Η Τηλεπισκόπιση σαν εργαλείο για την παρακολούθηση των Προτύπων Αστικής Διάχυσης
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Ανίχνευση μεταβολών αστικής γης
Πρωτότυπος Τίτλος: «Remote Sensing for the Μonitoring of Urban Growth Patterns»
Συγγραφείς: Μatthias S. Moeller (International Institute for Sustainability, Arizona State University)
Πηγή: International Society for Photogrammetry and Remote Sensing [1]
Λέξεις Κλειδιά: αστική διάχυση, αντικειμενοστραφής ταξινόμηση
Περίληψη: Οι αστικές περιοχές είναι οι πιο δυναμικές περιοχές πάνω στη γη. Το μέγεθός τους έχει μια σταθερή αυξητική τάση στο παρελθόν και αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί και στο μέλλον. Για την κατανόηση του φαινομένου της Αστικής Εξάπλωσης, οι εικόνες τηλεπισκόπισης είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο. Μια μακροχρόνια, μεσαίας κλίμακας μελέτη διεξήχθη για την αστική διάχυση της μητροπολιτικής περιοχής του Phoenix, Αριζόνα. Το χρονικό πλαίσιο της έρευνας είναι 30 χρόνια. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δορυφορικές εικόνες από διαφορετικά συστήματα αισθητήρων, αντικειμενοστρεφή ανάλυση και ταξινόμησης της πληροφορίας. Τα ευρήματα της έρευνας, η οποία χωρίστηκε σε έξι περιόδους, αναλύθηκαν με όρους κατεύθυνσης της διάχυσης και αποστάσεων διάχυσης. Συνολικά, μπορούν να ορισθούν αρκετές φάσεις τυπικής διάχυσης της πόλης. Τα αποτελέσματα της έρευνας θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν σαν βάση για τη σύγκριση περισσότερων πόλεων παρόμοιου σχήματος. Εισαγωγή - Στόχος: Τα τελευταία 50 χρόνια ο πληθυσμός της γης έχει διπλασιαστεί αγγίζοντας τα 6,5 δισεκατομμύρια. Η αύξηση αυτή, όπως και η συγκέντρωση, με πολύ υψηλές πυκνότητες παρατηρείται ιδιαίτερα στις αναπτυσσόμενες χώρες. Θα ήταν σκόπιμη η παρακολούθηση και καταγραφή της ανάπτυξης των αστικών αυτών περιοχών για λόγους πολεοδομικού σχεδιασμού.
Τα δορυφορικά δεδομένα εικόνας παρέχουν τη συνοπτική επισκόπηση μεγάλων περιοχών που καταγράφονται πάντα με ένα τυποποιημένο και βαθμονομημένο συστήματος παρακολούθησης. Τα δεδομένα ξεκίνησαν να καταγράφονται με υψηλή χρονική ανάλυση από τη δεκαετία του '70 και με τον τρόπο αυτό δίνουν τη δυνατότητα της ιστορικής αναδρομής. Αναλύοντας τα ιστορικά αυτά δεδομένα μπορούν να φτιάξουμε χρονοσειρές μεταβολών χρήσεων και κάλυψης γης όπως επίσης και να προβλέψουμε μελλοντικές μεταβολές και να ελέγξουμε και να επαληθεύσουμε μοντέλα ανάπτυξης. Κλίμακα εφαρμογής, Φασματικές και Χρονικές Ιδιότητες: Για την παρακολούθηση της αστικής διάχυσης, μια κλίμακα της τάξης 1:25.000 - 1:50.000 είναι αρκετή. Η κλίμακα αυτή μπορεί να επιτευχθεί με αισθητήρες που παρέχουν χωρική ανάλυση 4-50 μέτρων.
Στις αστικές επιφάνειες τα υλικά παντρεύονται πολλές φορές σε ένα μόνο pixel, κάνοντας ιδιαίτερα δύσκολη τη διάκριση των διαφορετικών επιφανειών και αντικειμένων. Η ιδανική λύση θα ήταν ένας υπερφασματικός σαρωτής με ένα μεγάλο αριθμό ζωνών, καθεμιά με μικρό εύρος της τάξης των 10nm. Σήμερα, το σύστημα αισθητήρα με την υψηλότερη φασματική ανάλυση διαθέσιμη και σε επιχειρησιακή λειτουργία είναι ο αισθητήρας ASTER, έχοντας 14 ζώνες στο ορατό, το υπέρυθρο και το θερμικό τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας.
Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η χωρική ανάλυση τόσο μικρότερη γίνεται η χρονική. Συστήματα πολικής τροχιάς, όπως το Landsat και ASTER πραγματοποιούν κύκλους σε συχνότητα 16 ημερών. Οι αισθητήρες Landsat έχουν μακρά ιστορία δεδομένων εικόνας, ήδη από το 1972 και τον πρώτο Πολυφασματικό Σαρωτή (MSS) που κυκλοφόρησε. Τα δεδομένα λοιπόν που υπάρχουν είναι περισσότερο από 30 χρονών και μπορούν να βρεθούν στους ESDI 2005, USGS 2005, Landsat 2005 και EOS Webster 2005, πολλές φορές και δωρεάν.
Εφαρμογή της Τηλεπισκόπισης για την Αστική Διάχυση στη μητροπολιτική περιοχή Phoenix: Η μητροπολιτική περιοχή της Phoenix (PHX) χαρακτηρίζεται από τον υψηλό ρυθμό αστικής εξάπλωσης. Βρίσκεται στο ΝΑ τμήμα των ΗΠΑ, στην έρημο Sonoran. Είναι η έκτη μεγαλύτερη αστική περιοχή της χώρας και συνεχίζει διαρκώς να εξαπλώνεται. Η ανάπτυξή της έχει καταγραφεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων 30 χρόνων.
Η περιοχή που μελετάται εκτείνεται σε 112 χμ. Η αστική περιοχή περιβαλλόταν το '73 κυρίως από γεωργικές εκτάσεις όπως επίσης και από προστατευόμενες περιοχές Ινδιάνων και φυσικού κάλλους. Στη διάθεσή μας έχουμε 6 εικόνες, από το 1973 έως το 2003, όλες τραβηγμένες την άνοιξη, μέσα σε μια περίοδο 6 εβδομάδων, ούτως ώστε η φαινολογία να είναι ίδια σε όλες. Επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων: Όλα τα δορυφορικά δεδομένα έχουν επεξεργαστεί χωρικά (π.χ. διορθωθεί και γεωκωδικοποιηθεί) σε ορθοφωτογραφίες από τον διανομέα. Η χωρική ποιότητα των σκηνών έχει ελεγχθεί και έχουν καταχωρηθεί η μια στην άλλη ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα χωρικά λάθη. Ατμοσφαιρικές διορθώσεις δεν έχουν γίνει διότι οι καιρικές συνθήκες ήταν ιδανικές.
Σε περίπτωση σαν τη δική μας, που χρησιμοποιούνται δεδομένα από διαφορετικούς αισθητήρες, η εικόνα θα πρέπει να αναλυθεί πριν συγκριθούν τα αποτελέσματα της ταξινόμησης. Εφαρμόστηκε μια αντικειμενοστρεφής προσέγγιση ανάλυσης εικόνας που οδήγησε σε αξιόπιστα αποτελέσματα όσον αφορά την ακρίβεια ταξινόμησης. Ακολουθώντας το σύστημα ταξινόμησης που υιοθετήθηκε και τροποποιήθηκε από το σχήμα NLCD, διακρίθηκαν τουλάχιστον 10 κατηγορίες σε κάθε εικόνα. Η ακρίβεια της ταξινόμησης αυτής είναι της τάξης του 87%.
Αποτελέσματα ανάλυσης: Με βάση την σύγκριση των εικόνων δημιουργήθηκε ένας κάνναβος με 500Χ500 μονάδα μεγέθους. Έγιναν διακριτές 3 κύριες χρήσεις γης: αγροτικές καλλιέργειες, αστική γη και φυσική γη. Η κυρίαρχη χρήση κάθε μονάδας καταγράφηκε σε περιβάλλον GIS. Στο επόμενο βήμα καταγράφηκε η αλλαγή χρήσης γης από αγροτική σε αστική για καθεμιά από τις 6 περιόδους. Η Εικόνα 1 δείχνει τη μετατροπή της γης προς αστική χρήση από το 1973 στο 2003 σε κόκκινους τόνους.
