Δέκα χρόνια μετά τον τυφώνα Κατρίνα: Παρακολούθηση της ανάκαμψης στη Νέα Ορλεάνη και των γύρω περιοχές μέσω Τηλεπισκόπησης.

Από RemoteSensing Wiki

Δέκα χρόνια μετά τον τυφώνα Κατρίνα: Παρακολούθηση της ανάκαμψης στη Νέα Ορλεάνη και των γύρω περιοχές μέσω Τηλεπισκόπησης

Πρωτότυπος τίτλος: Ten years after Hurricane Katrina: monitoring recovery in New Orleans and the surrounding areas using remote sensing

Συγγραφείς: Xuecao Li, Le Yu , Yidi Xu, Jun Yang, Peng Gong

Πηγή: Science China Press and Springer, September 2016

Λέξεις κλειδιά: Τυφώνας Katrina, Landsat, MODIS, Τηλεπισκόπηση, Νέα Ορλεάνη

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η διαχρονική παρακολούθηση της αποκατάστασης μιας περιοχή μετά από την πρόκληση φυσικής καταστροφής και ο προσδιορισμός των χωρικών και ποιοτικών αλλαγών. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι η Τηλεπισκόπηση είναι ένα σημαντικό εργαλείο τόσο για την πρόληψη μιας περιοχής πριν τον κίνδυνο και την αντιμετώπιση οποιασδήποτε έκτακτης ανάγκης όσο και για την παρακολούθηση της διαδικασίας ανάκτησης μετά από αυτόν.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η αξιοποίηση της Τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό των χωρικών και χρονικών αλλαγών που σημειώθηκαν στη Νέα Ορλεάνη και στις γύρω περιοχές μετά το πέρας 10 χρόνων από τον τυφώνα Katrina προκειμένου να προσδιοριστεί η διαδικασία της αποκατάστασης. Η εκτίμηση των προβλημάτων και των αλλαγών που επέφερε στις περιοχές που έπληξε ο τυφώνας παίζει καθοριστικό ρόλο στη σωστή διατύπωση στρατηγικών διαχείρισης και προστασίας. Ο τυφώνας Katrina προκάλεσε σοβαρές ζημίες στο περιβάλλον, την κοινωνία και την οικονομία των νότιων Ηνωμένων Πολιτείων το 2005 και εξακολουθεί να επηρεάζει τη ζωή των ανθρώπων σε κάποιο βαθμό ακόμα και τώρα. Γι’ αυτό το λόγο αποτελεί βιοτική σημασία η παρακολούθηση της ανάκαμψης αυτών των περιοχών τόσο για αυτές όσο και για τη γενικότερη προετοιμασία σε αντίστοιχα φαινόμενα.

Εικόνα 1. Οι περιοχές που πλήχθηκαν από τον τυφώνα Katrina.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιοχή Μελέτης

Η περιοχή μελέτης στη συγκεκριμένη έρευνα καλύπτει ολόκληρη την περιοχή που έπληξε ο τυφώνας Katrina τον Αύγουστο του 2005. Συγκεκριμένα, ο τυφώνας χτύπησε τις πολιτείες της Λουϊζιάνας, του Μισισιπή, της Φλόριντας, της Γεωργίας και της Αλαμπάμα μέχρι και τις 31 Αυγούστου. Η πόλη της Νέας Ορλεάνης, Λουιζιάνα, υπέστη τις μεγαλύτερες ζημιές στην πληγείσα περιοχή. Στις 29 Αυγούστου 2015, ο τυφώνας Katrina έφτασε στη νοτιοανατολική Λουιζιάνα και στη συνέχεια πέρασε από την ανατολική πλευρά της Νέας Ορλεάνης. Η καταιγίδα και οι πλημμύρες που προκλήθηκαν από τον τυφώνα κατέστρεψαν το φράγμα του ποταμού Μισισιπή και της λίμνης Pontchartrain με αποτέλεσμα να βυθιστεί πάνω από το 80% της περιοχής της Νέας Ορλεάνης. Αυτό προκάλεσε τεράστιες ζημιές σε δημοτικές εγκαταστάσεις όπως τις εγκαταστάσεις της ηλεκτρικής ενέργειας και τα δίκτυα επικοινωνιών.

