Καταγραφή πλημμυρών χρησιμοποιώντας εικόνες ERS-1 SAR και ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο.
Από RemoteSensing Wiki
Καταγραφή πλημμυρών χρησιμοποιώντας εικόνες ERS-1 SAR και ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο.
Αντικείμενο Μελέτης: Τηλεπισκόπηση και πλημμύρες
Συγγραφείς: Alexandridis, T. Perakis, K. Silleos, K. (1998)
Πηγή:Proceedings of 1st IFAC workshop on Control Applications and Ergonomics in Agriculture, June 1998, Athens, URL: http://users.auth.gr/~thalex/self_archiving/flood_IFAC.pdf
Σκοπός της Εφαρμογής:Καταγραφή πλημμυρών στο Κιλκίς μέσω τηλεπισκόπησης .
Εισαγωγή
Στα τέλη του Δεκεμβρίου του 1995 και στις αρχές του Ιανουαρίου του 1996 στο νομό Κιλκίς στην περιφέρεια Μακεδονίας μια καταστροφική πλημμύρα έπληξε τις αγροτικές περιοχές κυρίως κατά μήκος του Αξιού ποταμού και ορισμένες επίπεδες γύρω περιοχές. Η μεθοδολογία για την καταγραφή των πλημμυρισμένων περιοχών, ποιοτικά και ποσοτικά προτάθηκε από το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και επιτυγχάνονταν με την χρήση της τηλεπισκόπησης. Η μέθοδος αυτή επιφέρει πιο ακριβές και γρήγορο αποτέλεσμα από την παραδοσιακή εκτίμηση (περιοχή ανά περιοχή) που διεξάγεται από ειδικούς γεωπόνους. Οι στόχοι της μελέτης ήταν η ακριβής οριοθέτηση του μεγέθους των πλημμυρισμένων περιοχών, όπως και η ταξινόμηση των πλημμυρών σε διάφορες τάξεις έντασης, που θα μπορούσε να βοηθήσει στην διαδικασία αποζημίωσης προς τους αγρότες.
Χωρικά δεδομένα
Για την διεξαγωγή της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν εικόνες ραντάρ (ERS-1 SAR), που θεωρήθηκαν ιδανικές για την παρακολούθηση των πλημμυρών, αποφεύγοντας την σύννεφο-κάλυψη που επισκίασε τις πλημμυρισμένες περιοχές, καθώς και τη χαμηλή χρονική ανάλυση των οπτικών αισθητήρων (π.χ. Landsat). Μεγάλης κλίμακας τοπογραφικοί χάρτες (1:50.000) από την Ελληνική Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού χρησιμοποιήθηκαν για να ξεπεραστεί η τοπογραφική παραμόρφωση και με ακρίβεια καταχώριθηκαν οι εικόνες του ραντάρ σε σύστημα συντεταγμένων. Επιπλέον, οι ισουψείς (μεσοδιάστημα 20 m) ψηφιοποιήθηκαν από τους τοπογραφικούς χάρτες, ώστε να δημιουργηθεί ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο DEM.
Μια έκταση 17x25 χλμ., υποσύνολο της συνολικής έκτασης που πλημμύρισε χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη. Η υποπεριοχή βρίσκεται στο βόρειο τμήμα του νομού Κιλκίς, όπου η κοίτη του ποταμού Αξιού συναντά τις λοφώδεις εκτάσεις κοντά στα σύνορα με την ΠΓΔΜ (Πρώην Γιουγκοσλαβική Δημοκρατία της Μακεδονίας). Η περιοχή επιλέχθει προσεκτικά, έτσι ώστε να συμπεριλάβει την αποξηραμένη λίμνη Artzan (20 m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας), την πιο σοβαρά πληγείσα γεωργική έκταση, όπως και ορισμένες περιοχές (350 μ. πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας), όπου το αποτέλεσμα της σκίασης από τους λόφους θα μπορούσαν να συγχέονται με τη φασματικήυπογραφή του νερού. Το τελευταίο ήταν ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα που οι συγγραφείς προσπάθησαν να επιλύσουν με τη χρήση του ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου (DEM) της υπο έρευνα περιοχής.
