Αυτοματοποιημένη Aνίχνευση και Xαρτογράφηση Eναποθέσεων Xιονοστιβάδας με Xρήση Aεροφωτογραφιών.

Από RemoteSensing Wiki

Αυτοματοποιημένη Aνίχνευση και Xαρτογράφηση Eναποθέσεων Xιονοστιβάδας με Xρήση Aεροφωτογραφιών.

Πρωτότυπος τίτλος: Automated detection and mapping of avalanche deposits using airborne optical remote sensing data

Συγγραφείς: Y.Bühlera, A.Hünia, M.Christenb, R.Meisterb, T.Kellenbergera

Δημοσιεύθηκε: Cold Regions Science and Technology Volume 57, Issues 2–3, July 2009, Pages 99-106

Εισαγωγή

Οι χιονοστιβάδες είναι φυσικές διαδικασίες κατά τις οποίες εναποθετημένο χιόνι μετατοπίζεται σε πιο σταθερές θέσεις. Κατά τις χειμερινές σεζόν του 96/97 και 05/06, 1020 άτομα έχασαν τη ζωή τους στις Ευρωπαϊκές Άλπεις από χιονοστιβάδες. Η δραστηριότητα των χιονοστιβάδων κατά κύριο λόγο αυξάνεται με το υψόμετρο κυρίως λόγω της αυξημένης χιονόπτωσης καθώς και των ακραίων καιρικών φαινομένων. Η ανάπτυξη συστημάτων πληροφόρησης σχετικά με τους συνεχώς μεταβαλλόμενους φυσικούς κινδύνους είναι απαραίτητη λόγω της έντονης τουριστικής ανάπτυξης των περιοχών των Άλπεων. Η πρόβλεψη και προσομοίωση των χιονοστιβάδων είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο λόγω της έντονης χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας των ιδιοτήτων του συσσωρευμένου χιονιού και των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων των στρωμάτων κατά την χιονοκάλυψη αλλά και κατά τη ροή της χιονοστιβάδας. Σήμερα, μια σειρά τεχνικών μέτρων όπως η κατασκευή έργων προστασίας από χιονοστιβάδες καθώς και η διατήρηση προστατευτικών δασών παρέχουν αυξημένη προστασία σε υποδομές και οικιστικές περιοχές των Άλπεων. Χάρτες επικινδυνότητας, εξειδικευμένη γνώση και τοπογραφικοί χάρτες αναπτύσσονται συνεχώς με σκοπό την αποφυγή δημιουργίας οικισμών σε περιοχές υψηλού κινδύνου, καθώς και μοντέλα για την πρόβλεψη της ροής μιας χιονοστιβάδας και το σχεδιασμό προστατευτικών μέτρων. Μέχρι σήμερα, η ανίχνευση και χαρτογράφηση χιονοστιβάδων βασίζεται κυρίως σε μεμονωμένες παρατηρήσεις από ειδικούς σε συνθήκες πεδίου, με αποτέλεσμα το εύρος κάλυψης να είναι ιδιαίτερα μικρό και πολύ συχνά οι μοναδικές χιονοστιβάδες που χαρτογραφούνται να είναι αποκλειστικά αυτές που προκάλεσαν τις μεγαλύτερες καταστροφές. Μεγάλα τμήματα των Άλπεων είναι απροσπέλαστα σε ερευνητές, ειδικά υπό συνθήκες αυξημένου κινδύνου χιονοστιβάδας, με αποτέλεσμα την έλλειψη συστηματικής ανίχνευσης και χαρτογράφησης χιονοστιβάδων σε ευρεία κλίμακα. Τα όργανα τηλεπισκόπησης έχουν τη δυνατότητα να συλλέγουν δεδομένα μεγάλης έκτασης χωρίς τους περιορισμούς της επί τόπου πρόσβασης και τηλεπισκοπικές μέθοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την ανίχνευση και χαρτογράφηση φυσικών καταστροφών όπως κατολισθήσεις και πλημμύρες καθώς και για τη συλλογή δεδομένων για την ποιότητα του χιονιού. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια νέα αυτοματοποιημένη προσέγγιση στην ανίχνευση και χαρτογράφηση αποθέσεων χιονοστιβάδων σε ευρεία κλίμακα κάνοντας χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων.

Περιοχή μελέτης Davos, Ελβετία Η οροσειρά δυτικά του του Νταβός στο νοτιοανατολικό τμήμα των Ελβετικών Άλπεων είναι εύκολα προσβάσιμη λόγω των υποδομών του χιονοδρομικού κέντρου. Πολλά αυτοματοποιημένα μετεωρολογικά συστήματα είναι εγκατεστημένα στην περιοχή, η οποία έχει γίνει πολλές φορές επίκεντρο ερευνών σχετικά με το χιόνι και τις χιονοστιβάδες, δεδομένα που καθιστούν την περιοχή ιδανική για τις ανάγκες της μελέτης.

Τεχνολογία Αισθητήρα και συλλογή δεδομένων

Ο αισθητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι ένας ψηφιακός αερομεταφερόμενος αισθητήρας τύπου pushbroom ADS40-SH52, της εταιρίας Leica, ο οποίος έχει τη δυνατότητα καταγραφής εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης σε δυναμικό εύρος 12 bit σε 5 φασματικά κανάλια ταυτόχρονα σε 3 διαφορετικές γωνίες λήψης. Λόγω της υψηλής χωρικής και ραδιομετρικής ανάλυσης που διαθέτει, ο αισθητήρας μπορεί να καταγράψει μικρές μεταβολές στη χιονοκάλυψη ακόμα και σε περιοχές υπό σκιά. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν με τη χρήση ενός Pilatus Porter PC6 αεροσκάφους σε μια περιοχή έκτασης 6 επί 15 χιλιομέτρων, σε μέσο υψόμετρο 2000 μέτρων. Η περιοχή ήταν καλυμμένη από ασυνήθιστα μεγάλη ποσότητα χιονιού και οι επικρατούσες συνθήκες ευνοούσαν τη δημιουργία χιονοστιβάδων. Τα δεδομένα αρχικά προεπεξεργάστηκαν και προσαρμόστηκαν γεωμετρικά σε ανάλυση των 20 εκατοστών, η οποία στη συνέχεια μειώθηκε στο 1 μέτρο με σκοπό την επιτάχυνση της αναλυτικής διαδικασίας.

