβλιογραφία
1- Asselman, M. E. M, middelkoop, H, van Dijk, P. M, 2003, The impact of changes in climate
and land use on soil erosion, transport and deposition of suspended sediment in the River Rihn,
Hydrological Processes 17, pp. 3225-3244
2- Baudouin Desclée, Patrick Bogaert, Pierre Defourny, 2006, Forest change detection by statistical object-based method, Remote Sensing of Environment 102, pp. 1-11
3- Fu, B, Chen, L, Ma, K, Zhou, H, Wang, J, 2000, The relationships between land use and soil conditions in the hilly area of the loess plateau in northern shaanxi. China, CATENA 39, pp. 69- 78
4- Glade, T, 2003, Lnadslide Occurrence as a response to land use change: a review of evidence from New Zealnad, CATENA 51, pp. 297-314
5- Howarth, P.J., Wickware, G.M., 1981, Procedures for change detection using Lansat digital data, International Journal of Remote Sensing 2 (3), pp. 277– 291
6- Islam, K. R, weil, R. R, 2000, Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of Bangladesh, Agriculture Ecosystems & Environment 79, pp. 9-16
7- Jarvis, C., 1994, Modelling forest ecosystem dynamics using multitemporal multispectral scanner (MSS) data. Advance Space Res. 14 (3), 277–281
8- Jensen, J.R., Toll, D.L., 1982, Detecting residential land-use development at the urban fringe. Photogrammetric Eng. Remote Sensing journal 48 (4), pp. 629–643.
9- Kaufmann K. Karen C. Seto Robert, 2001, Change detection, accuracy, and bias in a sequential analysis of Landsat imagery in the Pearl River Delta, China, Agriculture, Ecosystems and Environment, 85, pp. 95-105
10- Kelarestaghi, K, H. Ahmadi, M. Jafari, 2006, Land use changes detection and spatial distribution using digital and satellite data, (BIYABAN) Desert journal 11, pp. 33-47
11- Mouat, D.A., Mahin, G.G., Landcaster, J., 1993. Remote sensing techniques in the analysis of change detection. Geocarto Int. (2), pp.39–49
12- Oguma, H., Yamagata,Y., 1997, Study on effective observing season selection to produce the wetland vegetation map. Journal of Japan. Society Photogrammetry Remote Sens. 36 (4),pp.5–16
13- Qi-Jing Liu, Xuan-Ran Li, Ze-Qing Ma, Nobuo Takeuchi, 2005, Monitoring forest dynamics using satellite imagery case study in the natural reserve of Changbai Mountain in China, Forest Ecology and Management 210, pp. 25-37
14- Quarmby, N.A., Cushnie, J.L., 1989, Monitoring urban land cover changes at the urban fringe from SPOT HRVimagery south-east England. International Journal of Remote Sensing 10 (6), pp. 953–963
15- Singh, A., 1989, Digital change detection techniques using remotely-sensed data. International Journal of Remote Sensing 10 (6), pp. 989–1003
16- Sullivan, A, Ternan, J. L, Williams, A. G, 2004, land use change and hydrological response in the Camel catchment, Cornwall, Applied Geography 24, pp. 119-137
