Αξιολόγηση της θεματικής πληροφορίας των διαύλων του LANDSAT-5 ΤΜ για την εκτίμηση παραμέτρων των δασικών συστάδων

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Η δορυφορική τηλεπισκόπηση παρέχει νέες δυνατότητες και προοπτικές στους δασολόγους διαχειριστές για τον έλεγχο και την προστασία των δασικών οικοσυστημάτων. Αντικείμενο έρευνας της εργασίας αποτέλεσε η αξιολόγηση των μέσης-υψηλής ευκρίνειας δορυφορικών δεδομένων του Θεματικoύ Χαρτογράφου του LANDSAT-5 για τον υπολογισμό της πυκνότητας, της κυκλικής επιφάνειας, του ξυλώδες όγκου και της δασικής βιομάζας, ενός δασικού οικοσυστήματος υψηλού βαθμού ετερογένειας στη Βόρεια Ελλάδα. Η ψηφιακή ταξινόμηση με τη χρήση της γραμμικής διακριτικής συνάρτησης του Fisher έδωσε συνολική ακρίβεια ταξινόμησης 82%. Στα αρχικά δορυφορικά δεδομένα εφαρμόστηκαν διάφοροι πολυφασματικοί μετασχηματισμοί και τα παράγωγα συνθετικά κανάλια χρησιμοποιήθηκαν συνδυαστικά με τα αρχικά ως επεξηγηματικές μεταβλητές στα μοντέλα που αναπτύχθηκαν.

Οι παράμετροι των δασικών οικοσυστημάτων που εξετάστηκαν παρουσίασαν παρόμοιο, αλλά μικρό βαθμό συσχέτισης με τα αρχικά και συνθετικά δορυφορικά δεδομένα. Μεταξύ αυτών οι φασματικοί δίαυλοι TM4 και TM7 παρουσίασαν την υψηλότερη συσχέτιση με τις υπό εξέταση δασικές παραμέτρους. Η χρησιμοποίηση των συνθετικών δεδομένων συνετέλεσε στην αύξηση των συντελεστών συσχέτισης και βοήθησε στην ανάπτυξη στατιστικά σημαντικών μοντέλων.

Εισαγωγή

Η εισαγωγή της δορυφορικής τεχνολογίας σε επιχειρησιακό επίπεδο έδωσε νέες δυνατότητες στους δασολόγους για απογραφή, παρακολούθηση και διαχείριση των δασικών οικοσυστημάτων. Η επιτυχία της συνεισφοράς της δορυφορικής τηλεπισκόπησης, ως ένα σύγχρονο διαχειριστικό εργαλείο, στη δασοπονία επηρεάζεται από παράγοντες όπως είναι ο χρόνος λήψης των δεδομένων, η χωρική και φασματική διακριτική ικανότητα των δεδομένων, το είδος της καταγραφόμενης βλάστησης, η πυκνότητα, ηλικία, υγεία των συστάδων κ.λ.π.. Ως αποτέλεσμα, η χρήση των δορυφορικών δεδομένων έχει τοπική και όχι γενική αξία. Υπό συνθήκες περιβαλλοντικής ομοιομορφίας και ομοιογένειας, η τηλεπισκόπηση έχει αποδειχτεί ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση και απογραφή παραμέτρων των δασικών συστάδων. Σε αντίθεση, υπό συνθήκες ετερογένειας και υψηλής χωρικής μεταβλητότητας η συμβολή της είναι περιορισμένη.

Στα Μεσογειακού τύπου δασικά οικοσυστήματα συναντάται μεγαλύτερη ετερογένεια αναφορικά με τη σύνθεση και τη δομή τους. Αυτή η χωρική ετερογένεια είναι το αποτέλεσμα πολλών παραγόντων όπως η τοπογραφία, διαχειριστικές πρακτικές, κλιματικοί παράγοντες, κλπ. Ιστορικά, από χωρική και χρονική άποψη, η διαχείριση των Μεσογειακών δασών ήταν συχνά μεταβαλλόμενη. Υψηλό ποσοστό των δασών κατανέμονται σε μικρά τεμάχια ιδιοκτησίας τα οποία διαχειρίζονται από διαφορετικούς ιδιοκτήτες, οι οποίοι ακολουθούν διαφορετικές στρατηγικές. Τέλος, το Μεσογειακό κλίμα, με έντονη καλοκαιρινή ξηρασία, η οποία συχνά εμποδίζει την ανάπτυξη πλήρους κόμης και επιτρέπει τη δημιουργία ενός ετερογενούς υπόροφου, συμβάλει και αυτό στην προαναφερθείσα ετερογένεια.