Δεδομένα

Για τη μελέτη της αποκατάστασης των πληγέντων περιοχών από τον τυφώνα χρησιμοποιήθηκα δορυφορικά δεδομένα διαφορετικών πηγών και αναλύσεων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τα εξής δεδομένα:

1. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ MODIS: Τα δορυφορικά δεδομένα MODIS συλλέχθηκαν από την ιστοσελίδα της Αμερικάνικης Γεωλογικής Υπηρεσίας [2]. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν πολυφασματικά δεδομένα MODIS13Q1, τα οποία έχουν χωρική ανάλυση 250m και συλλέγονται από το δορυφόρο κάθε 16 μέρες. Ολόκληρη η περιοχή μελέτης αναπαρίστανται σε δύο πλακάκια MODIS (h10v05 και h10v06). Τα εικονοστοιχεία χαμηλής ποιότητας που καλύφθηκαν από σύννεφα δεν χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση. Αυτά τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για την αξιολόγηση της κατάστασης της βλάστησης.

2. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ LANDSAT: Τα δορυφορικά δεδομένα Landsat συλλέχθηκαν και αυτά από την ιστοσελίδα της Αμερικάνικης Γεωλογικής Υπηρεσίας [3]. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν πολυφασματικές εικόνες με κάλυψη σύννεφων λιγότερα από 5 %. Λόγω της έλλειψης καθαρών ατμοσφαιρικά εικόνων για του μήνες ενδιαφέροντος χρησιμοποιήθηκαν τρείς μόνο διαφορετικές εικόνες, που ήταν οι εξής:

• Πολυφασματική εικόνα στις 22 Αυγούστου 2005 (πριν τον τυφώνα)

• Πολυφασματική εικόνα στις 7 Σεπτεμβρίου 2005 (αμέσως μετά τον τυφώνα)

• Πολυφασματική εικόνα στις 19 Σεπτεμβρίου 2015 (δέκα χρόνια μετά τον τυφώνα)

3. ΕΙΚΟΝΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν εικόνες υψηλής ανάλυσης (δηλαδή καλύτερη από ανάλυση 1m) που προήρθαν από το Google Earth. Επιλέχθηκαν εικόνες σε πολλαπλές ημερομηνίες για να υπάρχει δυνατότητα ελέγχου των αλλαγών σε συγκεκριμένες περιοχές που καταστράφηκαν από τον τυφώνα. Συνολικά, συλλέχθηκαν 23 εικόνες υψηλής ανάλυσης, από τις 12 Ιουλίου 2005 έως τις 26 Αυγούστου 2015.

ΜΕΘΟΔΟΙ

Με βάση τις ιδιότητες των διαφόρων εικόνων υιοθετήθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές για να καταγραφούν οι αλλαγές στην επιφάνεια της Γης και να κατανοηθούν καλύτερα οι σχέσεις και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανθρώπινων και φυσικών συστημάτων.

Αλλαγή Βλάστησης

Για την εκτίμηση των αλλαγών στη βλάστηση χρησιμοποιείται κυρίως ο δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Επειδή όμως για την περιοχή υπήρχαν εικόνες κάθε 16 ημέρες που δίνουν τη δυνατότητα για μακρά διαδοχική καταγραφή της δυναμικής της βλάστησης, στην εργασία χρησιμοποιήθηκε ο ποσοτικός προσδιορισμός της αλλαγής του NDVI. Ο τύπος υπολογισμούς του είναι:

Όπου, n είναι ο αριθμός των συνολικών παρατηρήσεων για ένα έτος (23 για τα δεδομένα MODIS), ndvii και NDVImean είναι ο NDVI που παρατηρήθηκε το χρόνο i και ο ετήσιος μέσος όρος αντίστοιχα. Για τις περιοχές με βλάστηση, η τιμή του είναι σχετικά υψηλότερη σε σύγκριση με άλλους τύπους κάλυψης γης (π.χ. αδιαπέραστες επιφάνειες ή γυμνά εδάφη) λόγω φαινολογικών αλλαγών. Η επιρροή του τυφώνα Katrina, που είχε ως αποτέλεσμα την καταστροφή και την πλημμυρισμένη βλάστηση, θα μεγεθύνει τη μέση ανωμαλία της βλάστησης, ιδιαίτερα σε σύγκριση με άλλα χρόνια. Το μέσο NDVI είναι μια καλή ένδειξη της αλλαγής της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Αλλαγή του Φορέα Ανάλυσης

Για τον εντοπισμό των αλλαγών χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της αλλαγή του φορέα ανάλυσης. Αυτό γίνεται όταν υπάρχουν δύο εικόνες διαφορετικών ημερομηνιών και μπορεί να υπολογιστεί η αλλαγή για κάθε εικονοστοιχείο. Ο υπολογισμός αυτός γίνεται από τον γνωστό τύπο και δηλώνει την πιθανότητα αλλαγής. Όσο μεγαλύτερη τιμή λαμβάνει το διάνυσμα, τόσο μεγαλύτερη πιθανότητα δίνεται να έχει υπάρξει αλλαγή. Για τη συγκεκριμένη περιοχή υπολογίστηκε το διάνυσμα της αλλαγής του φορέα αφού πρώτα εφαρμόστηκε ένας μετασχηματισμός Tasselled Cap λόγω των διαφορετικών φασματικών βαθών των εικόνων του landsat.

