ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΓΙΑ ΑΝΑΔΑΣΩΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ

Από RemoteSensing Wiki

1. Αντικείμενο Εφαρμογής: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΓΙΑ ΑΝΑΔΑΣΩΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ

2. Στόχος Εφαρμογής: Στόχος της εφαρμογής είναι η έρευνα της επίδρασης που έχει η αναδάσωση μιας μεγάλης περιοχής στη δυναμική του υδροφόρου ορίζοντά της, η ανάλυση των αποτελεσμάτων και η δημιουργία ενός προγνωστικού μοντέλου. Η έρευνα έγινε για την περιοχή της Νοτίου Αφρικής.

3. Είδη Δορυφόρων, Δεκτών και Καναλιών: Χρησιμοποιήθηκαν δύο εικόνες Landsat TM για τους μήνες Μάιο και Ιούνιο οι οποίες αργότερα ταξινομήθηκαν ως προς τις χρήσεις γης της περιοχής. Επίσης για τη δημιουργία ενός Ψηφιακού Μοντέλου Υψομέτρων (DEM) χρησιμοποιήθηκαν 4 παγχρωματικές εικόνες SPOT από το 1992 και 1995(έτος διεξαγωγής μελέτης) με χωρική διακριτική ικανότητα 10μ.

4. Χρησιμότητα Δορυφόρων, Δεκτών και Καναλιών: Τα δορυφορικά δεδομένα προσφέρουν χωρικές και επιφανειακές πληροφορίες σε μεγάλη κλίμακα και για μεγάλες περιοχές, τις οποίες είναι δύσκολο να παρακολουθήσουμε με συμβατικές μεθόδους. Η ενσωμάτωση των δορυφορικών δεδομένων με κάποιο ΓΣΠ (GIS) είναι βασικό εργαλείο για την αποτελεσματική και λειτουργική εισαγωγή παραμέτρων στα εκτεταμένα υδρολογικά μοντέλα.

5. Προεπεξεργασίες: Το στάδιο της προεπεξεργασίας περιλάμβανε την εφαρμογή ενός αλγορίθμου επεξεργασίας των πρωτογενών δεδομένων του Landsat και την εφαρμογή κατάλληλων ενισχύσεων των ακμών στις εικόνες. Στη συνέχεια έγινε ατμοσφαιρική διόρθωση με χρήση του λογισμικού ATCOR 2.1 του ERDAS Imagine 8.3 για τη βελτίωση της ποιότητας των δεδομένων. Η γεω-αναφορά των εικόνων έγινε στο σύστημα UTM με 98 σημεία επίγειου ελέγχου και η αναδόμηση της εικόνας έγινε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του εγγύτερου γείτονα. Τα σημεία επίγειου ελέγχου/φωτοσταθερά ιδρύθηκαν σύμφωνα με τοπογραφικούς χάρτες 1:50000 και μετρήθηκαν με GPS. Τα μέσα σφάλματα RMS υπολογίστηκαν στο διάστημα 9-21μ.

6. Ψηφιακές επεξεργασίες/αλγόριθμοι και αποτελέσματα: Η ταξινόμηση των χρήσεων γης έγινε με μία υβριδική μέθοδο η οποία αποτελείται από μία μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση αρχικά και μία επιβλεπόμενη σε δεύτερο στάδιο. Η μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση δίνει μία γενική εικόνα για τα φασματικά χαρακτηριστικά της περιοχής. Σύμφωνα με το σχέδιο ταξινόμησης των χρήσεων γης της Ν. Αφρικής (THOMPSON, 1996) προέκυψαν 11 κλάσεις από 394 περιοχές εκπαίδευσης για το στάδιο της επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Οι περιοχές εκπαίδευσης χαρτογραφήθηκαν και ιδρύθηκαν κατά τη διάρκεια της έρευνας πεδίου. Με βάση την ανάλυση των φασματικών υπογραφών εφαρμόστηκε στις εικόνες η επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας. Σε επόμενο στάδιο έγινε επαναταξινόμηση των pixels, τα οποία είχαν ταξινομηθεί λάθος, με χρήση φίλτρων. Το διάγραμμα ροής της μέχρι τώρα διαδικασίας φαίνεται στην ΕΙΚΟΝΑ 1. Στον ΠΙΝΑΚΑ 1 φαίνονται οι κατηγορίες της ταξινόμησης και τα εμβαδά τους.

7. Χρήση επιπρόσθετων χαρτών, βάσεων δεδομένων, GIS και ποιών: Πληροφορίες για την περιοχή όπως παράμετροι για τη βλάστηση ( δείκτης επιφάνειας φύλλων LAI, πυκνότητα βλάστησης κ.α.) υπήρχαν από παλαιότερες έρευνες και χαρτογραφήσεις πεδίου. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικοί και γεωλογικοί χάρτες σε διάφορες κλίμακες, εδαφολογικοί χάρτες για τις αναδασωμένες περιοχές καθώς και υδρομετεωρολογικά δεδομένα. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε μία βάση δεδομένων GIS για την ανάλυση και διαχείριση των διαφορετικών πακέτων πληροφοριών από ποικίλους αλγορίθμους GIS. Όλα τα δεδομένα αποθηκεύτηκαν ως ενοποιημένα επίπεδα δεδομένων (data layers) μετασχηματισμένων στο σύστημα UTM. Η ανάλυση έγινε για την εξαγωγή των τοπογραφικών χαρακτηριστικών όπως το δίκτυο των ποταμιών, χαρτών κλίσης και προσανατολισμού καθώς και για την παραγωγή χαρτών δασών και υδροβιότοπων.