Ερευνητικά η εργασία αυτή πραγματεύεται την αξιολόγηση των μέσης-υψηλής ευκρίνειας δορυφορικών δεδομένων του Θεματικoυ Χαρτογράφου του LANDSAT-5 για τη χαρτογράφηση των παραμέτρων των Μεσογειακών δασικών οικοσυστημάτων. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η περίπτωση ανάπτυξης μοντέλων παλινδρόμησης για την εκτίμηση της πυκνότητας, της κυκλικής επιφάνειας, του ξυλώδες όγκου και της δασικής βιομάζας, ενός δασικού οικοσυστήματος υψηλού βαθμού ετερογένειας στη Βόρεια Ελλάδα.

Υλικά και μέθοδοι

Η Χερσόνησος της Κασσάνδρας αποτελεί την περιοχή μελέτης της παρούσας εργασίας. Ο κύριος κορμός της Χερσονήσου απαρτίζεται από μια βασική κορυφογραμμή, η οποία στο ύψος του χωριού Ν. Σκιώνη διχάζεται σε 2 μικρότερες. Στα τμήμα αυτό επικρατούν πολλές και απότομες χαραδρώσεις και μεγάλες εγκάρσιες κλίσεις. Η Χερσόνησος της Κασσάνδρας ανήκει στη φυτοκοινωνιολογική ένωση της Ευμεσογειακής ζώνης. Η δασική βλάστηση της περιοχής περιλαμβάνει ξηροθερμικά φρύγανα (θυμάρι, μέντα, ασφάκα), αριές, χαλέπιο πεύκη και κάποιες περιοχές με δρυ (Q.conferta .και Q.cerris).

Σχήμα 1: Δορυφορικές εικόνες της περιοχή μελέτης και κατανομή των δειγματοληπτικών επιφανειών

Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το Θεματικό Χαρτογράφο του LANDSAT-5 (Σχήμα 1), με ημερομηνία λήψης το Σεπτέμβριο του 1999. Η εικόνα αντιστοιχεί στο path 183 και row 32 της τροχιάς του δορυφόρου. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε μια δορυφορική εικόνα IKONOS με ημερομηνία λήψης τον Ιούνιο του 2000, και η οποία χρησιμοποιήθηκε κυρίως για τη γεωμετρική προσαρμογή της δορυφορικής εικόνας του LANDSAT όπως επίσης και για φωτοερμηνευτικούς σκοπούς.

Για τη δημιουργία του τρισδιάστατου μοντέλου εδάφους της περιοχής έρευνας, ψηφιοποιήθηκαν οι χωροσταθμικές καμπύλες ισοδιάστασης 20 μέτρων από αντίστοιχους τοπογραφικούς χάρτες της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (ΓΥΣ), κλίμακας 1:5000. Το τρισδιάστατο μοντέλο εδάφους (DTM), χωρικής διακριτικής ανάλυσης 30 μέτρων προέκυψε με τη μέθοδο ψηφιδοποίησης TIN.

Συνολικά 34 δειγματοληπτικές επιφάνειες εγκαταστάθηκαν με στρωματωποιημένη τυχαία δειγματοληψία για τη μέτρηση των πρωτογενών δασικών παραμέτρων βάση των οποίων εκτιμήθηκαν και οι υπόλοιπες. Στις δειγματοληπτικές επιφάνειες μετρήθηκαν αρχικά ο αριθμός των κορμών, η στηθιαία διάμετρος και το ύψος των δένδρων και στη συνέχεια εκτιμήθηκαν ο ξυλώδης όγκος (με τη χρήση εμπειρικών εξισώσεων, καθώς δεν υπάρχουν μαζοπίνακες), η κυκλική επιφάνεια και η βιομάζα με τη χρήση αλλομετρικών εξισώσεων. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται κάποια περιγραφικά στατιστικά μεγέθη των δασικών παραμέτρων.

Πίνακας 1: Δασικές παράμετροι που μετρήθηκαν και εκτιμήθηκαν στις δειγματοληπτικές επιφάνειες

Κατά το στάδιο της προεπεξεργασίας η δορυφορική εικόνα του LANDSAT διορθώθηκε ραδιομετρικά και γεωμετρικά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε τοπογραφική ομαλοποίηση της εικόνας. Αξιολογήθηκαν δύο μέθοδοι: η διόρθωση του ημίτονου και η C-διόρθωση (ημι-εμπειρική μέθοδος) . Η διόρθωση του ημίτονου είναι μια αυστηρά τριγωνομετρική προσέγγιση, βασισμένη στην υπόθεση ότι τα αντικείμενα παρουσιάζουν φασματική συμπεριφορά σύμφωνα με το νόμο του Lambertian (δηλ. ομοιόμορφη αντανάκλαση τις προσπίπτουσας ακτινοβολίας προς όλες τις κατευθύνσεις), αδιαφορώντας για την επίδραση της ατμόσφαιρας.