Πάνω σ' αυτό το χάρτη εφαρμόστηκε ένα σύστημα από 8 τομείς και 50 ομόκεντρες τροχιές, όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Μετατρέποντας το σχήμα σε πίνακες, η εξάπλωση γίνεται ακόμα πιο εμφανής. Στον τομέα 1, από το βορρά στην ανατολή, βλέπουμε τη μεγαλύτερη εξάπλωση. Αντίθετα, η εξάπλωση είναι περιορισμένη για τις περιοχές 3 και 4. Αυτό φαίνεται να οφείλεται στην ύπαρξη των Ινδιάνικων και φυσικών προστατευόμενων περιοχών. Ως αναφορά την εξάπλωση σχετιζόμενη με την απόσταση από το κέντρο, γίνεται εμφανές πως ακολουθεί έναν συγκεκριμένο τύπο για τις πρώτες 4 περιόδους, κατά τον οποίο η αυτή έλαβε χώρα σε περιοχές γύρω από το κέντρο. Η δομή αυτή υποδηλώνει μια τυπική εξάπλωση σε τροχιές. Αυτό αλλάζει κατά τις 2 τελευταίες περιόδους, όπου παρατηρούμε έντονη εξάπλωση σε μεγάλη απόσταση των 30 χμ.
Συμπεράσματα: Η ανάλυση, αξιοποιώντας δεδομένα από μια μεγάλη χρονική περίοδο, δίνει τη δυνατότητα της σε βάθος παρακολούθησης της αστικής εξάπλωσης. Με βάση αυτή την έρευνα, έχουν αναπτυχθεί δείκτες αστικής εξάπλωσης με σκοπό την παραμετροποίησή της. Σε ένα επόμενο στάδιο, οι δείκτες αυτοί πρέπει να εφαρμοστούν σε διαφορετικά αστικά περιβάλλοντα για λόγους σύγκρισης διαφορετικών τύπων αστικής εξάπλωσης. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια πολύ χρήσιμη κατηγοριοποίηση της αστικής εξάπλωσης.
Αναφορές:
Asterweb. http://Asterweb.jpg.nasal.go/ (accessed 21 Jan 2005)
Aviaries. http://aviris.jpl.nasa.gov/ (accessed 20 January 2005) CHRIS. http://www.chris-proba.org.uk/frames/index2.html (accessed 24 Jan 2005)
EOS Webster. http://eos-webster.sr.unh.edu/home.jsp (accessed 11 Feb. 2005)
ESDI Earth Science Data Interface. http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp (accessed 14 Feb. 2005)
Henderson, F. M. 1982. An Evaluation of Seas at SAR Imagery for Urban Analysis. In: Remote Sensing of Environment, Vol. 12, pp. 439-461.
Hogarth, P. J. and E. Boasson 1983. Landsat Digital Enhancements for Change Detection. in Urban Environments. In: Remote Sensing of Environment, Vol. 13, pp. 149-160.
Hyperion. http://eo1.gsfc.nasa.gov/Technology/Hyperion.html (accessed 20 Jan. 2005)
Landsat. http://www.landsat.org (accessed 11 Febr. 2005)
LLCD. http://www.mrlc.gov/index.asp (accessed 14 Febr.2005)
Moeller, M., 2004. Monitoring Long Term Transition Processes of a Metropolitan Area with Remote Sensing. In: Proceeding of the IGARRS 2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Anchorage, AK, pp. 3398-3401.
Neer, J. T., 1999. High Resolution Imaging from Space - A Commercial Perspective on a Changing Landscape. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, XXXII (7C2): pp. 132-143.
Sabins, F. F., 1996. Remote sensing: principles and interpretation. New York, NY, W. H. Freeman.
TRFIC Tropical Rain Forest Information Center, 2004. http://www.globalchange.msu.edu/trfic/ (accessed 20 Jan. 2005)
United Nations, 2002. World Urbanization Prospects The 2001 revision Data Tables and Highlights. ESA/P/WP.173. http://www.un.org/esa/population/publications/wup2001/wup2001dh.pdf (accessed 20 Jan. 2005)
