Αναγνώριση Κτιρίων που Έχουν Υποστεί Ζημιές από Φυσικούς Κινδύνους...
Από RemoteSensing Wiki
Αναγνώριση Κτιρίων που Έχουν Υποστεί Ζημιές από Φυσικούς Κινδύνους με τη Χρήση Δορυφορικών Εικόνων Υψηλής Ανάλυσης : Η Περίπτωση του Σεισμού στην L'Aquila της Ιταλίας
Τίτλος άρθρου:Identification of Buildings Damaged by Natural Hazards Using Very High Resolution Satellite Images: The Case of Earthquake in L’Aquila, Italy
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-10979-0_9
Συγγραφείς:Luigi Barazzetti και Branka Cuca
Λέξεις-Κλειδιά: L’ Aquila, Σεισμός, Quickbird, Δορυφορικές εικόνες υψηλής ανάλυσης, Τηλεπισκόπηση, Ιστορικό κέντρο
Αντικείμενο Μελέτης
Τις τελευταίες δεκαετίες γίνετε όλο και πιο σημαντική η έγκαιρη αξιολόγηση των ζημιών και η εκτίμηση των κινδύνων όσο αφορά τις φυσικές απειλές και καταστροφές, τόσο για ανθρωπιστικούς και κοινωνικούς, όσο και για οικονομικούς λόγους και ζητήματα διαχείρισης. Οι τεχνολογίες παρατήρησης της γης, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, αποκτούν ένα ολοένα και σημαντικότερο ρόλο στην ανίχνευση των μεταβολών σε αστικές περιοχές που προκαλούνται από κάποια φυσική καταστροφή, όπως σεισμοί, πλημμύρες και κατολισθήσεις.
Όσο αφορά τους σεισμούς τα πιο σημαντικά μέτρα που παίρνονται στις στρατηγικές διαχείρισης έκτακτων περιστατικών αφορούν το κομμάτι της ετοιμότητας και της αντίδρασης, αφού οι σεισμοί δεν μπορούν ούτε να αποφευχθούν ούτε να ελεγχθούν, σε αντίθεση με τη φωτιά ή και τις πλημμύρες κάποιες φορές. Έτσι, αναφέρετε πως η φάση της εκτίμησης και αξιολόγησης των ζημιών, ιδιαίτερα για την άμεση αντίδραση έκτακτης ανάγκης, είναι πολύ σημαντική για την ασφάλεια ανθρώπων, ζώων και υποδομών. Επίσης είναι σημαντική κατά τη διάρκεια ανάκαμψης για την βοήθεια από τις υποστηρικτικές ομάδες που σπεύδουν στην περιοχή. Επίσης τέτοιες πληροφορίες μπορεί να είναι σημαντικές για την εξέταση του βαθμού ετοιμότητας πριν το συμβάν αλλά και για την αξιολόγηση μελλοντικών σχεδίων αστικής ανάπτυξης και ανθεκτικότητας. Πιο συγκεκριμένα, ο εντοπισμός και η αξιολόγηση των ζημιών σε περιοχές ή κτίρια πολιτιστικής κληρονομιάς είναι μεγάλης σημασίας τόσο για την πολιτιστική και κοινωνική τους αξία όσο για οικονομικούς λόγους. Επίσης ιδιαίτερα μεγάλο ζήτημα είναι η πιθανές ζημιές στα συστήματα υποδομών (ηλεκτροδότησης, επικοινωνίας κ.α.) συμπεριλαμβανομένων των διόδων πρόσβασης στην περιοχή. Σε αυτά τα σενάρια η ανάγκη για αξιόπιστες πληροφορίες από τις πρώτες φάσεις του σεισμού είναι ακόμα πιο μεγάλη για της αποτελεσματική και άμεση αντίδραση αντιμετώπισης.
