Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης...

Από RemoteSensing Wiki

Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης (Abies cephalonica) στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας

Αντικείμενο: Το αντικείμενο έρευνας της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι η δασική διαχείριση. Πιο συγκεκριμένα η παρούσα εργασία ασχολείται με την αντικειμενοστραφή ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης (Abies cephalonica) στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας.

Στόχος: Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η καλύτερη διαχείριση και προστασία του Εθνικού Δρυμού Πάρνηθας, μέσα από την πιλοτική διερεύνηση της κατάστασης stress των ελάτων του δρυμού ανά βαθμίδα προσβολής βάσει της οδηγίας της ΕΟΚ (Ε.Ο.Κ / 1984 “Διάγνωση και κατάσταση ζημιών στα δάση”: έντονο stress: Ι, λιγότερο έντονο stress: ΙΙ, ασθενές stress: ΙΙΙ). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δύο περιβαλλοντικοί δείκτες, ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI) μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης της εικόνας σε συνδυασμό με την in situ παρατήρηση και η μέτρηση του δείκτη φθορισμού (fluorescence) μέσω του φασματικού οργάνου PEA (Plant Efficiency Analyser).

Πώς γινόταν παλαιότερα: Οι μέχρι τώρα σχετικές έρευνες για τη ξήρανση της ελάτης στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας, βασίζονταν σε κλασσικές μεθόδους της επιστήμης της δασολογίας, δηλαδή σε επίγειους ελέγχους, μετρήσεις ογκομετρικών στοιχείων, λήψη δειγμάτων όπως βελόνες, δείγμα φλοιού, παχυμετρήση, κ.α.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων: Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες IKONOS, ανάλυσης 1m.

Προεπεξεργασίες: Για τη σωστή παρατήρηση του φαινομένου πρωτίστως έγινε γεωμετρική διόρθωση των εικόνων με την βοήθεια του λογισμικού προγράμματος ER-Mapper 6.4, όπου για τη διαδικασία αυτή χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό μοντέλο εδάφους 1:20.000, καθώς και 52 επίγεια σημεία ελέγχου GCP’ s (Ground Control Points), τα οποία αναφέρονταν στα ζεύγη συντεταγμένων των κέντρων των δοκιμαστικών επιφανειών και των δένδρων ελάτης σε κατάσταση stress που είχαν ληφθεί με το GPS.

Ψηφιακές επεξεργασίες /αλγόριθμοι και αποτελέσματα: Στην παρούσα έρευνα αρχικά εντοπίστηκαν 20 μόνιμες δοκιμαστικές επιφάνειες στο χώρο με σκοπό τη λήψη των δένδρων ελάτης σε κατάσταση stress με τη βοήθεια οργάνου GPS. Στη συνέχεια έλαβε χώρα η μακροσκοπική παρατήρηση της κατάστασης stress των δένδρων ελάτης μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης της εικόνας, χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες IKONOS και με τη βοήθεια του λογισμικού e-Cognition. Έπειτα από την προαναφερθείσα στο στάδιο της προεπεξεργασίας γεωμετρική διόρθωση των εικόνων αυτών, δημιουργήθηκε το έγχρωμο σύνθετο RGB:432 ώστε να τονιστεί η βλάστηση, όπου κατόπιν φωτοερμηνείας επιλέχθηκαν οι ακόλουθες κατηγορίες: 1. Blastisi no stress, 2. Blastisi stress I, 3. Blastisi stress II , 4. Blastisi stress III, 5. Gaiodi, 6. Skia. Η ανάλυση της εικόνας IKONOS περιέλαβε ένα επίπεδο κατάτμησης.

