Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS για την εξέταση της ξήρανσης της Κεφαλληνιακής ελάτης στον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας

Από RemoteSensing Wiki

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

Συγγραφείς:Κόκλα Φ, Αργιαλάς Δ., Κασσιός Κ.

Πηγή: Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σκοπός Εργασίας.

Η διεύρυνση της κατάσταση stress της Κεφαλληνιακής Ελάτης του Εθνικού Δρυμού Πάρνηθας. Η παρούσα έρευνα στηρίζεται σε σύγχρονες μεθόδους παρατήρησης και αποτύπωσης της γης, χρησιμοποιώντας δύο περιβαλλοντικούς δείκτες, τον κανονικοποιημένο δείκτης βλάστησης (NDVI) μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης της εικόνας σε συνδυασμό με την in situ παρατήρηση του δείκτη φθορισμού (fluorescence) μέσω του φασματικού οργάνου PEA (Plant Efficiency Analyser). Το ελατοδάσος είναι το μοναδικό στο είδος του και γι αυτό πρέπει να διατηρηθεί.

Περιοχή Μελέτης.

Μελετάται το γηραιό ελατοδάσος της Πάρνηθας, το οποίο έχει έκταση 35.000 στρέμματα. Το δάσος παρουσιάζει αρκετά προβλήματα, όπως είναι, η λαθροϋλοτομία, οι πυρκαγιές και κυρίως η επιδημία ξήρανσης της Ελάτης. Η πρωτογενής αιτία ξήρανσης είναι η χείριστη κατάσταση του δάσους και οι κλιματολογικές και εδαφολογικές συνθήκες της περιοχής (χαμηλό υψόμετρο, μεγάλη ξηρασία και υψηλές θερμοκρασίες το καλοκαίρι, φτωχά και αβαθή εδάφη). Τα δέντρα που βρίσκονται σε κατάσταση stress είναι καχεκτικά, άρρωστα και παρουσιάζουν έντονο αποχρωματισμό βελόνης και ένα ποσοστό αυτών είναι ξερά.

Μεθοδολογία.

Η μεθοδολογία διεξαγωγής της εργασίας ακολούθησε τα εξής στάδια: Στάδιο 1ο: αρχικά με τη βοήθεια του ψηφιακού τοπογραφικού οργάνου GPS (GS50), εντοπίστηκαν 20 δοκιμαστικές επιφάνειες σε όλη την έκταση του ελατοδάσους. Καθεμιά επιφάνεια είχε έκταση ένα στρέμμα, η έκθεσή της ποίκιλε και έφερε άτομα ελάτης ασθενή ή νεκρά. Με το GPS εντοπίστηκαν τα κέντρα των επιφανειών και τα δέντρα που είναι σε κατάσταση stress.

Στάδιο 2ο: έπειτα, χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες IKONOS (έτος 2004) με ανάλυση 1μ, έγινε η μακροσκοπική παρατήρηση των δέντρων που βρίσκονταν σε κατάσταση stress μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης της εικόνας. Στην συνέχεια έγινε η γεωμετρική διόρθωση των εικόνων με τη βοήθεια του λογισμικού ER Mapper 6.4 και σε ψηφιακό μοντέλο εδάφους 1:20000 και δημιουργήθηκε το έγχρωμο σύνθετο RGB 432, ώστε να τονιστεί η βλάστης. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1 κατόπιν φωτοερμηνείας επιλέχθηκαν οι κατηγορίες: 1. Blastisi no stress (βλάστηση χωρίς stress), 2. Blastisi stress Ι ( βλάστηση με έντονο stress), 3. Blastisi stress ΙΙ (βλάστηση με λιγότερο έντονο stress), 4. Blastisi stress ΙΙΙ (βλάστηση με ασθενές stress) και 5. Skia (δέντρα σκιασμένα).

Στάδιο 3ο: η ανάλυση της εικόνας IKONOS διεξήχθη σε ένα επίπεδο κατάτμησης (segmentation). Με δεδομένο ότι η βλάστηση εμφανίζεται σε συγκεντρώσεις συμπαγείς για τον προσδιορισμό των κριτηρίων κατάτμησης, επιλέχθηκε ως βέλτιστος ο συνδυασμός: φασματικό κριτήριο 0,8 και κριτήριο σχήματος 0,2. Ο συνδυασμός αυτός μαζί με τη μικρή τιμή της παραμέτρου της κλίμακας (επιλέχθηκε η τιμή 4) έχει σαν αποτέλεσμα να δημιουργηθούν πολλά μικρά και συμπαγή αντικείμενα, τα οποία διευκόλυναν τον εντοπισμό των συγκεντρώσεων του πράσινου και της σκιασμένης βλάστηση, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Παράλληλα δίνεται και η αρχική εικόνα (Εικόνα 3) για να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα.

