Η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στη διαχείριση υδάτων της λεκάνης του ποταμού Τisza
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Remote sensing applications for water resources management of the Tisza river basin
Συγγραφείς: Mueschen Β. (Friedrich-Schiller-University (FSU) Jena, Institute of Geography, Department for Geoinformatics, Hydrology and Modelling), Hochschild V. (Friedrich-Schiller-University (FSU) Jena, Institute of Geography, Department for Geoinformatics, Hydrology and Modelling)
Πηγή: The Tisza River Project, http://www.tiszariver.com/index.php?s=public
1. Εισαγωγή
Η λεκάνη απορροής του ποταμού Tisza αποτελεί ένα μοναδικό οικοσύστημα στην Ευρώπη το οποίο την προηγούμενη δεκαετία υπέστη αρκετές καταστροφές, όπως η διαρροή κυανίου το 2000 και οι χωρίς προηγούμενο πλημμύρες. Το 2001, για τη διασφάλιση της οικολογικής ισορροπίας και της αξιοποίησης των υδάτινων πόρων, αποφασίστηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση η διενέργεια ενός προγράμματος με το όνομα «The Tisza River Project - Real-life scale integrated catchment models for supporting water and environmental management decisions». Στο πρόγραμμα αυτό αξιοποιήθηκαν οι τεχνικές της τηλεπισκόπησης και των ΓΣΠ και έτσι κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα λήψης αποφάσεων το οποίο ως σκοπό είχε την μοντελοποίηση της λεκάνης απορροής του ποταμού Tisza και των τριών υπο-λεκανών Zagyva, Hornad και Lapus με τη βοήθεια συνόλων χωρικών και χρονικών παραμέτρων. Πιο ειδικά, το μέρος του έργου που ονομάζονταν «ΓΣΠ και ανάπτυξη βάσης δεδομένων, τηλεπισκόπηση και παραμετροποίηση» περιελάμβανε διαδικασίες, όπως η δημιουργία μιας υβριδικής βάσης δεδομένων, ο προσδιορισμός των μεταβλητών που πρέπει να παραμετροποιηθούν, η ταξινόμηση των προσδιοριζόμενων από τηλεπισκοπικές μεθόδους φυσιογραφικών ιδιοτήτων και η χωρική κατανομή των ταξινομημένων περιοχών σε θεματικά επίπεδα ΓΣΠ.
2. Μεθοδολογία
Ολόκληρη η λεκάνη απορροής του ποταμού Tisza έγινε προσπάθεια να μοντελοποιηθεί σε μέγεθος πλέγματος 250m, ενώ οι τρεις υπο-λεκάνες (η λεκάνη Zagyva στην Ουγγαρία έχει έκταση 5680 km2, η Hornad στην Σλοβακία 4870km2 και η Lapus στη Ρουμανία 1820km2 ) σε μέγεθος πλέγματος 50m. Στην εργασία τα μεσαίας ανάλυσης δεδομένα, όπως αυτά των δορυφόρων Terra MODIS και Landsat ETM, χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση (με χρήση αλγορίθμων επεξεργασίας εικονοστοιχείων) των ειδών εδάφους και για τον υπολογισμό του δείκτη φυλλικής επιφάνειας, ενώ τα υψηλής ανάλυσης δεδομένα από τον δορυφόρο QuickBird χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση (αντικειμενοστραφής προσέγγιση) της υδροβόρου βλάστησης, ιδιαίτερα των μακρόφυτων.
Τα δεδομένα (δύο φωτογραφίες που ελήφθησαν τον Ιούνιο του 2002 και το Μάιο του 2003) από το μέτριας ανάλυσης φασματοραδιόμετρο με χωρική ανάλυση 250m χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση της λεκάνης απορροής του ποταμού σε έξι κλάσεις. Και οι δυο φωτογραφίες ταξινομήθηκαν ξεχωριστά, ενώ στη συνέχεια συγχωνεύτηκαν. Με αυτόν τον τρόπο περιορίστηκαν οι τυχόν αστοχίες που υπήρχαν λόγω συννεφιάς.
Οι εικόνες που ελήφθησαν από τον δορυφόρο Landsat-7 ETM (Enhanced Thematic Mapper) τον Αύγουστο του 2000 επεξεργάστηκαν για την μοντελοποίηση των τριών υπο-λεκανών Zagyva, Hornad και Lapus. Επιπροσθέτως, χρησιμοποιήθηκε μια δορυφορική εικόνα, που είχε ληφθεί το 1988 από τον Landsat-5 TM, για την ανίχνευση μεταβολών (change detection) της λεκάνης Zagyva, ενώ τον Αύγουστο του 2002 στη λεκάνη Hornard πραγματοποιήθηκε επίγεια μελέτη από το Πανεπιστήμιο Friedrich-Schiller-University (FSU) για την απόκτηση δεδομένων αναφοράς.
Τέλος, η ταξινόμηση της υδροβόρου βλάστησης απαιτούσε υψηλής ευκρίνειας φωτογραφία, η οποία ελήφθη από τον δορυφόρο QuickBird (2,44 m) στις 15 Ιουλίου 2002, και πληροφορίες αναφοράς από επίγειες μελέτες. Η συγκεκριμένη διαδικασία ταξινόμησης βρίσκεται ακόμα υπό μελέτη.