Μεθοδολογία
Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε μια δορυφορική εικόνα ERS-1 SAR (100x100 χλμ., 12,5 μέγεθος pixel, Ανάλυση: 25 μ., ημερομηνία απόκτησης : 30 Δεκεμβρίου, 1995), και υποβληθεί σε επεξεργασία στην Matera της Ιταλίας. Ένα υποσύνολο εξήχθη που περιελάμβανε την περιοχή μελέτης και υποβλήθηκε σε επεξεργασία για την καταγραφή πιθανών κηλίδων στην δορυφορική εικόνα ώστε όχι μόνο να μην υπάρξει λάθος με εξωπραγματικές τιμές και να δοθεί μια καλύτερη εμφάνιση, αλλά και ώστε τα φασματικά χαρακτηριστικά προσεγγίσουν καλύτερα την κανονική κατανομή. Επιπλέον εφαρμόστηκε το φίλτρο Lee-sigma δύο φορές ούτως ώστε να βελτιωθεί η κοκκώδης εμφάνιση της εικόνας με όσο το δυνατόν λιγότερο αντίκτυπο σ την χωρική ανάλυση. Σύμφωνα με τον Blyth (1984) η ακριβής ραδιομετρική βαθμονόμηση και η εξισορρόπηση κατά μήκος όλων των κομμάτιων απαιτείται για τις ραντάρ εικόνες για να καταστεί δυνατή η παραγωγή του ιστογράμματος του συντελεστή σo. Η εικόνα βαθμονομήθηκε για τις σo τιμές χρησιμοποιώντας τον τύπο που παρουσιάζεται από τον Laur (1992). Οι συστάσεις αυτές λαμβάνουν υπόψη την καμπυλότητα της γης και την τοπική γωνία κατάθλιψης των ραντάρ. Η εικόνα αυτή βρίσκονταν σε CEOS μορφή και όλες οι απαραίτητες πληροφορίες βρέθηκαν στις κεφαλίδες των αρχείων. Στη συνέχεια η εικόνα διορθώθηκε γεωμετρικά χρησιμοποιώντας 16 σημεία ελέγχου εδάφους (GCP) που ομοιόμορφα διανέμονται γύρω από την περιοχή μελέτης. Χάρτες κλίμακας 1:50,000 χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση των συντεταγμένων των σημείων ελέγχου του εδάφους. Η θέση τους σε σχέση με την εικόνα αποδείχθει ότι ήταν πολύ πιο δύσκολο απ' ότι αναμένονταν να εντοπιστεί , λόγω της έλλειψης των ευκόλος ρευστοποιήσιμων χαρακτηριστικών (σταυροδρόμια, γέφυρες) στο ορεινό τμήμα της περιοχής μελέτης. Μια δεύτερη σειρά μετασχηματισμού επιλέχθηκε επειδή προέβλεπε καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά την ορεινή έκταση γύρω από την κοίτη των πλημμυρών. Το RMS σφάλμα υπολογίστηκε σε 2,61 pixels (x: 1,91, y: 1,68), το οποίο είναι αποδεκτό σύμφωνα με Leberl (1990). Η rms συντεταγμένη x είναι πολύ μεγαλύτερη, λόγω της εγγενής παραμόρφωσης στην κατεύθυνση εμβέλειας του ραντάρ. Τέλος, η εικόνα παραχωρήθηκε στο Οικουμενικό Εγκάρσιο Μερκατορικό σύστημα συντεταγμένων (UTM), και επαναδομήθηκε σε μέγεθος pixel 20 μ με τον πλησιέστερο συγγενικά αλγόριθμο, έτσι ώστε να διασωθούν οι αρχικές τιμές.