8. Προχωρημένες επεξεργασίες τηλεπισκοπικών εικόνων: To επίσημο DEM της Ν.Αφρικής έχει μέγεθος κάνναβου 200μ, το οποίο δεν είναι επαρκές για τη δημιουργία του υδρολογικού μοντέλου σε τοπικό επίπεδο. Συνεπώς δημιουργήσαμε ένα DEM από τα παγχρωματικά δεδομένα του SPOT (10μ x 10μ στο έδαφος) για τη λεκάνη απορροής του ποταμού της περιοχής. Η στερεοσκοπική ανάλυση των εικόνων έγινε με το πακέτο λογισμικού ORTHOMAX 8.3. H γεωμετρική διόρθωση των δεδομένων SPOT έγινε ως προς το σύστημα UTM με 19 σημεία ελέγχου για τα δύο στερεοζεύγη. Το δεύτερο στάδιο περιλάμβανε τη λειτουργία του λογισμικού ORTHOMAX. Αρχικά έγινε ο τριγωνισμός με την αποκατάσταση του εσωτερικού και εξωτερικού προσανατολισμού κ.α. Στη συνέχεια με βάση τα επικαλυπτόμενα τμήματα των στερεοζευγών υπολογίστηκαν δύο DEM της λεκάνης απορροής του ποταμού. Σε επόμενο στάδιο εφαρμόστηκε το μωσαϊκό στα αρχικά δεδομένα των DEM για όλη τη λεκάνη. Τελικά υπολογίστηκε η ακρίβεια των DEM με συγχώνευση αεροφωτογραφιών, χαρτών για τις δασοκαλλιέργειες κ.α. χρησιμοποιώντας αλγορίθμους όπως φίλτρα κ.α. του λογισμικού ARC/INFO GIS. Στην ΕΙΚΟΝΑ 2 φαίνεται το διάγραμμα ροής της φωτογραμμετρικής διαδικασίας.

9. Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων: Οι χρήσεις γης οι οποίες ταξινομήθηκαν με μεγάλες ακρίβειες (90%) ήταν τα υδάτινα σώματα, οι άγονες περιοχές και οι αγροτικές περιοχές. Οι ακρίβειες των περιοχών πρασίνου όπως δάση και λιβάδια/βοσκότοποι ήταν λίγο μικρότερες (81-86%). Σύμφωνα με τη φασματική απόκριση των κατηγοριών ήταν δυνατό να διαχωριστούν τα δάση φυλλοβόλων από την υπόλοιπη δασική βλάστηση με σχετικά καλή ακρίβεια. Κάποια προβλήματα που προέκυψαν αφορούσαν στους υδροβιότοπους (80%) και τις περιοχές υπό σκιά (71%) λόγω της φασματικής ομοιογένειας των δύο αυτών κλάσεων. Για παράδειγμα, μία ποικιλία διαφορετικών θάμνων, καλαμιών κ.α. προκαλούν προβλήματα στη φασματική απόκριση των υδροβιότοπων. Το ίδιο συμβαίνει και με τις σκιερές περιοχές οι οποίες έχουν μεγάλη φασματική διαφοροποίηση. Κυρίως αυτές οι περιοχές επηρεάζονται φασματικά από τα ενδημικά δάση σε βαθιές κοιλάδες.

Η ανάλυση των αποτελεσμάτων που αφορούν στη δημιουργία των DEM και η σύγκρισή τους με τα σημεία επίγειου ελέγχου όπως ιδρύθηκαν από τοπογραφικούς χάρτες και από μετρήσεις GPS έδειξαν ότι τα DEM είχαν οριζόντια ακρίβεια περίπου 9μ και ακρίβεια ύψους 13μ. Για περεταίρω αξιολόγηση των αποτελεσμάτων συγκρίθηκαν οι ισοϋψείς καμπύλες των τοπογραφικών χαρτών με αυτές που υπολογίστηκαν αυτόματα στο στάδιο της δημιουργίας του DEM. Η σύγκριση αυτή έδειξε 0.92 ταυτοποίηση.

Τα δορυφορικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για την περιγραφή των παραμέτρων που υπεισέρχονται σε ένα διευρυμένο υδρολογικό μοντέλο. Συνεπώς τα πολυφασματικά δεδομένα Landsat είναι χρήσιμα για τον υπολογισμό των εμβαδών της κάθε χρήσης γης γύρω από τη λεκάνη απορροής του ποταμού. Στο στάδιο της ταξινόμησης επιτεύχθηκε ακρίβεια ως και 85,93%. Τα αποτελέσματα που έδωσε το DEM από τα ζεύγη εικόνων SPOT ήταν επίσης ικανοποιητικά. Με βάση τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι τα δορυφορικά δεδομένα είναι πολύτιμα για τον καθορισμό παραμέτρων και μεταβλητών που περιγράφουν ένα υδρολογικό μοντέλο.

ΠΡΩΤΟΤΥΠΟ ΑΡΘΡΟ

Applications of Remote Sensing Data for Distributed Hydrological Modelling of Large Scale Afforested Areas in the Northern East Cape Province, South Africa Jörg Helmschrot