Εφαρμογή μεγάλων δεδομένων τηλεπισκόπησης για την ταχεία απόκριση στην παρακολούθηση καταστροφών από λίμνη κατολίσθησης

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος Τίτλος: Application of remote sensing big data for rapid respond to landslide lake disaster monitor

Συγγραφείς: H. J. Wang, Y. Zhou, S. X. Wang, F. T. Wang, Q. Zhao

Πηγή: ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-3/W10, 2020 [1]

Εισαγωγή

Η λίμνη κατολίσθησης προέρχεται από την εμφάνιση φράγματος κατολίσθησης που εμποδίζει έναν ποταμό. Μια τέτοια λίμνη ενέχει εξαιρετικούς κινδύνους ενώ μπορεί να προκαλέσει μεγάλες καταστροφές και θανάτους μέσω ταχείας απελευθέρωσης τεράστιων ποσοτήτων νερού. Στην σημερινή εποχή, με την ραγδαία εξέλιξη της επιστήμης της τηλεπισκόπησης, τα μεγάλα δεδομένα τηλεπισκόπησης εφαρμόζονται ευρέως στην παρακολούθηση καταστροφών, όπως και η δημιουργία λίμνης κατολίσθησης. Εξαιτίας των κακών καιρικών συνθηκών ή φυσικών συνθηκών, που προκαλούν εξαρχής την κατολίσθηση, η άμεση εκτίμηση και ύστερα η παρακολούθηση μιας τέτοιας καταστροφής καθίσταται εξαιρετικά δύσκολη. Η τηλεπισκόπηση όντας ένα ισχυρό και αντικειμενικό εργαλείο για την παρακολούθηση της γης, πάντοτε εφαρμοζόταν στην παρακολούθηση φυσικών καταστροφών, ενώ πολλές έρευνες έγιναν με τη χρήση τεχνολογίας τηλεπισκόπησης συγκεκριμένα για την παρακολούθηση λιμνών κατολίσθησης. Στην παρούσα έρευνα μελετάται η ροή επεξεργασίας των εικόνων τηλεπισκόπησης και το σύστημα που βασίζεται στη χρήση μεγάλων δεδομένων για την παρακολούθηση της καταστροφής.

Μεθοδολογία

Εικόνα 1) Περιοχή μελέτης

Περιοχή μελέτης

Δύο περιστατικά λιμνών κατολίσθησης έχουν συμβεί στον ποταμό Jinsha στην ίδια τοποθεσία, στις 10/10/2018 και στις 3/11/2018, όπου εξουδετερώθηκαν φυσικά και τεχνητά αντίστοιχα. Ο ποταμός Jinsha αποτελεί το ανάντη μέρος του ποταμού Yangtze, μια περιοχή με ενεργή γεωλογική δραστηριότητα και συχνές γεωλογικές καταστροφές (Zhang, 2011).

Εικόνα 2) Διάγραμμα ροής επεξεργασίας τηλεπισκοπικής απεικόνισης (Xiong et al, 2012).

Δεδομένα και ανάλυση

Έγινε χρήση εικόνων τηλεπισκόπησης από πολλαπλούς αισθητήρες των δορυφόρων Gaofen-2 (GF-2), Beijing-2 (BJ-2) και Sentinel -1A. Ωστόσο, οι καιρικές συνθήκες ήταν συχνά πιο περίπλοκες κατά τη διάρκεια της εμφάνισης της λίμνης κατολίσθησης (Xiong et al, 2012). Ύστερα από την δημιουργία της λίμνης κατολίσθησης, λήφθηκαν δορυφορικές απεικονίσεις της περιοχής για ημέρες πριν και μετά την κατολίσθηση. Εξαιτίας των κακών καιρικών συνθηκών (δυνατές βροχές και ισχυρός σεισμός), που μάλιστα προκάλεσαν το γεγονός, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες radar διότι τα σύννεφα ανακλούν στο μέσο και κοντινό υπέρυθρο, μπλοκάροντας το σήμα. Σε περιπτώσεις όμως καθαρού ουρανού, έγινε χρήση οπτικών εικόνων. Η επεξεργασία των οπτικών δεδομένων και των δεδομένων radar έγινε με βάση την Εικόνα 2.

