Διερεύνηση της ακρίβειας των ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DEM)- Συγκριτική αξιολόγηση μεθόδων
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Διερεύνηση της ακρίβειας των ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DEM)- Συγκριτική αξιολόγηση μεθόδων
Συγγραφείς: Σ. Γιαννόπουλος, Χ. Χρηστίδης και Α. Λουκάς
Λέξεις Κλειδιά:Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους, Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), διερεύνηση ακρίβειας, λεκάνη απορροής Πορταϊκού Ποταμού
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στη συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιείται ο έλεγχος της αξιοπιστίας Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους (Ψ.Μ.Ε.) μορφής GRID, τα οποία έχουν προκύψει από: (α) με την ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών (β) και με τις δορυφορικές εικόνες ραντάρ SRTM. Η αξιολόγηση του Ψ.Μ.Ε. βασίστηκε στις ισοϋψείς καμπύλες του αναλογικού χάρτη, ενώ για τα όρια ανοχής του στατιστικού λάθους που μπορεί να έχει ένα Ψ.Μ.Ε. Για να θεωρείται αξιόπιστο ελήφθησαν υπόψη οι Οδηγίες Σύνταξης Μελετών Έργων Οδοποιίας (Ο.Σ.Μ.Ε.Ο.) της Εγνατίας Α.Ε., οι οποίες κρίθηκαν ως οι καταλληλότερες για την παρούσα εργασία, δεδομένου ότι, στο βαθμό που έχουμε γνώση, δεν υπάρχουν άλλες ειδικότερες οδηγίες για το σκοπό αυτό, τουλάχιστον στην Ελλάδα. Η εφαρμογή αυτή έλαβε μέρος στη λεκάνη απορροής του Πορταϊκού Ποταμού. Για την αξιολόγηση της ακρίβειας του Ψ.Μ.Ε. χρησιμοποιήθηκε το μέσο τετραγωνικό σφάλμα του υψομέτρου για ένα πλήθος 200 σημείων κατανεμημένων στην έκταση της λεκάνης απορροής.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Γενικά, με τον όρο Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους (Ψ.Μ.Ε.) (Digital Terrain Models (D.T.M.) )εννοείται η ψηφιακή περιγραφή του εδάφους, που βασίζεται σε μετρήσεις σημείων του και συνοδεύεται από ένα σύνολο κανόνων που επιτρέπουν να εξαχθεί επιπλέον πληροφορία. Σημειώνεται ότι το Ψ.Μ.Ε. μιας περιοχής περιέχει, επίσης, πληροφορίες για τα φυσικά και τεχνικά χαρακτηριστικά της.
Τα Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους αναπαριστούν το ανάγλυφο του εδάφους και αποτελούνται από σύνολο σημείων για τα οποία είναι γνωστές οι συντεταγμένες τους (x, y) και το υψόμετρό τους, z. Τα μοντέλα αυτά αποτελούν βασικά εργαλεία στις εφαρμογές των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Geografic Information Systems, G.I.S.) και μπορούν να έχουν τη μορφή. (α) Συνόλου ισοϋψών καμπύλων (Εικόνα 1α). (β) Συνόλου σημείων γνωστού υψομέτρου στις κορυφές τετραγωνικού ή άλλης μορφής κανονικού καννάβου (Digital Elevation Models, DEM ή GRID) (Εικόνα 1β). (γ) Συνόλου σημείων γνωστού υψομέτρου και τυχαίας κατανομής, που αποτελούν τις κορυφές δικτύου τριγωνικών επιφανειών με διαφορετικό μέγεθος, σχήμα και προσανατολισμό (Triangular Irregular Networks, TIN) (Εικόνα 1γ).
Επισημάνεται ότι για την ίδια ακρίβεια του Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους τα αρχεία μορφής TIN χρειάζονται πολύ χώρο αποθήκευσης στο σκληρό δίσκο του Η.Υ. απ’ ότι τα αντίστοιχα αρχεία μορφής DEM ή GRID. Αυτό οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο καταχωρούνται τα δεδομένα σε καθεμία περίπτωση. Συγκεκριμένα, στα αρχεία μορφής TIN για κάθε σημείο καταχωρούνται οι συντεταγμένες του x, y και το υψόμετρό του z, ενώ στα αρχεία μορφής DEM ή GRID ορίζεται το βήμα του καννάβου και καταχωρείται μόνο το υψόμετρο του σημείου.