Οπτική Ερμηνεία

Στις εικόνες υψηλής ανάλυσης πραγματοποιήθηκε μόνο οπτική ερμηνεία καθώς ήταν αδύνατο να ληφθεί η ραδιομετρική τους ανάκλαση ή άλλοι παράμετροι. Η οπτική ερμηνεία έγινε σύμφωνα με κάποια χαρακτηριστικά της εικόνας όπως το χρώμα, η υφή, το σχήμα και το μέγεθος.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Αποτελέσματα από τα δεδομένα MODIS

Για την αξιολόγηση της βλάστησης χρησιμοποιήθηκαν τρία ζεύγη εικόνων: (α) 2000-2004, πριν το τυφώνα, (β)2005, λίγο μετά τον τυφώνα και (γ) 2014. Από αυτή τη σύγκριση προέκυψαν τα εξής συμπεράσματα: Πρώτον, ο δείκτης NDVI μειώθηκε συνολικά κατά 0,027 μετά τον τυφώνα Katrina στην ξηρά περιοχή της Λουϊζιάνας. Δεύτερον, ο δείκτης NDVΙ των περισσότερων (79,39%) εικονοστοιχείων που εντοπίστηκαν κατά μήκος της ακτογραμμής και δίπλα στη διαδρομή του τυφώνα μειώθηκε επίσης μετά τον τυφώνα. Τρίτον, ο δείκτης NDVΙ για το έτος 2014 αυξήθηκε κατά 0,013 από το 2005 και τα εικονοστοιχεία της βλάστησης στην εικόνα καταλάμβαναν το 59,71%. Τέταρτον, αν και η περιοχή βελτιώθηκε από το 2005 δεν έφτασε τα επίπεδα βλάστησης του 2000-2004 καθώς ο NDVI ήταν μικρότερος. Πέμπτον, οι ζημίες που προκάλεσε ο τυφώνας δεν έχουν αποκατασταθεί τελείως.

Εικόνα 2. Οι Μεταβολές του NDVI στις τρείς χρονολογίες μελέτης.

Από τη σύγκριση των δεδομένων που τραβήχτηκαν πολύ κοντά στην ημερομηνία του τυφώνα προέκυψαν κάποια επιπλέον συμπεράσματα που είναι τα παρακάτω: Αρχικά, οι αποκρίσεις της βλάστησης και του νερού ήταν διαφορετικές μετά την περάτωση του τυφώνα. Δεύτερον, οι τιμές του NDVI πριν το τυφώνα ήταν υψηλές ενώ μειώθηκαν όταν έφτασε ο τυφώνας και παρέμειναν σε χαμηλές τιμές τις επόμενες μέρες. Τρίτον, οι ζημίες στη βλάστηση δεν ανακάμφθηκαν μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τέταρτον, ο δείκτης NDWI την ημέρα της έκρηξης του τυφώνα αυξήθηκε και μετά από αυτόν παρέμεινε σε σταθερό επίπεδο. Τέλος, τον επόμενο μήνα από το γεγονός ο NDWI ανέπτυξε φθίνουσα πορεία και η βλάστηση άρχισε να ανακάμπτει με πιο γρήγορο ρυθμό.

Εικόνα 3. Αλλαγές στους δείκτες NDVI και NDWI λίγες μέρες πριν και μετά τον τυφώνα.

Για τη μακροπρόθεσμη αξιολόγηση της βλάστησης χρησιμοποιήθηκαν δύο περιοχές, μια αστική και μια δασική περιοχή. Από αυτές τις περιοχές έγινε ξεκάθαρο ότι η ανωμαλία της βλάστησης του 2005 ήταν η υψηλότερη από τα υπόλοιπα έτη όπως επίσης ότι το ελάχιστο NDVI συνέβη το 2006, γεγονός που δικαιολογείται από την πιθανή επίδραση του τυφώνα Katrina. Το διάστημα 2005- 2006 μπορεί να θεωρηθεί ως τα έτη που επηρεάστηκαν άμεσα. Η περίοδος από το 2007 έως το 2014 μπορεί να θεωρηθεί ως η αρχή της διαδικασίας ανάκτησης, με τη μέση τιμή του NDVI να αυξάνεται ελαφρώς καθώς ανακτάται η βλάστηση.