Η ομαλοποιημένη εικόνα αξιολογήθηκε τόσο οπτικά όσο και στατιστικά, ενώ στη συνέχεια ταξινομήθηκαν η αρχική και η ομαλοποιημένη εικόνα για την επιπρόσθετη αξιολόγησή τους. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν διάφοροι πολυφασματικοί μετασχηματισμοί και δείκτες βλάστησης,. Τα μετασχηματισμένα συνθετικά κανάλια ενισχύουν χαρακτηριστικά που δεν είναι ευδιάκριτα στην αρχική εικόνα, διατηρούν σημαντικό ποσό της αρχικής πληροφορίας σε λιγότερες διαστάσεις, συσχετίζονται περισσότερο με ενδογενείς παράγοντες των οικοσυστημάτων και βελτιώνουν την ακρίβεια της ταξινόμησης Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι μη τυποποιημένες κύριες συνιστώσες, η συνιστώσα Greeness του μετασχηματισμού Τasseled Cap και κάποιοι δείκτες βλάστησης (PVI, TSAVI, NDVI, RVI).

Στη συνέχεια, για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση της ομαλοποιημένης εικόνας εφαρμόστηκαν δυο διαφορετικοί αλγόριθμοι. Ο αλγόριθμος της μεγίστης πιθανοφάνειας, και οι συντελεστές γραμμικής διακριτικής συνάρτησης του Fisher.

Τέλος δοκιμάστηκαν διάφοροι συνδυασμοί των αρχικών καναλιών της τοπογραφικά ομαλοποιημένης εικόνας καθώς και συνδυασμοί πολυφασματικών μετασχηματισμών των αρχικών διαύλων για την εκτίμηση των δασικών παραμέτρων. Επιλέχτηκε η ανάλυση της παλινδρόμησης αντί διαφόρων αλγορίθμων ταξινόμησης και δεικτών γειτνίασης διότι είναι μια τεχνική η οποία εκμεταλλεύεται το σύνολο της πληροφορίας η οποία παρέχεται από μια συνεχή μεταβλητή (όπως είναι συνήθως οι δασικές παράμετροι).

Αποτελέσματα-Συζήτηση

Η επιλογή των δειγματοληπτικών σημείων για την τοπογραφική ομαλοποίηση έγινε σε περιοχές που καλύπτονται από Pinus halepensis, καθώς αυτή η κατηγορία είναι η κυρίαρχη στην περιοχή μελέτης. Επίσης, δόθηκε ιδιαίτερη σημασία ώστε τα σημεία να βρίσκονται σε περιοχή με τοπογραφική μεταβλητότητα με τη κατάλληλη ζωνοποίηση της περιοχής. Τελικά επιλέχτηκαν 198 σημεία χρησιμοποιώντας τη δορυφορική εικόνα IKONOS, για τα οποία μετρήθηκαν οι ψηφιακές τιμές (DN) σε κάθε δίαυλο του θεματικού χαρτογράφου, και οι τιμές φωτεινότητας τους (cos(i)-illumination). Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν γραμμικά μοντέλα παλινδρόμησης τα οποία παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 ενώ προσδιορίσθηκαν οι συντελεστές c (Πίνακας 2), για κάθε δίαυλο, βάση της σταθεράς και του συντελεστή παλινδρόμησης για κάθε κανάλι.

Πίνακας 2: Συντελεστές συσχέτισης μεταξύ των ψηφιακών τιμών και της φωτεινότητας πριν και μετά την τοπογραφική διόρθωση καθώς και οι υπολογισθείσες τιμές του παράγοντα c

