Η χρήση της τηλεπισκόπησης για την διαχείριση της αστικής δυναμικής
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: «The GeoSat Project : Using Remote Sensing to Keep Pace with Urban Dynamics»
Συγγραφείς: Santos, et al. , posted on November 9th, 2011 in Articles, Earth Observation, Urban Monitoring.
Εισαγωγη
Η εργασία αυτή είναι μέρος ενός μεγαλύτερου προγράμματος που στόχο έχει την αναγνώριση πληροφοριών μεγάλης κλίμακας από δορυφορικές φωτογραφίες υψηλής ανάλυσης. Σκοπός είναι η ανάπτυξη γρήγορων μεθόδων προκειμένου να χρησιμοποιηθούν από τις δημόσιες υπηρεσίες για παραγωγή γεω-πληροφοριών και την καταγραφή της χρήσης γης. Η δυναμική της αστικής ανάπτυξης περιλαμβάνει δραστηριότητες όπως ανέγερση / κατεδάφιση κτιρίων , φύτευση δένδρων παράλληλα σε δρόμους , μετατροπή κενών οικοπέδων σε κτήρια ή καλλιεργούμενων εκτάσεων σε χώρους στάθμευσης. Τα δυο βασικά στοιχεία της αστικής δυναμικής είναι ο χώρος στον οποίο συμβαίνει η ανάπτυξη και ο χρόνος στον οποίο εξελίσσεται αυτή η μεταβολή. Η χρονική δυναμική μπορεί να διακριθεί σχετικά με το διάστημα ανάλυσης σε γρήγορη , μέση , αργά εξελισσόμενη και από αυτό άμεση εφαρμογή έχουμε για την υποτύπωση της αστικής ανάπτυξης , τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις , υδρολογικά μοντέλα , επίπτωση χρήσης γης , εκτίμηση μελλοντικής αστικής επέκτασης. Η χωρική δυναμική έχει δυο χαρακτηριστικά την αύξηση της έκτασης με προσθήκη περιοχών και τη μεταβολή της χρήσης . Το αστικό περιβάλλον αναπαριστά την ανθρώπινη δραστηριότητα και η συλλογή των μετρήσιμων μεγεθών του το χαρακτηρίζουν και δείχνουν την μεταβλητότητα του. Ειδικά για την Πορτογαλία υπάρχουν διαδικασίες που καθορίζουν τις προδιαγραφές απεικόνισης χαρτών καθώς και το επίπεδο λεπτομέρειας. Για να πραγματοποιηθούν τα ανωτέρω απαιτούνται οικονομικοί και ανθρώπινοι πόροι. Επίσης η θεσμοθετημένη ανανέωση των πολεοδομικών σχεδίων και των κτηματολογικών χαρτών είναι της τάξεων της δεκαετίας. Λόγω αυτών των διαδικασιών δεν μπορεί να αποδοθεί ικανοποιητικά η δυναμική του αστικού περιβάλλοντος, προκειμένου να εκπονηθούν σχέδια για έκτακτες ανάγκες για να διαχειριστούν ή για την ορθολογιστική μελλοντική σχεδίαση του αστικού χώρου. Η αεροπορικές φωτογραφίες είναι ο πλέον κοινός τρόπος απεικόνισης της ανθρώπινης δραστηριότητας. Πρόσφατα έχει αναπτυχτεί μια επιπλέον δυνατότητα με την χρήση των δορυφορικών απεικονίσεων υψηλής ευκρίνειας. Οι απεικονίσεις αυτές VHR έχουν δυνατότητα αναγνώρισης μικρότερου του 1 μέτρου. Παράλληλα με δεδομένο ότι το χρονικό παράθυρο των διαδοχικών λήψεων έχει μεγάλη σημασία για την διερεύνηση των δυναμικών φαινομένων, καθίστα την τηλεπισκόπηση των δορυφορικών απεικονίσεων σημαντικό εργαλείο για την μελέτη του αστικού περιβάλλοντος.
Με στόχο την ενημέρωση υφιστάμενων χαρτών με την μέθοδο της τηλεπισκόπησης είναι δυνατόν να επισημανθούν τα σημεία όπου υπάρχει τροποποίηση δεδομένων. Τα κτίρια αποτελούν τα κύρια δομικά στοιχεία που απεικονίζονται στους πολεοδομικούς χάρτες και είναι πρόκληση για την τηλεπισκόπηση η σωστή αυτοματοποιημένη κατηγοριοποίηση. Η δυσκολία έγκειται σε παράγοντες πολυπλοκότητας , ετερογένειας , επικάλυψης από άλλα στοιχεία (π.χ. δένδρα, σκιές) η οποία αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της ανάλυσης. Παρά τις συνεχόμενες προσπάθειες σε διάφορες μεθοδολογίες καμία μέχρι τώρα δεν έχει πετυχει ολοκληρωμένη απόδοση σε όλα τα είδη κτιρίων και υπό όλες τις συνθήκες. Με στόχο την υποτύπωση των αστικών μεταβολών νε χρήση VHR απεικονίσεων έχει διερευνηθεί η μέθοδος βασιζόμενη σε διανυσματική ανάλυση και σε ημιαυτόματη διαδικασία αποτύπωσης των πολυγώνων που περικλείουν αστικά κτίρια.