Εικόνα 4. Μέση ανωμαλία και μεταβολή του NDVI από το έτος 2000 έως το 2014. (a), (b) Η συνεχής μεταβολή του μέσου όρου και της ανωμαλίας των ετήσιων NDVI για τις δύο τοποθεσίες. (c) οι χωρικές θέσεις των επιλεχθέντων περιοχών. (d), (e) οι θέσεις των περιοχων από το Google Earth

Αποτελέσματα από τα δεδομένα Landsat

Για την αξιολόγηση της επιφάνειας εξετάστηκαν τρεις εικόνες που κατέγραφαν την επιφάνεια της περιοχής για τις 22 Αυγούστου 2005 (7 ημέρες πριν τον τυφώνα, καμία πλημμύρα), τις 7 Σεπτεμβρίου 2005 (9 ημέρες μετά τον τυφώνα, πλημμύρες που εξακολουθούν να υπάρχουν) και τις 19 Σεπτεμβρίου 2015 (με κάλυψη σύννεφων μικρότερη από 10%). Οι εκτεταμένες πλημμύρες στη Νέα Ορλεάνη ήταν ορατές στις 7 Σεπτεμβρίου 2005, που προκλήθηκαν κυρίως από τον τυφώνα. Οι εικόνες που αποκτήθηκαν στις 22 Αυγούστου 2005 (πριν από την Κατρίνα) και στις 19 Σεπτεμβρίου 2015 (μετά την ανάκαμψη,) ήταν παρόμοιες όσον αφορά την οπτική ερμηνεία. Μετά την επεξεργασία της γεωμετρικής εγγραφής, της ραδιομετρικής και ατμοσφαιρικής διόρθωσης έγινε μια ανάλυση ανίχνευσης αλλαγών για αυτές τις δύο εικόνες. Έτσι, παρατηρήθηκε ότι οι ζημίες δεν έχουν αποκατασταθεί άλλα έχουν εγκατασταθεί ήδη νέες υποδομές για την προστασία σε παρόμοια φαινόμενα.

Εικόνα 5. Οι δορυφορικές εικόνες Landsat και οι αλλαγές στη Νέα Ορλεάνη πριν και μετά τον τυφώνα Katrina. (a) εικόνα Landsat TM στις 22 Αυγούστου 2005, (b) εικόνα Landsat TM στις 7 Σεπτεμβρίου 2005, (c) εικόνα Landsat TM στις 19 Σεπτεμβρίου 2015, (d) ανίχνευση αλλαγής χρησιμοποιώντας τις εικόνες (b) και (a), (e) ανίχνευση αλλαγής χρησιμοποιώντας τις εικόνες (c) και (a), (f) μια διευρυμένη τοπική άποψη των καναλιών και (g) τα ιστογράμματα των (d) και (e).

Αποτελέσματα από τις εικόνες υψηλής ανάλυσης

Από τις εικόνες υψηλής ανάλυσης προέκυψαν τα συμπεράσματα ότι στην περιοχή δημιουργήθηκαν πολλές υποδομές για την προστασία φυσικών κινδύνων μετά το πέρασμα του τυφώνα Katrina.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη αυτή εξέτασε τη σημασία της ενσωμάτωσης της Τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση των αλλαγών που έχουν συμβεί στην περιοχή που έπληξε ο τυφώνας Katrina το 2005. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα οι μεταβολές αυτές είναι αρκετά έντονες τα τελευταία 10 χρόνια χωρίς βέβαια να υπάρχει απόλυτη ανάκαμψη. Αναλυτικότερα, η βλάστηση πλήγηκε σε μεγάλο βαθμό με το πέρασμα του τυφώνα και η αποκατάσταση της άρχισε μετά από ένα χρονικό διάστημα. Επιπλέον, τα μέτρα προστασίας καταστράφηκαν ολοσχερώς. Το πιο βασικό και ενδιαφέρον συμπέρασμα αυτής της έρευνας είναι ότι στις περιοχές αναπτύχθηκαν άμεσα νέα μέτρα προστασίας φυσικών κινδύνων.