Εξαγωγή σχηματισμού λίμνης κατολίσθησης

Η εξαγωγή του σχηματισμού της λίμνης ουσιαστικά είναι απομόνωση του πλήθους των pixels του συγκεντρωμένου νερού. Στις οπτικές εικόνες, η ανακλαστικότητα του νερού είναι αρκετά μικρή. Στο κοντινό και μέσο υπέρυθρο, το έδαφος και η βλάστηση έχουν πολύ υψηλότερη ανακλαστικότητα σε σχέση με το νερό. Μέσω χρήσης του δείκτη NDWI κ.ά. σε πολυφασματική εικόνα μπορεί να διαχωριστεί και να εξαχθεί το νερό της απεικόνισης. Στην εικόνα radar, εξαιτίας της πλήρης απορρόφησης των ραδιοκυμάτων από το νερό, ο διαχωρισμός του από την ακτή είναι ξεκάθαρος. Με την κατάλληλη αποκοπή των ιστογραμμάτων (κατάλληλα κατώφλια στις κλίμακες του γκρι) το νερό ξεχωρίζει καθαρά από τα υπόλοιπα αντικείμενα (Yang et al., 1998). Μέσω χρονοσειρών των δεδομένων τηλεπισκόπησης, μπορεί να γίνει παρακολούθηση της διαδικασίας δημιουργίας και εξαφάνισης της λίμνης κατολίσθησης. Από την Εικόνα 3α (πριν την κατολίσθηση), το πλάτος του ποταμού προκύπτει στα 142m στην περιοχή της Binda, ενώ από την Εικόνα 3β (μετά την κατολίσθηση) προκύπουν οι διαστάσεις του υδατοφράγματος με πλάτος 190m και μήκος 280m. Ύστερα από σύγκριση των εικόνων πριν και μετά την καταστροφή, λήφθηκε η κατανομή του νερού για τις δύο αυτές ημερομηνίες. Οι περιοχές με προφανείς αλλαγές στην ποσότητα του νερού ήταν πιθανώς οι περιοχές καταστροφής. Η χρήση χρονοσειρών και τα δεδομένα που αυτές παρείχαν, όπως παράμετροι κατολισθήσεων, η στάθμη των υδάτων στη λίμνη και το εμβαδόν αυτής, ήταν η βάση για τη λήψη αποφάσεων και την ανακούφιση της περιοχής ύστερα από την καταστροφή.

Εικόνα 3) α) Περιοχή πριν την κατολίσθηση (GF-2). β) Περιοχή μετά την κατολίσθηση και τον σχηματισμό του φυσικού φράγματος και λίμνης (BJ-2).

Αποτελέσματα και συμπέρασμα

Εικόνα 4) Εικόνα του δορυφόρου Sentinel-1A στις 4/11/2018 και η εξαγωγή του υδάτινου σχηματισμού.

Εικόνα 5) Εικόνα του δορυφόρου Beijing-2 στις 9/11/2018 και η εξαγωγή του υδάτινου σχηματισμού.

Ύστερα από την κατάλληλη επεξεργασία των εικόνων, οι υδάτινοι σχηματισμοί που εξήχθησαν φαίνονται στις Εικόνες 4 και 5. Οι μαύρες και λευκές ζώνες αντιπροσωπεύουν υδάτινες και χερσαίες περιοχές αντίστοιχα.

Η ανάλυση της καταστροφής μπορεί να γίνει μέσω των μεταβολών της στάθμης του νερού. Συγκεκριμένα, το εμβαδόν της λίμνης κατολίσθησης αυξήθηκε από 3,606,685m² 4/11/2018 σε 161,012,128m² στις 11/11/2018. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα εργαλεία τηλεπισκόπησης είναι σημαντικής χρησιμότητας διότι έχουν μεγάλη εμβέλεια ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν δυναμική παρακολούθηση μιας φυσικής καταστροφής υπό όλες τις καιρικές συνθήκες. Τα εργαλεία αυτά επομένως μπορούν να παρέχουν βασικές πληροφορίες για τις λίμνες κατολισθήσεων στα εκάστοτε τμήματα λήψης αποφάσεων για την πρόληψη και μείωση των καταστροφών. Ωστόσο, τα μεγάλα δεδομένα τηλεπισκόπησης διέπονται και από σημαντικά μειονεκτήματα. Η χρήση drone και οι αεροφωτογραφίες μπορούν να είναι ένα σημαντικό βοήθημα στα μεγάλα δεδομένα αφού παρέχουν μεγαλύτερη χωρική ανάλυση, ενώ οι εικόνες από drone προσφέρουν και τοπογραφικά δεδομένα τα οποία μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στην ανακούφιση από την καταστροφή. Το επόμενο βήμα είναι η πρόβλεψη της στάθμης μιας λίμνης κατολίσθησης μέσω εργαλείων τηλεπισκόπησης, πρόβλεψης βροχοπτώσεων και υδρολογικών μοντέλων. Τέλος, η εκτίμηση του χρόνου εμφάνισης υπερπλήρωσης φράγματος αλλά και η αξιολόγηση της σταθερότητας του φράγματος κατολισθήσεων μέσω των εγγενών του παραμέτρων και της γεωτεχνικής μηχανικής πρέπει να ληφθεί υπ’ όψιν.

Αναφορές

1. Xiong, J. G., Wang, L. T., Wang, S. X., Zhou, Y., 2012.Microwave water extraction supported by multi-spectral images.Journal of China Institute of Water Resources and HydropowerResearch, 10 (1): 23-35. (In Chinese).

2. Yang, C. J., Wei, Y. M., Chen, D. Q., 1998. Investigation on extraction the flood inundated area from JERS-1 SAR data. Natural disaster, 7(3): 46-50. (In Chinese)