Τα Ψ.Μ.Ε. λόγω της ευκολίας της εφαρμογής τους στους Η/Υ και της απλότητας τους αποτελούν και την πιο διαδεδομένη μορφή δεδομένων. Ωστόσο υπάρχουν τρία μειονεκτήματα, τα οποία είναι: (α) Το μέγεθος των κελιών του δικτύου, που επηρεάζει συχνά τις απαιτήσεις αποθήκευσης, την υπολογιστική απόδοση και την ποιότητα των αποτελεσμάτων. (β) Τα Ψ.Μ.Ε. τετραγωνικού καννάβου δεν μπορούν να περιγράψουν εύκολα απότομες αλλαγές των υψομέτρων και συχνά παραλείπουν σημαντικές λεπτομέρειες της επιφάνειας της γης σε επίπεδες περιοχές. (γ) Δυσκολίες στον καθορισμό με ακρίβεια των ορίων των λεκανών απορροής. Τα τελευταία πλέον χρόνια πολλά από αυτά τα μειονεκτήματα έχουν ξεπεραστεί, αφού για παράδειγμα, δεν υπάρχει κανένας ιδιαίτερος λόγος για τον οποίο τα Ψ.Μ.Ε. να μην μπορούν να αναπαραστήσουν την επιφάνεια του εδάφους πεδινών περιοχών, εφόσον ληφθεί υπόψη η επιφανειακή απορροή. Όμως, αν και τα Ψ.Μ.Ε. είναι μια από τις πιο σημαντικές χωρικές πηγές δεδομένων για τις ψηφιακές υδρολογικές αναλύσεις και η χρήση τους είναι πανταχού παρούσα στις υδρολογικές μελέτες, ωστόσο η αβεβαιότητα για την ψηφιακή αναπαράσταση του εδάφους σπάνια εξηγείται από τους χρήστες των Ψ.Μ.Ε. Συνεπώς, η αβεβαιότητα όσον αφορά στα Ψ.Μ.Ε. είναι πολύ σημαντική και πολύ σημαντικό θέμα από υδρολογικής απόψεως. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η αξιοπιστία των Ψηφιακών Μοντέλων
Εδάφους μορφής GRID, τα οποία έχουν προκύψει από: (α) την ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών και (β) εικόνων ραντάρ τύπου SRTM με σκοπό την περαιτέρω χρήση τους σε υδρολογικά ομοιώματα. Επίσης, γίνεται διερεύνηση των παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την ακρίβεια ενός Ψ.Μ.Ε., που είναι: (α) η πηγή από την οποία προέρχεται (τοπογραφικός χάρτης, εικόνες ραντάρ κ.λπ.) και (β) το μέγεθος του κελιού με το οποίο έγινε η δόμηση αυτού.
ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ
Η περιοχή που έγινε η μελέτη είναι η λεκάνη απορροής του Πορταϊκού ποταμού από τις πηγές του μέχρι τη φυσική του έξοδο στον οικισμό της Πύλης. Η λεκάνη απορροής του Πορταϊκού ποταμού ανήκει στο Υδατικό Διαμέρισμα 08, το οποίο συμπίπτει με το διοικητικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας, αναπτύσσεται στις ανατολικές παρειές της οροσειράς της Πίνδου και είναι η φυσική δίοδος προς τον κάμπο της Θεσσαλίας . Στην Εικόνα 2 απεικονίζονται το διοικητικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας και η περιοχή μελέτης.
ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ ΑΠΟ ΙΣΟΥΨΕΙΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ
Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία ήταν το ArcMap v. 9.2 της ESRI, το οποίο έχει τη δυνατότητα να δημιουργεί και να διαχειρίζεται Ψ.Μ.Ε. μορφής TIN και GRID. Στην παρούσα εργασία επειδή ήταν διαθέσιμοι τέσσερις (4) αναλογικοί χάρτες αναφοράς, κλίμακας 1:50.000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) δημιουργήθηκε το Ψ.Μ.Ε. μορφής Τ.Ι.Ν. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι : α. Γεωαναφορά χαρτών στο προβολικό σύστημα ΕΓΣΑ ’87 με τη βοήθεια της βασικής εφαρμογής ArcMap του ArcGIS της ESRI. β. Ψηφιοποίηση των κύριων ισοϋψών γραμμών που έχουν ισοδιάσταση 100 m και των δευτερευουσών που έχουν ισοδιάσταση 20 m και σχεδίαση των χαρακτηριστικών γραμμών αλλαγής κλίσης (breaklines), που στη συγκεκριμένη περίπτωση ήταν οι κλάδοι του υδρογραφικού δικτύου. Στις περιοχές με έντονο ανάγλυφο, όπως είναι π.χ. οι χαράδρες έγινε πύκνωση των υψομετρικών σημείων. Για την ψηφιοποίηση ελήφθη υπόψη η διακριτική ικανότητα του ανθρώπινου ματιού . Κατ’ αυτό τον τρόπο δημιουργήθηκε το Ψ.Μ.Ε. μορφής ΤΙΝ, το οποίο διορθώθηκε στις θέσεις των βυθίσεων (pits) και των οριζόντιων τριγώνων (flat triangles). γ. Δημιουργία Ψ.Μ.Ε. μορφής ΤΙΝ δ. Δημιουργία Ψ.Μ.Ε. μορφής GRID Στην Εικόνα 3 απεικονίζεται το Ψ.Μ.Ε. του Πορταϊκού ποταμού μορφής ΤΙΝ και στην Εικόνα 3 μορφής GRID.
ΨΗΦΙΑΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΔΑΦΟΥΣ ΑΠΟ ΑΡΧΕΙΑ SRTM
Το πρόγραμμα SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) ήταν μια κοινή προσπάθεια της NASA, του Κέντρου Αεροναυπηγικής της Γερμανίας (DLR) και της Ιταλικής Υπηρεσίας Διαστήματος (ASI) και αποσκοπούσε στη δημιουργία Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους της επιφάνειας του εδάφους που εκτείνεται μεταξύ 60° βόρειου γεωγραφικού πλάτους και 56° νότιου γεωγραφικού πλάτους δηλαδή περίπου 80% της επιφάνειας του εδάφους της Γης.
Για το σκοπό αυτό, το Φεβρουάριο του 2000, τοποθετήθηκαν σ’ ένα διαστημικό λεωφορείο συσκευές Radar με τις οποίες ελαμβάνοντο τοπογραφικά δεδομένα από την επιφάνεια της Γης και καταγραφόντουσαν με ασύρματη τεχνολογία.
Χρησιμοποιήθηκαν δύο κεραίες, από τις οποίες η κύρια ήταν τοποθετημένη στο κυρίως σκάφος και η άλλη στο τέλος μιας επέκτασης μήκους 60 m, από την αριστερή πλευρά του σκάφους. Για τη δημιουργία των τρισδιάστατων εικόνων χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα από τις δύο κεραίες, καθώς επίσης και μια τεχνική που ονομάζεται “interferometry”. ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΕΔΑΦΟΥΣ
Η ακρίβεια του Ψ.Μ.Ε. εξαρτάται βασικά από τη μορφολογία του εδάφους και περιγράφεται με στατιστικά κριτήρια, όπως για παράδειγμα η διαφορά μεταξύ πραγματικού υψομέτρου και του υπολογισμένου με τη βοήθεια του Ψ.Μ.Ε. Επιπλέον, η ακρίβεια του Ψ.Μ.Ε. εξαρτάται από τη διάταξη, την απόσταση και την πυκνότητα των υψομετρικών σημείων, το σχήμα του καννάβου και τέλος, το είδος και την κλίση του εδάφους.
