Εντοπισμός των υδάτινων συστημάτων και των μεταβολών με τη χρήση διαχρονικών τηλεπισκοπικών εικόνων στη λίμνη Burdur, Τουρκία.

Από RemoteSensing Wiki

Εντοπισμός υδάτινων συστημάτων και ανίχνευση μεταβολών με τη χρήση διαχρονικών τηλεπισκοπικών εικόνων στη λίμνη Burdur, Τουρκία.

Πρωτότυπος τίτλος: Water body extraction and change detection using time series: A case study of Lake Burdur, Turkey

Συγγραφείς: Gulcan Sarpa, Mehmet Ozcelik

Πηγή: Journal of Taibah University for Science, May 2016, 381-391

Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, SVM, Landsat, NDWI

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η διαχρονική παρακολούθηση των υδάτινων συστημάτων και ο προσδιορισμός των χωρικών και ποιοτικών αλλαγών τους. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι ο συνδυασμός της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την έγκυρη καταγραφή των μεταβολών στο πέρασμα του χρόνου και την εξαγωγή συμπερασμάτων, τα οποία αποτελούν απαραίτητο στοιχείο για τη σωστή διαχείριση και προγραμματισμό των διαφόρων υδάτινων περιοχών.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η χρησιμοποίηση της Τηλεπισκόπησης και του GIS για τον εντοπισμό των χωρικών και χρονικών αλλαγών που σημειώθηκαν στη λίμνη Burdur της Τουρκίας κατά τη διάρκεια 24 χρόνων. Η ανάλυση των χαρακτηριστικών μεταβολών της λίμνης είναι ουσιαστικής σημασίας για την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων και αλληλεξαρτήσεων μεταξύ ανθρώπινων δραστηριοτήτων και φυσικών φαινομένων. Η εκτίμηση αυτών των αλλαγών παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατύπωση σωστών στρατηγικών διατήρησης των υδάτινων πόρων. Στην έρευνα χρησιμοποιήθηκαν διαχρονικές δορυφορικές εικόνες και μελετήθηκαν οι μεταβολές πάνω σε αυτές με τη χρήση της ταξινόμησης SVM, των διαφόρων δεικτών και στατιστικών στοιχείων.

Εικόνα 1. Η περιοχή μελέτης σε σχέση με την Τουρκία και την πόλη.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Η λίμνη Burdur βρίσκεται στη νοτιοδυτική Τουρκία και το νότιο τμήμα της δεσμεύεται από την τεκτονικά ενεργή προβληματική ζώνη. Το γεγονός ότι η μισή έκταση της επηρεάζεται από αυτή τη ζώνη έχει ως αποτέλεσμα στην ποσότητα και στον τύπο των ιζημάτων και των συστημάτων θολερότητας της λίμνης.

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Για αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα και εικόνες υψηλής ακρίβειας. Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν πολυφασματικές εικόνες διαφορετικών χρονικών περιόδων και δορυφόρων. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα προέρχονταν από τους εξής δορυφόρους:

1. Landsat TM (28 Αυγούστου 1987)

2. Landsat ETM + (01 Αυγούστου 2000)

3. Landsat TM + (19 Αυγούστου 2011)

Οι εικόνες υψηλής ανάλυσης που αξιοποιήθηκαν προέρχονταν από το Google Earth και είχαν σκοπό τη διευκόλυνση της όλης διαδικασίας στο στάδιο της οπτικής ερμηνείας. Οι ημερομηνίες λήψεις τους συμπίπτουν με αυτές των δορυφορικών εικόνων.

Εικόνα 2. Οι διαχρονικές δορυφορικές εικόνες της περιοχής μελέτης και τα αποτελέσματα της ταξινόμησης SVM.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Κατά τη διεξαγωγή της συγκεκριμένης έρευνας αρχικά έγινε ταξινόμηση των εικόνων με τη τεχνική που χρησιμοποίει τις μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης. Οι εικόνες ταξινομήθηκαν σε δύο κατηγορίες: υδάτινη επιφάνεια και στεριά. Στη συνέχεια, για τον καλύτερο διαχωρισμό των δύο κατηγοριών υπολογίστηκαν οι παρακάτω δείκτες.:

1. Δείκτης νερού κανονικοποιήμενης διαφοράς (NDWI)

2. Τροποποιημένος δείκτης διαφοράς νερού (MNDWI)

3. Αυτοματοποιημένος δείκτης εκχύλισης νερού (AWEI)