Η έρευνα αυτή προτείνει μια μεθοδολογία για την ανίχνευσης των ζημιών σε ένα αστικό περιβάλλον μετά από ένα σεισμό, με την χρήση και ανάλυση δορυφορικών εικόνων μεγάλης χωρικής ανάλυσης. Η αξιολόγηση των ζημιών με τη χρήση της τηλεπισκόπησης έχει ήδη εφαρμοστεί ευρέως, ιδίως σε περιπτώσεις καταστροφής που έχουν συμβεί σε αστικές περιοχές. Η περιοχή μελέτης που εξετάζει η συγκεκριμένη έρευνα είναι η πόλη L'Aquila που βρίσκεται στην κεντρική Ιταλία. Ο σεισμός που έπληξε την L'Aquila στις 6 Απριλίου 2009 είχε ένταση 5,8-5,9 βαθμών στην κλίμακα Richter και προκάλεσε 309 θύματα ανθρώπων στην περιοχή. Πολλά κτίρια, ιδιαίτερα στο ιστορικό κέντρο έχουν υποστεί σοβαρές δομικές βλάβες. Ως αποτέλεσμα σχεδόν ολόκληρο το ιστορικό κέντρο εκκενώθηκε, κάτι που ισχύει μέχρι και σήμερα για το μεγαλύτερο ποσοστό των οικιστικών μονάδων. Πέρα από τα οικιστικά κτίρια, πολλές εκκλησίες και άλλα κτίρια ιστορικής και πολιτισμικής σημασίας για την περιοχή έχουν υποστεί σημαντικές ζημιές.
Μεθοδολογία
Μεθοδολογικά η παρούσα έρευνα επικεντρώθηκε σε εικόνες υψηλής ποιότητας, οι οποίες έχουν παρθεί πάνω από το ιστορικό κέντρο της L'Aquila. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιεί δύο εικόνες Quickbird που ονομάζει Ipre και Ipost που πάρθηκαν στις 4 Σεπτεμβρίου 2006 και 8 Απριλίου 2009 αντίστοιχα. Αυτές οι εικόνες έχουν χωρική ανάλυση περίπου 0,6 μέτρα. Σημαντικό στοιχείο για αυτές τις εικόνες, όπως θα δούμε και στη συνέχεια είναι η διαφορετική γωνιά που έχουν (10,65 ° και 5,6 °), η οποία επηρεάζει άμεσα τα ζητήματα της αυτοματοποιημένης ανίχνευσης αλλαγών που θα εφαρμοστεί, αφού με αυτό τον τρόπο δεν υπάρχει επαρκής αλληλοκάλυψη μεταξύ των αντικειμένων. Στην μελέτη αυτή η σύγκριση των δύο εικόνων δεν γίνετε με την σύγκριση εικονοστοιχείων (pixel-to-pixel) αλλά μέσω της αντικειμενοστρεφής ανάλυσης και ταξινόμησης και στη συνέχεια, μετά την ευθυγράμμιση των αντικειμένων, αυτά συγκρίνονται.
Τα στάδια της προεπεξεργασίας των δεδομένων εμπεριέχουν το pan-sharpening και την ορθοαναγωγή (orthorectification).Η χρήση της αντικειμενοστρεφής ανάλυσης αποδεικνύετε ιδιαίτερα χρήσιμη για την βελτίωση της ακρίβειας της ταξινόμησης εικόνων με μεγάλη χωρική ανάλυση. Για την ταξινόμηση χρησιμοποιούνται τρία επίπεδα που επιλέχθηκαν για την περιοχή L’Aquila. Αρχικά με την χρήση του NDVI - κανονικοποιημένου δείκτη βλάστηση, εντοπίστηκαν οι περιοχές βλάστησης και στην συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ένα κατώτατο όριο για την ταξινόμηση αντικειμένων ως βλάστηση στις δύο εικόνες και την αφαίρεση τους από την επεξεργασία. Τα επίπεδα ταξινόμησης ονομάζονται Vpre – βλάστηση πριν και Vpost – βλάστηση μετά. Η επόμενη κατηγορία αφορά τις σκιές οι οποίες εντοπίζονται στην ταξινόμηση χρησιμοποιώντας την πράξη φωτεινότητας BRI = [R + G + B] / 3. Έτσι υπάρχουν δύο νέες υποκατηγορίες, η σκιά πριν - Spre και η σκιά μετά - Spost. Τέλος δημιουργείτε η τελευταία κατηγορία, της οποίας τα αντικείμενα δεν εμπεριέχονται στις προηγούμενες κατηγορίες και αφορά δύο νέα επίπεδα που ονομάζονται Opre και Opost. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για μια υποπεριοχή στην L'Aquila. Όπως φαίνεται στην ταξινόμηση δεν διαχωρίζονται η τα κτίρια και οι δρόμοι, αφού εμφανίζονται στην ίδια κατηγορία.