Στην συνέχεια κατασκευάστηκε με την χρήση των ισοϋψών ανά 20 μ που παρουσιάζονταν σε τοπογραφικό χάρτη της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού κλίμακας 1:50,000 το ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DEM). Επιπλέον, ένα περίγραμμα καλύψεων δημιουργήθηκε από το DEM και ήρθε σε σύγκριση με ένα ήδη ψηφιοποιημένο, προκειμένου να ελεγχθεί για τυχόν σφάλματα που προκαλούνται από τον αλγόριθμο. Χρησιμοποιώντας τις λειτουργίες του Arc /Grid (ESRI, 1996) και το ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο DEM, δημιουργήθηκε ένα πλέγμα ποσοστού της κλίσης. Οι πλαγιές στην περιοχή μελέτης έχουν κλίση από 0 έως 65%. Η ERS-1 SAR εικόνα συνδυάστηκε μαζί με το πλέγμα ισοϋψών και το πλέγμα κλίσεων ως μια πλέον ενιαία τριών επιπέδων εικόνα, ώστε να αξιοποιηθούν καλύτερα οι πληροφορίες των συνδυαζόμενων επιπέδων.
Ακόμα, στις 5 Ιανουαρίου του 1996 έγινε επίσκεψη στην πλημμυρισμένη περιοχή. Λόγω των περιορισμών του χρόνου και του εξοπλισμού (GPS), δεν συλλέχθηκαν λεπτομερή δεδομένα πεδίου. Μόνο η περιοχή της πρώην λίμνης Artzan προσδιορίστηκε ως πλήρως καλυμμένη με βαθιά νερά (50 - 60 cm). Ένας άλλος τομέας χαρακτηρίστηκε, επίσης, σχετικά με τον χάρτη ως εντελώς ανέπαφος από την πλημμύρα, και επιπλέον διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρξε προσφυγή από τους γεωργούς για την αποζημίωση των ζημιών από την πλημμύρα.
Επόμενο βήμα ήταν να ορισθεί η έννοια της έντασης σε τάξεις που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από το ραντάρ. Έχοντας κατά νουν τον χαρακτήρα των κυμάτων των ραντάρ, είναι προφανές ότι από τη δορυφορική εικόνα καταγράφεται το ποσοστό της πλημμύρας /έκταση γης και όχι η ένταση της πλημμύρας (δηλαδή το βάθος των πλημμυρών). Η τραχύτητα μάλιστα του εδάφους είναι ένας σημαντικός παράγοντας που ελέγχει το σήμα επιστροφής του ραντάρ και αποτελεί την ιδιότητα που εξηγεί περισσότερες διακυμάνσεις στην μπάντα C. Σημειακά δείγματα ελήφθησαν από την εικόνα των τριών επιπέδων. Τα δείγματα βασίστηκαν στον χώρο και όχι στα pixel προκειμένου να αποφευχθούν τα εσφαλμένα αποτελέσματα που εισάγονται από τα εγγενή σημαδάκια της εικόνας. Τα στοιχεία του δείγματος περιλαμβάνουν: τις περιοχές 100% πληχθείσες από τις πλημμύρες, που προσδιορίζονται στην πρώην λίμνη Artzan, τις περιοχές 0% πληχθείσες από τις πλημμύρες, τις περιοχές στην πλαγιά των λόφων που τις αντικρίζει το ραντάρ και τις περιοχές από την άλλη πλευρά των λόφων που δεν τις αντικρίζει. Τέλος, ακολούθησε απλός αλγόριθμος κατηγοριοποίησης και τεστ κανονικότητας που έδειξε ότι οι κατανομές είναι συμμετρικές και συνεχείς με ουρές ίδιες με αυτές της κανονικής κατανομής.
Αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη σοβαρότητα των ζημιών στην περιοχή, που είναι κυρίως αγροτική, με την συνολική έκταση των πλημμυρισθέντων περιοχών στις 30 Δεκεμβρίου του 1995 να είναι περίπου 1669,6 εκτάρια . Τα αποτελέσματα της μελέτης είναι επίσης χρήσιμα για άλλους δημόσιους οργανισμούς και τις τοπικές αρχές, προκειμένου να βοηθήσει στην εξυγίανση και την προσπάθεια βελτίωσης των συστημάτων ελέγχου των πλημμυρών.
Πηγή Αναφοράς: Alexandridis, T. Perakis, K. Silleos, K. (1998) “Flood monitoring using ERS-1 Sar Imagery and digital Elevation Model”, Proceedings of 1st IFAC workshop on Control Applications and Ergonomics in Agriculture, June 1998, Athens