Μεθοδολογία
Το υπό εξέταση αστικό περιβάλλον είναι η Λισσαβόνα, μια πόλη των 556,797 κατοίκων (απογραφή 2001) σε έκταση 84 km^2 με τα τυπικά χαρακτηριστικά ευρωπαϊκής πόλης ( π.χ. μεγάλες διαφοροποιήσεις στην χρήση γης με μεικτές περιοχές ιστορικού και αναπτυσσόμενου χαρακτήρα, πυκνό οδικό δίκτυο). Λόγω του γεγονότος ότι το βασικό πολεοδομικό σχέδιο δεν έχει κατακυρωθεί ακόμα η επίσημη χαρτογράφηση που χρησιμοποιείται για το έτος έως και το 2011 είναι από το 1998. Αυτό προκαλεί προβλήματα στην εύρυθμη λειτουργιά της, στον σχεδιασμό και διαχείριση καθώς επίσης θέτει υπό αμφισβήτηση την αποτελεσματικότητα των νομικών διαδικασιών. Στο παραγόμενο χάρτη έγιναν ερευνητικές εργασίες σε διάφορα αντικείμενα. Από τις δορυφορικές VHR απεικονίσεις έγινε ο χαρακτηρισμός των αγροτικών τμημάτων γης της πόλης. Με χρήση απεικονίσεων σε διαφορετικούς χρόνους και σε συνδυασμό με δεδομένα μεθόδου LiDAR (light Detection And Ranging) έγινε απόσβεση της επίδρασης της σκίασης. Με ημιαυτόματη μέθοδο εξήχθηκαν τα πολύγονα που οριοθετούν τα κτίρια και μελετήθηκε η επίδραση της ετερογένειας αυτών των μορφών. Υπολογίστηκε αναλυτικά το ηλιακό δυναμικό που μπορούν να αποδώσουν οι οροφές των κτιρίων. Επιπρόσθετα επισημανθήκαν οι περιοχές αδιαπέραστου εδάφους από τις αγροτικές περιοχές και τα κενά οικόπεδα προκειμένου να διευκολυνθεί ο σχεδιασμός για την καταπολέμηση καταστροφών (πλημύρες) και βιώσιμης αστικής ανάπτυξης.
Δείγματα αποτελεσμάτων
Με χρήση δεδομένων LiDAR και με λείψεις VHR απεικονίσεων σε διαφορετικούς χρόνους έγινε ανάλυση και αποτύπωση των μεταβολών σε μια περιοχή 64 εκτάριων (800Χ800 μετρα). Από την ανάλυση προέκυψαν τα αποτελέσματα της εικόνας 1 όπου διακρίνονται οι μεταβολές χρήσης. Για αντικείμενα μεγαλύτερης διάστασης από 20m^2 η πιθανότητα επιτυχίας είναι 99%. Η κάλυψη της επιφάνειας και η μετατροπή της σε αδιαπέραστο εδάφος είναι αποτέλεσμα κυρίως ανθρώπινης δραστηριότητα και μπορεί να προκληθεί μέσω της κατασκευής δρόμων, πεζοδρομίων, κτιρίων, περιοχών στάθμευσης. Με χρήση απεικονίσεων για το σύνολο της πόλης από τον δορυφόρο IKONOS-2 έγινε χαρακτηρισμός των περιοχών σε βλάστηση( δένδρα, χαμηλή βλάστηση) , αδιαφανή – υδατοστεγανη έκταση (κτίρια , δρόμοι) και έδαφος. Η αποτύπωση διακρίνεται στην εικόνα 2 όπου το ποσοστό επιτυχίας είναι στο 89%. Η ανάλυση του ηλιακού ενεργειακού δυναμικού που αφορά τις οροφές των κτιρίων αστικού περιβάλλοντος απαιτεί την χρήση μεθόδων όπου αξιοποιούνται υψομετρικά δεδομένα καθώς και δεδομένα LiDAR. O υπολογισμός του ηλιακού δυναμικού ενταγμένο σε βάση δεδομένων GIS μπορεί να δώσει αξιόλογα δεδομένα για τη δυνατότητα ανάπτυξης ηλιακών συστημάτων σε αστικές περιοχές. Η υπό μελέτη περιοχή είναι 625 εκτάριων στη οποία γίνεται ανάλυση και αξιολόγηση για την βέλτιστη περιοχή κτιριακών οροφών για την τοποθέτηση ηλιακών φωτοβολταικων συστημάτων. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε διακρίνετε σε τέσσερα στάδια : 1) υπολογισμός της συνολικής προσπίπτουσας ακτινοβολίας , 2) αξιολόγηση της ακτινοβολίας για κάθε οροφή, 3) προσδιορισμός βέλτιστης θέσης των φωτοβολταικων γεννητριών και 4) διαστασιολογηση της ενέργειας που δίνατε να παραχθει. Στις εικόνες 3 και 4 αποτυπώνονται τα αποτελέσματα της ανάλυση του ηλιακού ενεργειακού δυναμικού μετά την επεξεργασία σε περιβάλλον GIS.