Η ανίχνευση των μεταβολών χρησιμοποιεί τα επίπεδα που δημιουργήθηκαν από την ταξινόμηση. Η μέθοδος αυτή στηρίζετε στην ιδέα πως εάν μια σκιά ενός κτιρίου εμφανίζετε στην εικόνα μετά τον σεισμό, αυτό υποδηλώνει μια ζημιά, όπως για παράδειγμα την κατάρρευση της στέγης. Έχοντας αυτό υπόψη σημειώνετε ότι με την συγκεκριμένη μέθοδο δεν εντοπίζονται τα κτίρια που έχουν καταρρεύσει εντελώς, αλλά αυτά που έχουν υποστεί εν μέρη ζημιά.
Όπως αναφέραμε, λόγω του ότι οι εικόνες έχουν διαφορετική γωνιά, αυτό δεν επιτρέπει την απευθείας σύγκριση pixel-to-pixel. Επιπλέον, λόγω της διαφορετικής γωνιάς, στην συνέχεια πραγματοποιείτε μια πρόσθετη διαδικασία για να μειωθεί η γεωμετρική απόκλιση ανάμεσα στα σχήματα της ταξινόμησης. Αναφέρετε ότι το τελικό αποτέλεσμα δεν πετυχαίνει τέλεια αντιστοίχιση μεταξύ των επιπέδων αλλά μειώνει σε μεγάλο βαθμό την αρχική ελλιπής ευθυγράμμιση. Τέλος πραγματοποιείτε ακόμα ένας έλεγχος για την αφαίρεση λανθασμένων αντιστοιχιών.
Πριν την έναρξη της ανίχνευσης μεταβολών, η τομή ανάμεσα στο επίπεδο σκιάς μετά τον σεισμό Spost και παράλληλα της βλάστησης και της σκιάς πριν τον σεισμό V*pre και S*pre αφαιρείτε από τον υπολογισμό. Στην συνέχεια εφαρμόζετε η τομή (Spost \ Spost ∩ (V*pre ∪S*pre))∩ O*pre για να εντοπιστούν οι μερικές ζημιές. Σε αυτή την τομή λόγω της μεταβλητής γωνιάς off-nadir, δημιουργούνται σφάλματα επιμήκων στοιχείων σε περιοχές κοντά στις άκρες των πολυγώνων. Μέσω της ρύθμισης των γεωμετρικών παραγόντων διαχωρίζονται αποτελεσματικά οι περιοχές σφάλματος που αναφέραμε με τις πραγματικές ζημιές, οι οποίες δεν έχουν τόσο επίμηκες γεωμετρία.
Συμπεράσματα
Έτσι στο τελικό αποτέλεσμα παρουσιάζετε ένα παράδειγμα κατεστραμμένου κτιρίου στην υποπεριοχή που αναφέραμε, αυτό της εκκλησίας της Santa Maria Paganica. Επίσης αναφέρετε ότι αφού αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών είναι δυνατό να παρέχονται παράλληλα σημαντικές πληροφορίες στον πίνακα χαρακτηριστικών, όπως η γεωγραφική του θέση, η διεύθυνση του κτιρίου και διάφορα άλλα. Με αυτό τον τρόπο η μέθοδος που χρησιμοποιείτε, της φωτογραμμετρίας και της οπτικοποίησης σε δορυφορικά δεδομένα μεγάλης ανάλυσης μπορεί να συμβάλλει στη χαρτογράφηση κατεστραμμένων κτιρίων μετά από ένα σεισμό, παρέχοντας ποιοτική αλλά και ποσοτική πληροφορία για ένα κτίριο ή μια περιοχή.
