Διερεύνηση των αλλαγών της Αρκτικής γης με τη βοήθεια της τηλεπισκόπησης
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Remote sensing of vegetation and land-cover change in arctic tundra ecosystems
Συγγραφείς: Tweedie C. (Arctic Ecology Laboratory, Department of Plant Biology, Michigan State University, East Lansing), Noyle B. (Space Imaging Solutions, Michigan Office)
Πηγή: http://www.sciencedirect.com
1. Εισαγωγή
Αρκετές είναι οι έρευνες που έχουν ασχοληθεί με την αλλαγή του αρκτικού οικοσυστήματος σε δεκαετή κλίμακα. Η πληθώρα αυτών των ερευνών κάνει χρήση των αεροφωτογραφιών, διαδικασία η οποία απαιτεί πολύ χρόνο, έχει υψηλό κόστος και δίνει χαμηλής χωρικής ανάλυσης εικόνες. Η χαμηλή ανάλυση των εικόνων αυτών μπορεί πολλές φορές να είναι ανεπαρκής για τη μελέτη του αρκτικού περιβάλλοντος, το οποίο διακρίνεται για την ετερογένειά του και τη χαμηλή του βλάστηση, ιδιαίτερα στις παράκτιες περιοχές. Διάφορες μελέτες έχουν δείξει πως η ταξινόμηση εικόνων περιοχών τούνδρας είναι πολύ δυσκολότερη σε σχέση με αυτή άλλων περιοχών, δυσκολία η οποία ξεπερνιέται με νέους δορυφόρους, όπως τον IKONOS, ο οποίος παρέχει δυνατότητα λήψης παγχρωματικών (1m ανάλυση) και πολυφασματικών δεδομένων (4m ανάλυση). Αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η διερεύνηση των αλλαγών μιας περιοχής αρκτικής τούνδρας (Barrow στην Αλάσκα), έκτασης 3153 ha, μέσω των εικόνων του δορυφόρου IKONOS και η σύγκρισή τους με τις αεροφωτογραφίες που είχαν ληφθεί το 1964.
2. Μεθοδολογία
Η λήψη των παγχρωματικών και πολυφασματικών εικόνων από τον IKONOS πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές περιοχές της προς μελέτη έκτασης στις 16 Ιουλίου και 16 Αυγούστου 2000 (εποχή χωρίς χιόνι). Ο συνδυασμός των τεσσάρων πολυφασματικών καναλιών και των παγχρωματικών εικόνων, έδωσαν τη δυνατότητα παραγωγής έγχρωμων εικόνων 1 meter pan-sharpened (PSM), οι οποίες συνδύαζαν τα φασματικά χαρακτηριστικά και των δυο ειδών εικόνων (παγχρωματικές-πολυφασματικές), ενώ παράλληλα διέθεταν την υψηλή ανάλυση των παγχρωματικών δεδομένων.
Οι εικόνες ορθοκανονικοποιήθηκαν βάσει επίγειων ελέγχων (Ground Control Points, GCPs) που είχαν πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια διαφορικών GPS. Οι σκηνές που είχαν παρθεί και τις δυο ημερομηνίες διακρίνονταν από υψηλά επίπεδα κάλυψης σύννεφων (>20%), πρόβλημα το οποίο διορθώθηκε μετά την εφαρμογή cloud masking. Στη συνέχεια, οι σκηνές των δυο ημερομηνιών συνενώθηκαν σε ένα μωσαϊκό και διορθώθηκαν ραδιομετρικά. Τέλος, πριν την έναρξη της ταξινόμησης, απαραίτητη ήταν η παραγωγή μιας NDVI εικόνας η οποία επισυνάφθηκε στο μωσαϊκό, σχηματίζοντας έτσι μια απεικόνιση πέντε επιπέδων (five-band layer stack).