Οι δείκτες αξιολογήθηκαν με τη χρήση του Pearson’s και με το μέτρο της διαρθρωτικής ομοιότητας (SSIM). Τέλος, έγινε η μέτρηση της διαφοράς των αποτελεσμάτων από τα πραγματικά στοιχεία με τη βοήθεια του RMSE.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Η ταξινόμηση που έγινε στις δορυφορικές εικόνες έδωσαν ένα πρώτο συμπέρασμα για τη μεταβολή της έκτασης της λίμνης στο πέρασμα αυτών των χρόνων. Η ταξινόμηση έγινε μόνο σε δύο κατηγορίες και χρησιμοποιήθηκαν τυχαία οι περιοχές εκπαίδευσης. Στη συνέχεια, οι υπολογισμένοι δείκτες βοήθησαν στην καλύτερη κατανόηση της ακτογραμμής της λίμνης και προφανώς στο διαχωρισμό των δύο κατηγόριων. Ο δείκτης NDWI διαχώρισε σωστά τα υδάτινα και τα μη υδάτινα αντικείμενα. Οι τιμές τους για τις υδάτινες περιοχές είχαν γενικά τιμές μεγαλύτερες από το μηδέν και οι περιοχές βλάστησης είχαν αρνητικές τιμές. Οι δείκτες NDWI και MNDWI χρησιμοποίησαν ως κατώτατο όριο το μηδέν.

Εικόνα 3. Οι εικόνες με τους διαφορετικούς δείκτες νερού.

Όσο αφορά το μέτρο Pearson’s, ο υπολογισμός του έδειξε ότι καλύτερη συσχέτιση μεταξύ των δεικτών δίνει και μεγαλύτερη τιμή. Η υψηλότερη τιμή παρατηρήθηκε μεταξύ του NDWI και του MNDWI το 1987, το 2000 και το 2011, με τιμές 0.96, 0.91 και 0.96 αντίστοιχα. Οι χαμηλότερες τιμές παρατηρήθηκαν μεταξύ του NDWI και του AWEI το 1987, το 2000 και το 2011, με τιμές 0.94, 0.90 και 0.87 αντίστοιχα.

Εικόνα 4. Υπολογισμός Pearson’s.

Το μέτρο της διαρθρωτικής ομοιότητας (SSIM) έδειξε ότι το 82% των δεικτών παρουσιάζουν ομοιότητα. Συγκεκριμένα, αποδείχθηκε ότι τα NDWI και MNDWI εμφανίζουν τις περισσότερες ομοιότητες, με τιμές 96%, 87% και 95% το 1987, το 2000 και το 2011 αντίστοιχα. Η SSIM ήταν χαμηλότερη μεταξύ του NDWI και του AWEI, με τιμές 96%, 82% και 94% το 1987, 2000 και 2011 αντίστοιχα.

Εικόνα 5. Χάρτης διαρθρωτικής ομοιότητας των δεικτών νερού.

Εικόνα 6. Ο πίνακας με τις τιμές της διαρθρωτικής ομοιότητας (SSIM).

ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΣΩ RMSE

Για καλύτερη αξιολόγηση των μεταβολών στη λίμνη ψηφιοποιήθηκε η λίμνη χειροκίνητα πάνω στις δορυφορικές εικόνες με τη βοήθεια των εικόνων υψηλής ανάλυσης. Έτσι πραγματοποιήθηκε επιπλέον σύγκριση η οποία έδειξε ότι οι ακρίβειες της ταξινόμησης SVM και του δείκτης MNDWI το 1987, το 2000 και το 2011 ήταν υψηλότερες από αυτές των δεικτών NDWI και AWEI. Αναλυτικότερα, η το RMSE της ταξινόμησης κυμαινόταν μεταξύ 33.14 m και 50.48 m. Ενώ για τον δείκτη NDWI, το RMSE κυμαινόταν μεταξύ 51.94 m και 6162 m.

Εικόνα 7. Υπολογισμός RMSE για όλα τα αποτελέσματα.

Από την όλη διαδικασία έγινε κατανοητό ότι η λίμνη στο διάστημα των εικοσιτεσσάρων χρόνων συρρικνώθηκε στο ένα πέμπτο από την αρχική της έκταση.

Εικόνα 8. Απεικόνιση της συρρίκνωσης της λίμνης σε διάστημα 24 χρόνων.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη αυτή χρησιμοποίησε την ερμηνεία δορυφορικών εικόνων και του GIS για να ανιχνεύσει, να αναλύσει και να ποσοτικοποιήσει τις χωρικές αλλαγές της λίμνης Burdur. Η χρήση των δορυφορικών εικόνων για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με την αλλαγή της λίμνης είναι πιο γρήγορη και ακριβέστερη από άλλες μεθόδους παρατήρησης, ιδιαίτερα για τον εντοπισμό αλλαγών μεταξύ δύο και τριών διαφορετικών χρονικών διαστημάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, από το 1987 έως το 2000, η λίμνη έχασε περίπου το ένα πέμπτο της έκτασής της, σε σύγκριση με την έκταση το 1987. Από το 2000 έως το 2011, η λίμνη έχασε περίπου το ένα δέκατο της επιφανείας της σε σύγκριση με το 2000. Επομένως, η μελέτη αυτή κατέδειξε τη δυνατότητα εκτίμησης των διακυμάνσεων της έκτασης της λίμνης χρησιμοποιώντας μόνο τα ελεύθερα δορυφορικά δεδομένα.