Εφαρμογή της τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση της αστικής επέκτασης
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Remote sensing for the monitoring of urban growth patterns
Συγγραφέας: Moeller M. S.
Εισαγωγή
Οι αστικές περιοχές είναι από τις πλέον δυναμικές πάνω στην γη καθώς το μέγεθος του αυξάνεται σημαντικά με την πάροδο των ετών. Για την παρακολούθηση και την κατανόηση του φαινομένου αυτού, σημαντικό κεφάλαιο αποτελούν οι δορυφορικές εικόνες και η χρήση της τηλεπισκόπησης. Αν αναλογιστεί κανείς ότι σε πολλές περιπτώσεις η τηλεπισκόπηση είναι και ο μοναδικός τρόπος εντοπισμού των μεταβολών λόγω της μεγάλης έκτασης των πόλεων, γίνεται ακόμη καλύτερα αντιληπτό η προσφορά της επιστήμης αυτής.
Σημαντικό στοιχείο αποτελεί το γεγονός ότι μέσω της τηλεπισκόπησης δύναται να συγκριθούν και μελετηθούν διαχρονικά στοιχεία, να προστεθεί πληροφορία και από άλλες πηγές αλλά και να υπάρξει ενημέρωση της κατάστασης με εικόνες που συλλέγονται ανά τακτά χρονικά διαστήματα.
Χωρική ανάλυση και κλίμακα εφαρμογής
Η χωρική ανάλυση των εικόνων είναι μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους στην αξιοποίηση των δεδομένων για την αστική επέκταση. Από την μία πλευρά γίνεται προσπάθεια εύρεσης εικόνων μεγαλύτερης χωρικής ανάλυσης ώστε να δίνουν μία καλύτερη αντίληψη του φαινομένου από την άλλη όμως, πολύ μεγάλης χωρικής ανάλυσης εικόνες δύναται να οδηγήσουν σε προβλήματα στην ταξινόμηση βάσει των λογαρίθμων στα δεδομένα της εικόνας. Για την απλοποίηση της διαδικασίας επιλογής των εικόνων λοιπόν, είναι αποδεκτό ότι για φαινόμενα όπως η αστική διάχυση μία κλίμακα από 1:25.000 μέχρι 1:50.000 είναι επαρκής. Αυτή η κλίμακα μπορεί να επιτευχθεί από αισθητήρες οι οποίοι παρέχουν χωρική ανάλυση από 4 μέχρι 50 μέτρα όπως φαίνεται και στον Πίνακα 1.
Η παρακολούθηση της αστικής επέκτασης είναι μία απαιτητική διαδικασία καθώς προϋποθέτει δέκτες που να μπορούν να ξεχωρίσουν μία σειρά από υλικά. Οι τεχνητές αστικές επιφάνειες μπορεί να αποτελούνται από σκυρόδεμα, άσφαλτο, ξύλο, μέταλλα αλλά ακόμη και από βλάστηση στην περίπτωση των φυτεμένων δωμάτων. Αν λοιπόν διαφορετικά υλικά αποτυπώνονται σε ένα pixel είναι δύσκολη η αντίληψη της κατάστασης. Για τον λόγο αυτό απαιτούνται υπερφασματικοί σαρωτές με μεγάλο αριθμό συχνοτήτων, καθεμία εκ των οποίων να έχει μικρό εύρος, της τάξης των 10nm. Τέτοια συστήματα τηλεπισκόπησης όμως είναι περιορισμένα και κυρίως σε πειραματικό στάδιο. Αισθητήρες που ανήκουν σε αυτή την κατηγορία είναι ο Hyperion, ο Aviris, ο CHRIS και ο ASTER.
Άλλο ένα σημείο προβληματισμού είναι η συχνότητα παροχής των στοιχείων (temporal resolution) καθώς οι αστικές περιοχές πρέπει να ελέγχονται ανά σύντομα χρονικά διαστήματα λόγω της γρήγορης μεταβολής τους, όπως έχει προαναφερθεί. Μία ικανοποιητική λύση στο ζήτημα αυτό προσφέρουν οι δορυφόροι Landsat και ASTER που μπορούν να παρέχουν δεδομένα ανά 16 μέρες.
Ο δορυφόρος Landsat είναι γενικά αποδεκτό ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τέτοιου είδους πολεοδομικά θέματα καθώς εκτός των άλλων δίνει ένα ικανοποιητικό αποτέλεσμα ενώ ταυτόχρονα προσφέρει την δυνατότητα διερεύνησης εικόνων από το 1972. Έτσι, υπάρχει η δυνατότητα εντοπισμού μακροχρόνιων μεταβολών στις χρήσεις και καλύψεις γης. Σημαντικό πλεονέκτημα επίσης αποτελεί και το γεγονός ότι οι περισσότερες εικόνες του Landsat μπορούν να αποκτηθούν με μικρό κόστος ή ακόμη και δωρεάν από το διαδίκτυο.