Συμπεράσματα
Η λεπτομερής ενημέρωση των αστικών πολεοδομικών χαρτών είναι απαραίτητη για τον αποτελεσματικό σχεδιασμό και διαχείριση του αστικού περιβάλλοντος. Η κατανόηση κάθε πτυχής του μεταβαλλόμενου αστικού περιβάλλοντος εξαρτάται από την διαρκή ενημέρωση των απεικονίσεων κάλυψης και χρήσης γης. Για να γίνει αυτό είναι απαραίτητο να αναπτυχτούν νέες πηγές χωρικών δεδομένων και καινοτόμων προσεγγίσεων για την κατανόηση και καταγραφή τους. Με την τηλεπισκόπηση των πόλεων με χρήση των VHR δορυφορικών εικόνων, προσφέρεται η ευκαιρία να χαρακτηριστεί και να παρακολουθηθεί το αστικό περιβάλλον, επιτρέποντας την διακριτοποίηση μεταξύ των καλυμμένων περιοχών γης και των αντικειμένων που συνθέτουν αυτό το περιβάλλον. Για τον πολεοδομικό σχεδιασμό σύμφωνα με τις προδιαγραφές χαρτογράφησης μεγάλης κλίμακας, η δημιουργία χαρτών βασισμένων σε τηλεπισκόπιση VHR απεικονίσεων εξακολουθεί να είναι απαραίτητη καθώς εξασφαλίζει την καταγραφή των χαρακτηριστικών και ενημερώνει αντίστοιχες βάσεις γεωπληροφορικών δεδομένων. Οι τρεις περιοχές εφαρμογής που εφαρμόστηκαν τεχνικές τηλεπισκόπησης και ανάλυσης γεω πληροφοριών αναδεικνύουν τις δυνατότητες που υπάρχουν. Στην πρώτη περίπτωση με χρηση χαμηλού κόστους φωτογραφίες γίνεται παραγωγή δεδομένων που βοηθούν στην διαδικασία επισήμανσης αλλαγών σε υπάρχοντες χάρτες. Στην δεύτερη εφαρμογή αναδεικνύεται η δυνατότητα αυτόματης ταξινόμησης γεω πληροφοριών που επιδρούν παραγωγικά στην διαδικασία λήψης απόφασης για το σχεδιασμό μελλοντικής ανάπτυξης ή διαχείρισης κινδύνων στο αστικό περιβάλλον. Τέλος στηριζόμενοι στο γεγονός ότι για την εκμετάλλευση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον ήλιο είναι απαραίτητα τα χωρικά δεδομένα δημιουργήθηκαν οι χάρτες απεικόνισης του ηλιακού δυναμικού που υπάρχει στις οροφές των κτιρίων στο αστικό περιβάλλον. Το επόμενο βήμα θα μπορεί να κάνει με την δημιουργία ηλιακών χάρτες διαθέσιμων στο κοινό. Η τηλεπισκόπηση δεδομένων μπορεί να συμβάλει στην καλύτερη παρακολούθηση, μοντελοποίηση και κατανόηση της αστικής δυναμικής και τις επιπτώσεις της για το αστικό και προαστιακό περιβάλλον, και μπορεί να ενισχύσει τα αναλυτικά εργαλεία που είναι διαθέσιμα για χωροταξικού σχεδιασμού. Η εμπειρία μας, όμως, δείχνει ότι η εξαγωγή χαρακτηριστικών για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας εξακολουθεί να απαιτεί την ανθρώπινη παρέμβαση. Παρ 'όλα αυτά, νέοι αισθητήρες VHR με υψηλή φασματική ανάλυση αποτελούν μια νέα ευκαιρία για την αστική χαρτογράφηση. Η ανάπτυξη του αντικειμένου με βάση αλγόριθμου επιτρέπη την εισαγωγή των πληροφοριών, όπως το χρώμα, σχήμα, γειτνίαση ή το πλαίσιο κατά τη διαδικασία ταξινόμησης, και να βελτιώσει τη χαρτογράφηση των αστικών στοιχείων.