Το επόμενο στάδιο των ψηφιακών επεξεργασιών είναι η ταξινόμηση βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης με χρήση του φασματικού κριτηρίου του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI) με τη βοήθεια της συνάρτησης ασαφούς συμμετοχής, τραπεζοειδούς μορφής, καθώς και τον λόγο ¼ για την κατηγορία gaiodi, χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση της ασαφούς λογικής, τραπεζοειδούς μορφής. Δημιουργήθηκαν ενισχύσεις μέσα από λόγους καναλιών για την ανάδειξη των φασματικών χαρακτηριστικών. Συγκεκριμένα, ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI) θεωρείται απαραίτητος για την παρούσα διερεύνηση της διάκρισης των υγιών και μη ατόμων κεφαλληνιακής ελάτης στην περιοχή μελέτης. Οι τιμές των εικονοστοιχείων (pixel) που παρουσιάζει ο δείκτης NDVI είναι μεταξύ του -1 έως +1, ενώ οι περιοχές που δεν φέρουν ίχνος βλάστησης δίνουν αρνητική τιμή ή τιμή που αγγίζει την τιμή μηδέν (0). Ο λόγος καναλιών ¼ προέκυψε διότι είναι ικανός για τη διάκριση γεωλογικών χαρακτηριστικών, π.χ. ασβεστόλιθος.

Εν συνεχεία έγινε η ταξινόμηση βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης (standard nearest neighbor) ως προς τις μέσες φασματικές τιμές στα τρία κανάλια, όπου διακρίθηκαν τα εξής: δένδρα που δεν παρουσιάζουν stress (NDVI: 0,36- 0,8), δένδρα που έχουν ασθενές stress III (NDVI: 0,27-0,36), δένδρα που έχουν αρκετό stress II (NDVI: 0,17-0,27), σε δένδρα που παρουσιάζουν έντονο stress I (NDVI: 0,01-0,17), ενώ για τον καλύτερο διαχωρισμό τους από τα υγιή δένδρα ελάτης (no stress) διακρίθηκαν και δένδρα που είναι σκιασμένα (skia: NDVI: -0,3-0,01), καθώς και μία επιπλέον κατηγορία: τα γαιώδη υλικά (gaiodi) (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: Τμήμα της εικόνας μετά την κατάτμηση (αριστερή εικόνα), η ταξινόμησή της (δεξιά εικόνα) και το υπόμνημά της

Όσον αφορά στη μέτρηση του δείκτη φθορισμού που παρουσιάζουν τα δένδρα ελάτης στις διάφορες καταστάσεις stress ( Ι, ΙΙ, ΙΙΙ) έγινε λήψη δειγμάτων βελόνων ελάτης έπειτα από επιλογή τεσσάρων από τις 20 δοκιμαστικές επιφάνειες. Τα όρια των μετρήσεων του δείκτη φθορισμού (Fv/Fm) για τις τρεις κατηγορίες stress (I, II, III) της ελάτης είναι τα εξής (Πίνακας 1):

Πίνακας 1: Αποτελέσματα μέτρησης δείκτη φθορισμού στις καταστάσεις stress (I,II, III) της ελάτης

Χρήση επιπρόσθετων χαρτών, βάσεων δεδομένων, GIS / αναγκαιότητά τους: Χρησιμοποιήθηκε επιπλέον, όπως έχει ήδη αναφερθεί, ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους 1:20.000 για τη γεωμετρική διόρθωση των εικόνων.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων: Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν πράγματι ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό δύναται να χρησιμοποιηθεί ο συνδυασμός των δύο περιβαλλοντικών δεικτών: κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (ndvi) και του δείκτη φθορισμού (fluorescence) για την εκτίμηση της φυτοϋγειονομικής κατάστασης του ελατοδάσους και κατά προέκταση ενός δασικού περιβάλλοντος, με σκοπό την καλύτερη διαχείριση και προστασία του. Μελλοντικά προτείνεται η μελέτη του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (ndvi) με την μέθοδο της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης τονίζοντας τα κριτήρια του σχήματος και όχι τόσο τα φασματικά κριτήρια, ενώ ακόμη προτείνεται η μελέτη του δείκτη φθορισμού (Fv/Fm) σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος.

Πηγή: Κόκλα Φ., Αργιαλάς Δ., Κασσιός Κ. . Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της επιδημίας της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης (Abies cephalonica) στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας. Σχολή Αγρονόμων Τοπογράφων Μηχανικών, ΕΜΠ