Εφαρμογή παρακολούθησης της αστικής επέκτασης μέσω τηλεπισκόπησης στην μητροπολιτική περιοχή του Φοίνιξ
Για την παρακολούθηση της αστικής επέκτασης στην περιοχή του Φοίνιξ χρησιμοποιήθηκαν επτά δορυφορικές εικόνες που ελήφθησαν από το 1973 έως το 2003. Όλες οι εικόνες ελήφθησαν την περίοδο της άνοιξης, με μικρή νεφοκάλυψη ενώ στην συνέχεια διορθώθηκαν και γεωκωδικοποιήθηκαν.
Στην συγκεκριμένη περίπτωση επειδή χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από διαφορετικούς αισθητήρες και επομένως υπήρχε διαφορετική διακριτική ικανότητα η ανίχνευση των μεταβολών μέσω συγκεκριμένων μεθόδων ήταν δύσκολη. Για να ταξινομηθούν λοιπόν με ακρίβεια οι εικόνες χρησιμοποιήθηκε μία εξελιγμένη αντικειμενοστραφής προσέγγιση ανάλυσης εικόνας. Τελικά προέκυψαν 10 κατηγορίες που θα μπορούσαν να διαχωριστούν σαφώς, αυτές που φαίνονται στο υπόμνημα.
Για την ανάλυση των αλλαγών χρήσεις δημιουργήθηκε ένας κάναβος με κελιά 500Χ500 m. Ο βασικός διαχωρισμός τελικά έγινε ανάμεσα σε τρείς βασικές κατηγορίες χρήσεων: τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις, τις αστικές χρήσεις και την φυσική βλάστηση. Σε επόμενο επίπεδο υπολογίστηκαν οι αλλαγές των χρήσεων από φυσική βλάστηση ή καλλιεργήσιμες εκτάσεις σε αστικές χρήσεις για κάθε μια από τις έξι περιόδους.
Στην Εικόνα 2 φαίνονται οι αλλαγές σε διάστημα τριάντα ετών (από το 1973-2003). Πιο συγκεκριμένα με χρώμα πράσινο αποτυπώνονται οι γεωργικές χρήσεις, με μπεζ απόχρωση είναι οι εκτάσεις φυσικής βλάστησης και με ροζ οι αστικές χρήσεις που υπήρχαν από το 1973. Αυτό που έχει ενδιαφέρον είναι οι εκτάσεις με κόκκινο όπου οι χρήσεις από φυσική βλάστηση ή γεωργικές εκμεταλλεύσεις έδωσαν την θέση τους σε αστικές χρήσεις. Όλες αυτές οι εκτάσεις λοιπόν αποτελούν την αστική επέκταση της πόλης σε διάστημα 30 ετών.
Το Διάγραμμα 1 μας δίνει μία εικόνα για την αστική επέκταση σε σχέση με το κέντρο της πόλης το 1973. Είναι προφανές ότι οι περιοχές που απέχουν περισσότερο από το κέντρο του 1973 ανοικοδομήθηκαν σταδιακά και σε μεταγενέστερο χρόνο. Αυτό το διάγραμμα μας δίνει μία αίσθηση για τον χρόνο επέκτασης της πόλης σε κάθε περιμετρική περιοχή. Έτσι την περίοδο 1973-1979 η ανάπτυξη έλαβε χώρα κυρίως σε περιοχές 15 και 20 χιλιομέτρων μακριά από το κέντρο καθώς ο αστικός πυρήνας είχε ήδη κορεστεί ενώ την τελευταία περίοδο (2000-2003) βλέπουμε ανάπτυξη στο σύνολο των ζωνών από 15 έως 40 χιλιόμετρα. Σημαντική είναι και η διαπίστωση ότι πέρα των 45 χιλιομέτρων δεν καταγράφεται ιδιαίτερη ανοικοδόμηση της πόλης.
Το Διάγραμμα 2 μας δίνει τα ίδια στοιχεία αλλά με άλλον τρόπο παρουσίασης. Σε αυτό λοιπόν, βλέπουμε πιο καθαρά ότι για κάθε μεταγενέστερη περίοδο η οικοδομική δραστηριότητα συγκεντρώνονταν κατά βάση σε μία περιοχή μακρύτερα από το κέντρο της πόλης του 1973.
Συμπεράσματα
Η ανάλυση διαχρονικών τηλεπισκοπικών δεδομένων αποτελεί έναν αξιόπιστο, οικονομικό και σχετικά εύκολο τρόπο παρατήρησης ενός σύνθετου φαινομένου όπως η αστική επέκταση και διάχυση. Αυτό που πρέπει να βελτιωθεί είναι οι τεχνικές και οι μέθοδοι ανάλυσης των εικόνων μέσα από την υπάρχουσα εμπειρία των εφαρμογών στο συγκεκριμένο πεδίο. Στην βελτίωση των αποτελεσμάτων θα συνεισφέρει η έρευνα διαφορετικών αστικών περιοχών πάνω στο συγκεκριμένο ζήτημα.
Πηγή: http://www.isprs.org/proceedings/XXXVI/8-W27/moeller.pdf