Σε πρώτη φάση πραγματοποιήθηκε οπτική αξιολόγηση της τοπογραφικής ομαλοποίησης. Διαπιστώθηκε ότι η εφαρμογή της διόρθωσης του συνημίτονου προκάλεσε έντονη φασματική διαφοροποίηση των δεδομένων σε κορυφογραμμές και ανεπαρκή διόρθωση σε περιοχές έντονα σκιαζόμενες. Αυτό συνέβη διότι η μέθοδος θεωρεί ότι η μόνη ακτινοβολία που υπάρχει είναι η άμεση ακτινοβολία που αντανακλάται από την επιφάνεια του εδάφους. Παράλληλα, όπως παρατηρείται και από τον Πίνακα 2, ότι η διόρθωση με την ημιεμπειρική μέθοδο μείωσε πολύ αποτελεσματικότερα τις αρχικές συσχετίσεις Τέλος όπως παρατηρείται και στον Πίνακα 3, ο λόγος της διακύμανσης των ραδιομετρικών τιμών για τέσσερις αγροτικές περιοχές χωρίς βλάστηση, μετά και πριν την διόρθωση, κυμαίνεται κάτω του 0.5 για την ημιεμπειρική μέθοδο σε όλους τους διαύλους του θεματικού χαρτογράφου, το οποίο επιβεβαιώνει την αποτελεσματικότερη τοπογραφική ομαλοποίηση της εικόνας.

Πίνακας 3: Επίδραση της τοπογραφικής ομαλοποίησης στις τιμές της εικόνας με την εμπειρική (γκρι κελιά) και τη μέθοδο του συνημίτονου (λευκά κελιά)

Για τον υπολογισμό του δείκτη PVI αλλά και του δείκτη TSAVI επιλέχτηκαν περιοχές στη δορυφορική εικόνα που αντιστοιχούν σε γυμνό έδαφος με διαφορετικές όμως τιμές αντανάκλασης (λόγω εδάφους). Για τις περιοχές αυτές εκτιμήθηκε η καλύτερη δυνατή γραμμή προσαρμογής (Σχήμα 2) των δεδομένων στο φασματικό χώρο που ορίζεται από τους διαύλους ΤΜ4 και ΤΜ3 (μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων).

Σχήμα 2: Υπολογισμός της γραμμής εδάφους, χρησιμοποιώντας περιοχές με γυμνό έδαφος

Για την αξιολόγηση των φασματικών υπογραφών χρησιμοποιήθηκαν ο στατιστικός δείκτης διακριτότητας Jeffries-Μatusitsa (J-M). Η εκτίμηση της ακρίβειας της ταξινόμησης, βασίστηκε σε 205, τυχαία επιλεγμένα σημεία, ενώ για τον προσδιορισμό της τάξης στην οποία ανήκουν, χρησιμοποιήθηκε η δορυφορική εικόνα IKONOS. Τα συνοπτικά αποτελέσματα ελέγχου της ακρίβειας ταξινόμησης παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. Ο στατιστικός έλεγχος της σημαντικότητας πραγματοποιήθηκε με το συντελεστή συμφωνίας Kappa. Όπως παρατηρείται από τον Πίνακα 4 και τη σύγκριση της συνολικής αλλά και των άλλων μέτρων της ακρίβειας, η τοπογραφική ομαλοποίηση βελτίωσε την ακρίβεια ταξινόμησης το οποίο οφείλεται στις λιγότερες στατιστικές παραδοχές που απαιτεί η μέθοδος.

Πίνακας 4: Μήτρα σημαντικότητας για την αρχική και την τοπογραφικά ομαλοποιημένη εικόνα με τη χρήση του αλγόριθμου της μέγιστης πιθανοφάνειας.και των συντελεστών του Fisher

Γενικά ο μικρός αριθμός των δειγματοληπτικών επιφανειών δεν επέτρεψε την ανάπτυξη μοντέλων με αυξημένο επίπεδο σημαντικότητας. Διαπιστώνεται ότι για την πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση τα καλύτερα αποτελέσματα αφορούν την κυκλική επιφάνεια, η οποία όμως αν και ιδιαίτερα για τον συνδυασμό ΤΜ2, ΤΜ3, ΤΜ4, κυμαίνεται σε επίπεδα σημαντικότητας 0.01, ο συντελεστής R2adj είναι σχετικά χαμηλός (0,242) δείχνοντας ότι μόνο 24.2% της μεταβολής των τιμών της κυκλικής επιφάνειας, μπορεί να ερμηνευτεί από τις μεταβολές των ανεξάρτητων μεταβλητών που συμμετέχουν στην εξίσωση παλινδρόμησης (Πίνακας 5).

Πίνακας 5: Αποτελέσματα πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης

Αναφορικά με τα μοντέλα της απλής γραμμικής παλινδρόμησης ο δίαυλος που ήταν καλύτερα συσχετισμένος από όλους τους υπόλοιπους, ήταν ο ΤΜ4. Αντίθετα περισσότερο θετικά ήταν τα αποτελέσματα για τους περισσότερους δείκτες βλάστησης και για τη δεύτερη κύρια συνιστώσα. Ιδιαίτερα για την εκτίμηση του ξυλώδους όγκου, η συσχέτιση μεταξύ του δείκτη PVI αλλά και της δεύτερης κύριας συνιστώσας, ήταν υψηλή σε επίπεδο στατιστικής σημαντικότητας 0.01 (Πίνακας 6).