Στάδιο 4ο: είναι η ταξινόμηση της κατηγορίας Gaiodi. Για την ταξινόμηση επιλέχθηκε η μέθοδος της εγγύτερης γειτνίασης με χρήση του φασματικού κριτηρίου του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI), της συνάρτησης ασαφούς συμμετοχή, της τραπεζοειδούς μορφής και του λόγου ¼. Ο δείκτης (NDVI) είναι απαφαίτητος για τη διάδριση των υγιών και μη δέντρων του ελατοδάσους. Ο δείκτης παρουσιάζει τιμές από -1 έως +1 για τα εικονοστοιχεία (pixel). Μια τιμή από -1 έως 0 σημαίνει ότι δεν υπάρχει βλάστηση και μια τιμή που αγγίζει το +1 (0,7 – 1) αντιπροσωπεύει την καλύτερη κατάσταση υγείας του φυτού (Fortheringham; 1992, Mukherjee and Dhiraj, 2005; Solberg, 2005). Ο λόγος ¼ επιλέχθηκε γιατί το κανάλι 1 (μπλε) είναι χρήσιμο για τη διάκριση ανθρωπογενών κατασκευών, το κανάλι 4 (εγγύς υπέρυθρο) είναι κατάλληλο για τον προσδιορισμό των ειδών βλάστηση και ο λόγος τους για τη διάκριση γεωλογικών χαρακτηριστικών. Τέλος, τα όρια ασαφών συναρτήσεων που επιλέχθηκαν για τον NDVI, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4, είναι stress I: 0,01 – 0,17, stress ΙΙ: 0,17 – 0,27, stress ΙΙΙ: 0,27 – 0,36, no stress 0,36 – 0,8, skia: -0,3 –o,o1 και για το λόγο ¼: 0,6 – 1,1.

Στο τελικό στάδιο έγινε η ταξινόμηση (Εικόνα 5) βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης (standar nearest neighbor) και διακρίθηκαν τα εξής: δέντρα no stress (NDVI: 0,36 – 0,8), δέντρα stress ΙΙΙ (NDVI: 0,27 - 0,36), δέντρα stress ΙΙ (NDVI: 0,17 - 0,27), δέντρα stress I (NDVI: 0,01 – 0,17), skia (NDVI: - 0,3 – 0,01) και gaiodi (δηλαδή γαιώδη υλικά).

Τέλος, σημειώνεται ότι από τις 2ο δοκιμαστικές περιοχές τελικά επιλέχθηκαν 4 επιφάνειες με τα εξής χαρακτηριστικά: επικρατούσες κλίσεις ήπιες (10% - 20%) ή μέτριες (>20% και <45%) και έκθεση νότια και νοτιοανατολική. Λήφθηκαν δείγματα βελόνων ελάτης (σε καταστάσεις stress) για τη μέτρηση του δείκτη φθορισμού (Fv/ Fm), τα οποία μετρήθηκαν με το φασματικό όργανο PEA σε εργαστηριακές συνθήκες. Τα αποτελέσματα της μέτρησης φαίνονται στον Πίνακα 1.

Αποτελέσματα ταξινόμησης.

Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης στις 4 δοκιμαστικές επιφάνειες είναι τα εξής:

Πρώτον, είναι ικανοποιητικά και αυτό φαίνεται από το δείκτη σταθερότητας της ταξινόμησης (Classification Stability) στην Εικόνα 6 και από την Εικόνα 7 που παρουσιάζονται η μέγιστη / ελάχιστη τιμή, η μέγιστη απόκλιση (stdD), η μέση τιμή των pixels (Mean) και το πλήθος των αντικειμένων που ταξινομήθηκαν στις οριζόντιες κατηγορίες (objects), κάθε επιφάνειας.

Δεύτερον, σύμφωνα με τον Πίνακα 1 όσο η τιμή του λόγου (Fv/ Fm) τείνει προς την τιμή 0, τόσο πιο έντονη είναι η κατάσταση stress στην οποία βρίσκονται τα φυτά, ενώ όσο η τιμή του λόγου τείνει στη μονάδα τα φυτά είναι πιο υγιή (Zarco and Apostol, 2002).

Τέλος, ο δείκτης φθορισμού παρουσιάζει έντονη διακύμανση στις 4 επιφάνειες, δίνοντας ακρίβεια αποτελεσμάτων κατά 95%.

Συμπεράσματα.

Η έρευνα στηρίχθηκε σε σύγχρονες μεθόδους τηλεπισκόπησης, σε αντίθεση με τις μέχρι τώρα κλασσικές έρευνες δασολογίας που μελετούσαν τον Εθνικό Δρυμό Πάρνηθας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο ο δείκτης NDVI όσο και ο δείκτης φθορισμού είναι άκρως αντιπροσωπευτικοί για την εκτίμηση της φυτοϋγειονομικής κατάστασης του ελατοδάσους.