Εκτίμηση των ζημιών των σιτηρών από ξηρασία στο Νομό Λάρισας με τη χρήση τηλεπισκόπησης και GIS.

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς: Nικόλαος Συλλαίος και Γεώργιος Πετσάνης

Σκοπός

Στα πλαίσια του προγράμματος καταγραφής των εκτάσεων με σιτηρά που επλήγησαν από την ξηρασία την άνοιξη του 2001 στη Λάρισα, χρησιμοποιήθηκαν τηλεπισκοπικές μέθοδοι. Η απόφαση για εκτίμηση της ζημιάς λήφθηκε στα τέλη του Σεπτέμβρη, δηλαδή μετά το τέλος της καλλιεργητικής περιόδου των σιτηρών, οπότε και δεν υπήρχαν δεδομένα υπαίθρου. Έτσι η συμβολή της τηλεπισκόπισης κρίθηκε αναγκαία και καταλυτική.

Δορυφορικές εικόνες

Για να γίνει αντιληπτή η διαχρονική εξέλιξη του φαινομένου της ξηρασίας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες που λήφθηκαν σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν:

• Δύο πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Spot-2 διακριτικής ικανότητας 20 μέτρων, με ημερομηνίες λήψης 25 Απριλίου 2001 (SP1) και 6 Ιουλίου 2001 (SP2) που καλύπτουν το νότιο τμήμα του νομού Λάρισας.
• Μια πολυφασματική δορυφορική εικόνα Spot-1 διακριτικής ικανότητας 20 μέτρων με ημερομηνία λήψης 25 Απριλίου 2001 (SP3) που καλύπτει το βόρειο-ανατολικό τμήμα του νομού Λάρισας.
• Δύο πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες του δορυφόρου IRS-1C (Liss III) διακριτικής ικανότητας 25 μέτρων, με ημερομηνίες λήψης 23 Μαρτίου 2002 (IR1) και 16 Απριλίου 2002 (IR2) και καλύπτουν ολόκληρο το νομό Λάρισας.

Στην εικόνα 1 φαίνονται οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν και στην εικόνα 2 το διάγραμμα κάλυψης του Νομού Λάρισας από αυτές τις εικόνες.

Eπεξεργασία δορυφορικών εικόνων

Πρώτα πραγματοποιήθηκε η αναγωγή των εικόνων σε σύστημα αναφοράς Ε.Γ.Σ.Α. 87 και εν συνεχεία διορθώθηκαν γεωμετρικά. Έτσι δημιουργήθηκαν οι παράγωγες εικόνες οι οποίες και χρησιμοποιήθηκαν για την τελική ανάλυση. Σε ορισμένες εικόνες αφαιρέθηκαν οι περιοχές που καλύπτονταν από σύννεφα, ενώ σε άλλη οι περιοχές που καλύπτονταν από ορεινούς όγκους, με σκοπό την ελαχιστοποίηση επηρεασμού και μείωση του σφάλματος των αποτελεσμάτων. Σε όλες τις παράγωγες εικόνες εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος του Δείκτη Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς με ομαλοποίηση σε ακέραιες τιμές. Ακολούθησε μελέτη των παράγωγων εικόνων σε όλη την έκτασή τους, με στόχο την καταγραφή των ορίων τιμών NDVI. Εν συνεχεία χρησιμοποιήθηκαν περιοχές με καλλιέργειες σιτηρών ή άλλων καλλιεργειών και προσδιορίστηκαν με χρήση GPS στις δορυφορικές εικόνες με σκοπό τη χρήση και έλεγχο ορθότητας κατά τις εργασίες διάκρισης και ταξινόμησης των κλάσεων στις δορυφορικές εικόνες. Για το συγκριτικό έλεγχο μεταξύ των διορθωμένων αλλά μη επεξεργασμένων εικόνων και των αντίστοιχων εικόνων NDVI χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο ‘τυπικής συμπεριφοράς βλάστησης. Από τα ζεύγη των εικόνων NDVI του SPOT και του IRS δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχες παράγωγες εικόνες ‘διαχρονικά συνδυασμένου NDVI, οι οποίες αποτελούνται από δύο επίπεδα ΝDVI , που αντιστοιχούν στις δύο χρονικές περιόδους του κάθε ζεύγος εικόνων και αναφέρονται στην ίδια ακριβώς περιοχή (ανά ζεύγος). Από τις εικόνες παραπάνω εικόνες δημιουργήθηκαν αντίστοιχα οι λεγόμενες “ εικόνες χαρακτηριστικών κλάσεων” .