Κατά την ψηφιακή δημιουργία των ισοϋψών καμπυλών πρέπει η απεικόνιση της ισοϋψούς να συμφωνεί με τις απαιτήσεις που προδιαγράφονται από τις Οδηγίες Σύνταξης Μελετών Έργων Οδοποιίας, Τοπογραφικές Μελέτες (Ο.Σ.Μ.Ε.Ο, 2002). Οι προδιαγραφές αυτές αφορούν μεν έργα οδοποιίας, όμως, θεωρούνται και για τη παρούσα εργασία ως οι καταλληλότερες, γιατί είναι οι πλέον σχετικές προδιαγραφές, εφόσον ισχύουν για τοπογραφικές μελέτες, αφορούν στη σύγχρονη χαρτογράφηση με Ψ.Μ.Ε. και επιπλέον, οι απαιτήσεις για αξιόπιστο υπόβαθρο των έργων οδοποιίας είναι τουλάχιστον ισοδύναμες με αυτές της υδρολογικής προσομοίωσης.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Το κυριότερο στοιχείο που καθορίζει την ακρίβεια ενός γεωμετρικού χάρτη είναι η ακρίβεια των ισοϋψών καμπύλων. Στην συγκεκριμένη εργασία, γίνεται η διερεύνηση του ρόλου που μπορεί να παίξει το μέγεθος του κελιού, ενός αρχείου μορφής GRID, όσον αφορά στην ακρίβεια στην απεικόνιση του στερεού αναγλύφου. Γι’ αυτό το λόγο δημιουργήθηκαν τέσσερα αρχεία μορφής GRID, με μέγεθος κελιού 5×5 m, 10×10 m, 50×50 m και 100×100 m, τα οποία προέκυψαν από τις ψηφιοποιημένες ισοϋψείς καμπύλες τοπογραφικών χαρτών κλίμακας 1:50.000 της Γ.Υ.Σ. Επίσης, κρίθηκε σκόπιμο στη διερεύνηση αυτή να συμπεριληφθεί και το Ψ.Μ.Ε. που προέκυψε από εικόνες ραντάρ τύπου STRM ανάλυσης 90×90 m. Τα Ψ.Μ.Ε. μορφής DEM που δημιουργήθηκαν ελέχθησαν ως προς την αξιοπιστία τους. Ο έλεγχος αυτός αφορά στην ακρίβεια των υπολογισμένων ισοϋψών σε σχέση με τις ισοϋψείς του χάρτη αναφοράς. Kατά τη διερεύνηση ελήφθη υπόψη ότι οι μορφές T.I.N. και D.E.M. παρέχουν την ίδια ακρίβεια και δεν απαιτείται σύγκριση μεταξύ τους.
Το μέσο τετραγωνικό σφάλμα των ισοϋψών υπολογίστηκε (Πίνακας 2) με την εξίσωση (1), όπου από το σύνολο των εισαγομένων στο πρόγραμμα υψομετρικών σημείων επιλέχθηκε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα 200 σημείων, τα οποία σημειώνεται ότι ανήκαν σε εσωτερικά εικονοστοιχεία, γιατί στα όρια το μοντέλο παρουσιάζει εξ ορισμού αποκλίσεις (W.M.S., 1999). Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκαν σημεία σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο, όπως είναι οι χαράδρες και οι κορυφές και κατά μήκος. των υδατορρεμάτων. Η στατιστική ποσότητα που ελέγχεται στην εκτίμηση της ακρίβειας είναι το Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (Μ.Τ.Σ.), το οποίο πρέπει να ικανοποιεί ορισμένα όρια κατά περίπτωση (Εικόνα 5).
Συνοψίζοντας, τις διαδικασίες δημιουργίας και ελέγχου του Ψ.Μ.Ε. της περιοχής μελέτης προκύπτει ότι με μόνο διαθέσιμο στοιχείο τον αναλογικό χάρτη γενικής χρήσεως της Γ.Υ.Σ. κλίμακας 1:50.000 και με χρήση ενός λογισμικού γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών, όπως είναι το ArcMap της ESRI, είναι δυνατή η δημιουργία Ψ.Μ.Ε. ικανοποιητικής ποιότητας και ακρίβειας για υδρολογικές και υδρογεωλογικές μελέτες σύμφωνα με τα κριτήρια που καθορίζονται από τις Ο.Σ.Μ.Ε.Ο. Σημειώνεται και πάλι ότι οι οδηγίες αυτές αφορούν μεν έργα οδοποιίας, αλλά κρίθηκαν ως οι καταλληλότερες για την παρούσα εργασία, δεδομένου ότι στο βαθμό που έχουμε γνώση δεν υπάρχουν άλλες ειδικότερες οδηγίες για το σκοπό αυτό τουλάχιστον στην Ελλάδα.
Επίσης, λαμβάνοντας υπόψη τον συνολικό χρόνο εργασίας και τα στατιστικά αποτελέσματα του ελέγχου ακρίβειας, συνάγεται ότι υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας αξιόπιστου Ψ.Μ.Ε. από αναλογικούς χάρτες μικρής κλίμακας με την προϋπόθεση ότι θα δίνεται ιδιαίτερη σημασία στο μέγεθος του κελιού που χρησιμοποιείται για τη δόμηση του GRID αρχείου.