Ολόκληρη η διαδικασία επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων φαίνεται στην εικόνα 1. Όλες οι εικόνες ανήχθηκαν στο κοινό προβολικό σύστημα συντεταγμένων UTC και στο παγκόσμιο ελλειψοειδές γεωδαιτικό σύστημα WGS 84, ενώ εκεί που ήταν απαραίτητο εφαρμόστηκε γεωμετρική ή/και ατμοσφαιρική διόρθωση. Επίσης, η τοπογραφική κανονικοποίηση των ορεινών περιοχών πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ενός DTM (Digital Elevation Model), ενώ στη συνέχεια ακολούθησε επεξεργασία του περιεχομένου των εικόνων (π.χ. κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης, NDVI), επιβλεπόμενη ταξινόμηση και αξιολόγηση ακρίβειας (accuracy assessment).
3. Αποτελέσματα
Οι φωτογραφίες ολόκληρης της λεκάνης του ποταμού Tisza ταξινομήθηκαν σε έξι κατηγορίες κάλυψης γης: οικισμοί, ύδατα, δάσος φυλλοβόλων-μικτό δάσος, δάσος κωνοφόρων, λιβάδια, καλλιέργειες (εικόνα 2). Η ακρίβεια της ταξινόμησης (δημιουργού και χρήστη) παρουσιάζεται στην εικόνα 2 και είναι εμφανές πως το μέγεθος των 250m/pixel δεν είναι αρκετό για να ταξινομήσει τα χωριά της περιοχής.
Όσον αφορά την υπο-λεκάνη Zagyva, οι κλάσεις ταξινόμησης ήταν οι ίδιες με αυτές της Tisza. Για να παραχθεί η τελική ταξινομημένη εικόνα, οι κλάσεις των δασών συγχωνεύτηκαν σε μια κλάση και έπειτα το μέγεθος του εικονοστοιχείου επαναδιαμορφώθηκε στα 50m (εικόνα 3). Η ακρίβεια της ταξινόμησης πραγματοποιήθηκε και ποιοτικό τρόπο, χρησιμοποιώντας ως αναφορά έναν παλαιότερο χάρτη CORINE ανάλυσης 250m/pixel. Οι περιοχές των υδάτων, των δασών και των καλλιεργειών εμφάνισαν υψηλή ακρίβεια ταξινόμηση. Αντίθετα, λόγω της περιόδου λήψης της φωτογραφίας (τέλος Αυγούστου), όπου είχε πραγματοποιηθεί ο θερισμός, οι καλλιέργειες εμφάνισαν παρόμοιες φασματικές υπογραφές με αυτές των αστικών περιοχών. Αυτό το γεγονός οδήγησε στην επικάλυψη των καλλιεργειών από αστικές περιοχές, το οποίο ξεπεράστηκε με την εφαρμογή κατάλληλου φίλτρου. Με τη βοήθεια αυτού του φίλτρου απομακρύνθηκαν όλες οι περιοχές που ήταν μικρότερες από 4 pixel, διαδικασία που έδωσε καλύτερο από πριν αποτέλεσμα ταξινόμησης, αλλά ταυτόχρονα περιόρισε την κλάση των οικισμών. Τέλος, η ταξινόμηση των λιβαδιών έδειξε καλή ακρίβεια, χωρίς όμως να λείπει η σύγχυση με την κλάση των καλλιεργειών εξαιτίας της εποχής λήψης της φωτογραφίας.
Η ακρίβεια ταξινόμησης των έξι κλάσεων (ίδιες με τα προηγούμενα) της υπο-λεκάνης απορροής Hornad πραγματοποιήθηκε με ποσοτικό τρόπο, έπειτα από σύγκριση με επίγεια δεδομένα. Η υδάτινη και οι δυο δασικές κλάσεις εμφάνισαν μεγάλη ακρίβεια ταξινόμησης. Όσον αφορά τις υπόλοιπες κλάσεις, όπως και στην λεκάνη Zagyva, υπήρχε μια υπερ-παρουσίαση των αστικών εικονοστοιχείων εξαιτίας των παρόμοιων φασματικών υπογραφών οικισμών-καλλιεργειών, ενώ η ταξινόμηση των λιβαδιών ήταν καλή, παρόλο τη μίξη τους με τις καλλιέργειες.
4. Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα που προέκυψαν επιβεβαιώνουν τα πλεονεκτήματα που παρέχουν τα δορυφορικά δεδομένα για την παραμετροποίηση των μοντέλων. Οι πληροφορίες για την κάλυψη γης μπορούν να ταξινομηθούν με δεδομένα που προέρχονται από δορυφόρους MODIS 250m και Landsat-7 50m, ενώ χρειάζεται περαιτέρω εργασία η ταξινόμηση της υδροβόρου βλάστησης. Η υψηλή ακρίβεια αυτής της ταξινόμησης είναι δυνατό να επιτευχθεί με την βοήθεια των υψηλής ανάλυσης δεδομένων του δορυφόρου QuickBird και των αντικειμενοστραφών αλγορίθμων.