Πίνακας 6: Αποτελέσματα απλής γραμμικής παλινδρόμησης

Συμπεράσματα

Η τοπογραφική ομαλοποίηση που πραγματοποιήθηκε στη δορυφορική εικόνα LANDSAT-5, ήταν επιτυχημένη και αναγκαία, εξαιτίας του έντονου ανάγλυφου της περιοχής μελέτης. Επίσης η ταξινόμηση που πραγματοποιήθηκε με τη χρήση των συντελεστών διακριτικής συνάρτησης του Fisher, βελτίωσε τη συνολική ακρίβεια ταξινόμησης όπως διαπιστώθηκε με τα σχετικά στατιστικά μέτρα. Το γεγονός αυτό οφείλεται μάλλον στο ότι η μέθοδος αυτή της ταξινόμησης δεν προϋποθέτει, οι τάξεις τις οποίες προσπαθεί να διαχωρίσει, να ακολουθούν την κανονική κατανομή, κάτι που σπάνια άλλωστε συμβαίνει στην πραγματικότητα.

Σχήμα 3: Εύρος των ψηφιακών τιμών των εικονοστοιχείων, τα οποία αντιστοιχούν σε περιοχές καλυπτόμενες από χαλέπιο πεύκη. Διακρίνονται οι μέγιστες και οι ελάχιστες τιμές, καθώς και οι μέσες τιμές

Παρά το γεγονός ότι σε κάποια μοντέλα (π.χ. κυκλική επιφάνεια), η συσχέτιση κυμάνθηκε σε ικανοποιητικά επίπεδα, ένα μεγάλο ποσό της διακύμανσης των εξαρτημένων μεταβλητών, έμεινε ανεξήγητο από τα μοντέλα της παλινδρόμησης. Όπως μπορεί να διαπιστωθεί σε όλους τους διαύλους πλην των ΤΜ4-5, το εύρος των τιμών είναι ιδιαίτερα μικρό.

Εντύπωση προκάλεσε το γεγονός, ότι ο δίαυλος ΤΜ5, δεν παρουσίασε αρνητική συσχέτιση, γεγονός όμως που ίσως εξηγείται από το στοιχείο ότι οι παράγοντες που ασκούν τη μεγαλύτερη επίδραση στις τιμές φωτεινότητας που καταγράφει ο φασματικός δίαυλος ΤΜ5, είναι οι σκιές και η περιεχόμενη στην κομοστέγη υγρασία (Horler and Ahern, 1986); ιδιαίτερα ο πρώτος παράγοντας στην περιοχή μελέτης παρουσίαζε πολύ μεγάλη μεταβλητότητα Παρόμοια προβλήματα εντοπίζονται και σε άλλες εργασίες (Danson and Curran, 1991; Trotter et al., 1997; Salvador and Pons, 1998), με διαφορετικά δασικά είδη. Επίσης το γεγονός ότι παρόμοιες ερευνητικές εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί σε ομοιόμορφα βόρεια δάση και σε φυτείες κωνοφόρων (Spanner et al.,1990; Ripple et al.,1991; Ardo, 1992; Duncan et al., 1993; Ekstrand, 1994; Trotter et al., 1997), είχαν μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης επιβεβαιώνει την επίδραση της μέτριας χωρικής διακριτότητας σε συνδυασμό με την αυξημένη ετερογένεια.

Τέλος περιοριστικό παράγοντα για τη δημιουργία αξιόπιστων μοντέλων εκτίμησης των δασικών παραμέτρων, πιθανότατα αποτελεί και ο τρόπος που καταγράφεται η ραδιομετρική πληροφορία από τον δέκτη (Rees, 1990; Salvador and Pons, 1998), καθώς επηρεάζει το διαθέσιμο εύρος για την καταγραφή των δασικών εκτάσεων (Σχήμα 3), εκ των ψηφιακών τιμών του θεματικού χαρτογράφου (0-255).

Πηγή: Μαλλίνης Γ., Κούτσιας Ν., Μάκρας Α., Καρτέρης Μ. (2007). Αξιολόγηση της θεματικής πληροφορίας των διαύλων του LANDSAT-5 ΤΜ για την εκτίμηση παραμέτρων των δασικών συστάδων στη Χερσόνησο της Κασσάνδρας.