Ταξινόμηση επεξεργασμένων δορυφορικών εικόνων σε κλάσεις

Από προηγούμενες ερευνητικές εργασίες είναι γνωστό ότι ο δείκτης NDVI συσχετίζεται άμεσα με την κατάσταση ή τα επίπεδα υγιούς ανάπτυξης και απόδοσης στις καλλιέργειες σιτηρών ή κατ’ επέκταση με τα επίπεδα ζημιάς που προκαλούνται από φυσικά φαινόμενα στις καλλιέργειες αυτές. Έτσι με κριτήριο τις χρονικές περιόδους λήψης των δορυφορικών εικόνων και την αναμενόμενη συμπεριφορά της καλλιέργειας των σιτηρών σε συσχέτιση με το φαινόμενο της ξηρασίας, αναπτύχθηκαν δύο βασικές μεθοδολογίες ταξινόμησης που αφορούσαν τις παράγωγες εικόνες του σταδίου ‘διαχρονικά συνδυασμένου NDVI” , οι οποίες αποτελούνται από δύο επίπεδα ΝDVI , που αντιστοιχούν στις δύο χρονικές περιόδους του κάθε ζεύγος εικόνων και αναφέρονται στην ίδια ακριβώς περιοχή (ανά ζεύγος). Αυτό είχε ως στόχο την απομόνωση της καλλιέργειας των σιτηρών και την ποιοτική διαφοροποίηση των ζημιωθέντων σιτηρών σε κλάσεις. Αυτή η διαδικασία εφαρμόστηκε για την:

• Ταξινόμηση της εικόνας συνδυασμένου NDVI SPOT Απριλίου-Ιουλίου

Μετά τον προσδιορισμό των κλάσεων και την αυτόματη ταξινόμηση της εικόνας ως προς τις κλάσεις αυτές, προέκυψε η παράγωγη εικόνα της επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Η ταξινομημένη παράγωγη εικόνα (εικόνα 3) περιλαμβάνει τις κλάσεις ζημιών των σιτηρών και αποτέλεσε το αρχικό υλικό επεξεργασίας με το ArcView, με σκοπό την εύρεση της ποσοστιαίας αναλογίας συμμετοχής των κλάσεων ζημιάς των σιτηρών ανά δημοτικό διαμέρισμα.

• Ταξινόμηση της εικόνας συνδυασμένου NDVI IRS Απριλίου-Μαρτίου

Η επιλογή των τιμών υποκλάσεων καθορίστηκε και από τη σύγκριση με την προηγούμενη μεθοδολογία ‘απομόνωσης’ (εικόνες SPOT) σε κοινή δειγματολειπτική περιοχή τους όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο ‘αποτελέσματα και συζήτηση’. Μετά από τις εργασίες αυτές, προέκυψε η παράγωγη ταξινομημένη εικόνα (εικόνα 4) που αποτέλεσε κατά ανάλογο τρόπο το αρχικό υλικό περαιτέρω επεξεργασίας με το ArcView.

Συμπεράσματα

Ο συνδυασμός της τηλεπισκόπισης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών είναι μια πολύ αξιόπιστη μέθοδος για την ταξινόμηση των επιπέδων ζημιάς των σιτηρών καθώς και άλλων ειδών καλλιέργειας. Όσον αφορά τη σύγκριση των δύο μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν, η πρώτη μεθοδολογία, δηλαδή της ¨απομόνωσης¨ των σιτηρών με το ζεύγος των εικόνων Spot, εμφανίζει υψηλότερα επίπεδα ασφάλειας ενώ η δεύτερη μεθοδολογία, της ¨διαφοροποίησης¨ των σιτηρών με το ζεύγος των εικόνων IRS, είναι λιγότερο ασφαλής. Άλλωστε η επιλογή των παραλληλεπίπεδων ορίων στην δεύτερη εικόνα έγινε με κριτήριο τη μέγιστη δυνατή διαφοροποίηση της υπόλοιπης βλάστησης (ημιορεινής, ορεινής κλπ.). Επειδή στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η επίδραση του φαινομένου της ξηρασίας εκδηλώθηκε έντονα μετά το πρώτο δεκαήμερο του Απριλίου, οι πιο χρήσιμες εικόνες, των οποίων ο δείκτης NDVI αποτελούσε το πεδίο για την διαφοροποίηση των επιπέδων (κλάσεων) ζημιάς των σιτηρών ήταν αυτές του Απριλίου (SP1, SP3, IR2). Οι υπόλοιπες εικόνες (SP2 και IR1) ήταν απαραίτητες τόσο για τον ασφαλέστερο διαχωρισμό της κλάσεως των σιτηρών από την υπόλοιπη βλάστηση, όσο και για την εφαρμογή και αξιολόγηση διαφορετικών μεθοδολογιών ταξινόμησης. Γενικά η ανάλυση προϋποθέτει την ύπαρξη εικόνων αρχείου ή εικόνων προγραμματισμένης λήψης σε κατάλληλες χρονικές περιόδους ανάλογα με το εξέλιξη των επιπτώσεων του ζημιογόνου αιτίου, ενώ παράλληλα κατά τη φυσιολογική ροή εργασιών, είναι απαραίτητη η λήψη δεδομένων υπαίθρου. Στην περίπτωση όμως της παρούσας εργασίας, λόγω της αδυναμίας συλλογής δεδομένων υπαίθρου απαιτήθηκαν περισσότερες δορυφορικές εικόνες ώστε να επιτευχθεί συγκριτική διαχρονική ανάλυση. Η χρήση του χρονικά συνδυασμένου δείκτη βλάστησης αποτελεί μια πρωτότυπη μεθοδολογία που βοηθάει καταλυτικά στην απομόνωση ή διαφοροποίηση των κλάσεων σιτηρών και στην τελική ποιοτική ταξινόμηση της ζημιάς αυτών.