Η ταξινόμηση των εικόνων σε 15 κλάσεις αποφασίστηκε βάσει τριών προσεγγίσεων ταξινόμησης της εγγύς περιοχής, οι οποίες είχαν διατυπωθεί σε παλαιότερες μελέτες που βασίζονταν στον επίγειο έλεγχο, σε συνδυασμό με πρόσφατες θεωρήσεις για την παρούσα βλάστηση. Η επιβλεπόμενη ταξινόμηση των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων απαιτούσε την επιλογή 229 περιοχών εκπαίδευσης, οι οποίες έπειτα από την εφαρμογή ιεραρχικής ομαδοποίησης (agglomerative hierarchical clustering), μειώθηκαν σε 197. Με τη βοήθεια της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης, οι ερευνητές προχώρησαν στον εντοπισμό και στην απομάκρυνση σύννεφων και υδάτων, ενώ στο υπόλοιπο της εικόνας εφαρμόστηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Αρχικά, ταξινομήθηκαν με τον αλγόριθμο παραλληλεπιπέδου μόνο εκείνα τα εικονοστοιχεία που είχαν μια σταθερή διασπορά από τις περιοχές εκπαίδευσης, ενώ τα εικονοστοιχεία που απέμειναν ταξινομήθηκαν με τους αλγόριθμους μέγιστης πιθανοφάνειας ή ελάχιστης απόστασης.
3. Αποτελέσματα
Το τελικό αποτέλεσμα της ταξινόμησης βασίστηκε στο σύστημα ιεραρχικής ταξινόμησης των εικόνων σε 7 μεγάλες τάξεις και 15 μικρότερες. Στην εικόνα 1 φαίνεται το αποτέλεσμα της ταξινόμησης, στην οποία αναδεικνύεται η έντονη χωρική ετερογένεια του αρκτικού τοπίου. Το αποτέλεσμα αυτό ήταν απόρροια της υψηλής ποιότητας εικόνων του δορυφόρου IKONOS, αλλά και της επιλογής αλγορίθμων ταξινόμησης, η οποία εξαρτήθηκε από την επίγεια ταξινόμηση των ειδών βλάστησης. Επίδειξη της λεπτομέρειας ταξινόμησης των εικόνων IKONOS αποτελούν τα ίχνη αυτοκινήτου που είχε περάσει από την περιοχή το 1950 (τμήμα Α στην εικόνα 1) και τα πολλαπλά πολύγωνα τούνδρας (τμήμα Β στην εικόνα 1), γεγονός που αναδεικνύει τη χρησιμότητα των δορυφορικών τηλεπισκοπικών εικόνων στη διαχείριση των εδαφών και τη δυναμική των χωροχρονικών απεικονίσεων.
Τέλος στην εικόνα 2 γίνεται σύγκριση της χωρικής ανάλυσης των εικόνων του IKONOS με αυτή των αεροφωτογραφιών, οδηγώντας στο συμπέρασμα πως η υψηλή ανάλυση των πρώτων τις καθιστά ένα πάρα πολύ χρήσιμο εργαλείο ελέγχου των αλλαγών καλύψης γης.
4. Συμπεράσματα
Η συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης αποτελεί μια απόδειξη για το πως μπορούν να χρησιμεύσουν τα πολυφασματικά δεδομένα υψηλής ανάλυσης στη μελέτη της αλλαγής κάλυψης γης του Αρκτικού Κύκλου. Το ενδεχόμενο πλήρους αντικατάστασης των δορυφορικών εικόνων Landsat TM από άλλες που προέρχονται από συστήματα υψηλής ανάλυσης δεν είναι πολύ πιθανό, εξαιτίας του υψηλού κόστους. Παρόλα αυτά, οι δορυφόροι υψηλής ευκρίνειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διαχείριση της εδαφοκάλυψης, στην παρατήρηση εδαφικών εκτάσεων για μεγάλα χρονικά διαστήματα και στις αναλύσεις οικολογικών διαταραχών.