Μεθοδολογία

Η πιθανότητα εμφάνισης χιονοστιβάδας εξαρτάται από παραμέτρους σχετικές με το έδαφος, τη μετεωρολογία και τη συσσώρευση του χιονιού. Ακόμα και σε εξαιρετικά ορεινά εδάφη, υπάρχουν περιοχές όπου η εμφάνιση χιονοστιβάδας είναι απίθανη. Για τον περιορισμό της περιοχής μελέτης χρησιμοποιήθηκαν βοηθητικά δεδομένα κάνοντας χρήση του εργαλείου προσομοίωσης RAMMS (Rapid Mass Movements). Οι ζώνες δημιουργίας των χιονοστιβάδων εξάγονται αυτόματα από ψηφιακά υψομετρικά δεδομένα και γίνεται εκτίμηση των εν δυνάμει πληγέντων περιοχών, παράλληλα χρησιμοποιώντας καταγεγραμμένες περιπτώσεις χιονοστιβάδας στην Ελβετία. Έγινε εξαίρεση των περιοχών που δεν είναι επιρρεπής σε χιονοστιβάδες καθώς και περιοχές με κλίσεις άνω των 35ο καθώς είναι απίθανο η ροή μιας χιονοστιβάδας να σταματήσει υπό τέτοιες κλίσεις. Παράλληλα έγινε αποκλεισμός των περιοχών χωρίς χιονοκάλυψη. Οι λείες επιφάνειες χιονιού προκαλούν διαφορετική διάχυση του φωτός από τις τραχιές επιφάνειες των αποθέσεων μιας χιονοστιβάδας. Οι μεταβολές αυτές στην ανακλώμενη ακτινοβολία είναι εξαρτώμενες από τις συνθήκες φωτισμού και εκφράζονται μέσω της συνάρτησης BRDF (bidirectional reflectance distribution function). Έγινε υπολογισμός του δείκτη NDAI (normalized difference angle index), ο οποίος είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για το χαρακτηρισμό της τραχύτητας σε επιφάνειες χιονιού. Τα φασματικά χαρακτηριστικά των αποθέσεων χιονοστιβάδας και αυτά της αδιατάρακτης χιονοκάλυψης αναμένεται να έχουν πολλά κοινά καθώς αποτελούνται από το ίδιο υλικό, ωστόσο το ανθρώπινο μάτι έχει την ικανότητα να διακρίνει μεταξύ των δύο βάσει της διαφορετικής υφής τους. Κάνοντας χρήση του NDAI έγινε διαχωρισμός μεταξύ των διαφορετικών επιφανειών χιονοκάλυψης και χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης για τον διαχωρισμό μεταξύ αποθέσεων χιονοστιβάδας και άλλων στοιχείων που παρουσιάζουν αντίστοιχα τραχιές επιφάνειες.

Αποτελέσματα και Συμπεράσματα Η ποιοτική οπτική σύγκριση της ταξινόμησης με τα δεδομένα πλήρους ανάλυσης υποδεικνύει ένα πολύ καλό ποσοστό ακρίβειας ανίχνευσης και χαρτογράφησης, ακόμα και σε σκιασμένες περιοχές. Για την ποσοτικοποίηση της αξιοπιστίας της μεθόδου ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από επιτόπιες έρευνες σε 3 θέσεις, η οποία βρέθηκε να έχει ακρίβεια της τάξης του 87%, ικανοποιητική για τα δεδομένα της εφαρμογής. Ως βασικό μειονέκτημα της μεθόδου εντοπίζεται η εξάρτηση των οπτικών τηλεπισκοπικών οργάνων από τις καιρικές συνθήκες. Παρόλο που η συντριπτική πλειοψηφία των εναποθέσεων χιονοστιβάδων ανιχνεύτηκε και χαρτογραφήθηκε με επιτυχία, παρουσιάστηκαν κάποιοι περιορισμοί. Μεμονωμένα λάθη στην ταξινόμηση δεν είναι δυνατόν να εξαλειφθούν από τη διαδικασία. Τα βοηθητικά στοιχεία εισαγωγής βασίζονται εξ ολοκλήρου σε ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DEM), ανάλυσης 25 μέτρων, σε σύγκριση με την ανάλυση του 1 μέτρου της αεροφωτογραφίας. Η διαφορά αυτή ενδέχεται να προκαλέσει σφάλματα αποκλείοντας περιοχές στις οποίες θα μπορούσε να προκληθεί εναπόθεση από χιονοστιβάδα. Η προτεινόμενη μέθοδος ταξινόμησης, η οποία κάνει χρήση δεδομένων κατεύθυνσης υφής και φασματικών υπογραφών είναι κατάλληλη για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση της πλειοψηφίας των εναποθέσεων χιονοστιβάδας στην περιοχή μελέτης και αποτελεί μια ουσιώδη προσθήκη στις μεθόδους επιτόπιας έρευνας λόγω της ευρύτατης περιοχής κάλυψης.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]