Παγκόσμια γεωχωρικά δεδομένα από την παρατήρηση της Γης: κατάσταση και ζητήματα
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Παγκόσμια γεωχωρικά δεδομένα από την παρατήρηση της Γης: κατάσταση και ζητήματα
Πρωτότυπος Τίτλος : Global geospatial data from Earth observation: status and issues
Πηγή: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17538947.2016.1227379
Συγγραφείς: Ιan Dowman & Hannes I. Reuter
Εισαγωγή
Ή μελέτη παρέχει μια επισκόπηση της ανάπτυξης της παρατήρησης της Γης (Earth Observation-EO) και της συσσώρευσης παγκόσμιων συνόλων δεδομένων, ιδίως από μετεωρολογικούς και δορυφόρους παρατήρησης της Γης από τη δεκαετία του 1960. Οι πληροφορίες που παράγονται από αυτά τα σύνολα δεδομένων καλύπτουν διάφορα περιβαλλοντικά θέματα σε μεγάλη κλίμακα.Παρουσιάζονται οι διάφοροι οργανισμοί με τους σένσορες(αισθητήρες) τους που συλλέγουν πληροφορίες και τα μέσα πρόσβασης σε παγκόσμια σύνολα δεδομένων. Δίνει έμφαση στη σημασία των ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων (DEM) για τη γεωαναφορά των δεδομένων εικόνας και αναλύει θεματικά δεδομένα που σχετίζονται με την τοπογραφία, την κάλυψη γης, τη χρήση γης, την κατανομή του πληθυσμού, τη ρύπανση και το κλίμα.
Ασχολείται με θέματα όπως η διαθεσιμότητα, η ακρίβεια, η επικύρωση και η αξιοπιστία των δεδομένων, καθώς και με τις μελλοντικές προκλήσεις στον τομέα των ΕΟ. Περιγράφονται οι βασικές εφαρμογές των δεδομένων ΕΟ, όπως η διαχείριση καταστροφών, η υγεία, η ενέργεια, το κλίμα, η γεωργία, τα οικοσυστήματα, η βιοποικιλότητα, το νερό και ο καιρός. Η ανασκόπηση υπογραμμίζει επίσης την ενσωμάτωση των δεδομένων ΕΟ με συμπληρωματικές πηγές, όπως τα στατιστικά δεδομένα και τα δεδομένα των κοινωνικών επιστημών, καθώς και τη σημασία των εθελοντικών γεωγραφικών πληροφοριών, όπως το OpenStreetMap. Ακόμα αναγνωρίζει την ύπαρξη επεξεργασμένων και επικυρωμένων παγκόσμιων συνόλων δεδομένων, ενώ προειδοποιεί για την ποιότητα άλλων. Καταλήγει συζητώντας τη σημασία των αξιόπιστων δεδομένων παγκόσμιας κλίμακας για την έρευνα σχετικά με την παγκόσμια περιβαλλοντική αλλαγή, ευθυγραμμισμένη με τους στόχους του προγράμματος Future Earth και παρέχει μια σύντομη ιστορία των ΕΟ
Ανάπτυξη της Earth Observation
Η ανάπτυξη της (EO) ξεκίνησε από τις ΗΠΑ, ακολουθούμενη από την Ευρώπη, την Ιαπωνία, την Ινδία και την Κίνα. Το πρόγραμμα Landsat, που ξεκίνησε το 1972, έχει δημιουργήσει μεγάλο όγκο δεδομένων EO. Η 44ετής αδιάλειπτη χρονοσειρά δεδομένων του Landsat έχει υποστεί επεξεργασία για τη δημιουργία παγκόσμιων συνόλων δεδομένων, που θεωρούνται το χρυσό πρότυπο. Σήμερα, υπάρχουν 59 οργανισμοί και εμπορικές επιχειρήσεις που λειτουργούν ενεργούς δορυφόρους EO, οι οποίοι συλλέγουν δεδομένα σε διάφορες κλίμακες για διάφορες εφαρμογές. Οι αισθητήρες έχουν ανάλυση από 15 εως 1000 μέτρα και καλύπτουν φασματικές ζώνες από το ορατό έως τα μικροκύματα. Η Επιτροπή για τους Δορυφόρους Παρατήρησης της Γης (CEOS) συντονίζει τα διαστημικά προγράμματα EO για τους πολίτες, προωθώντας την ανταλλαγή δεδομένων για το κοινωνικό όφελος . Το εγχειρίδιο του CEOS παρέχει μια ολοκληρωμένη βάση δεδομένων των οργανισμών, των αποστολών και των οργάνων, υποδεικνύοντας τον τεράστιο όγκο των δεδομένων που συλλέγονται. Επίσης εμπορικοί οργανισμοί λειτουργούν δορυφόρους και χρησιμοποιούν δεδομένα από αυτούς τους αισθητήρες για τη δημιουργία παγκόσμιων συνόλων δεδομένων. Η Airbus Defence and Space παράγει προϊόντα από τους δορυφόρους Pléiades, TerraSAR και DMC Constellation, οι οποίοι είναι διασταυρωμένοι δορυφόροι και συμβατοί με τον Landsat. Η Airbus προσφέρει επίσης το WorldDEMTM, ψηφιακά μοντέλα επιφάνειας (DSM) υψηλής ακρίβειας και μοντέλα εδάφους. Η DigitalGlobe παρέχει επεξεργασμένα δεδομένα σε διάφορες μορφές, ενώ η Vricon παράγει παγκόσμια DEM από δεδομένα της DigitalGlobe. Άλλοι εμπορικοί οργανισμοί περιλαμβάνουν την Planet, την Planet Labs και τον αστερισμό πέντε πανομοιότυπων δορυφόρων RapidEye. Οι κυβερνητικοί οργανισμοί παρέχουν δεδομένα για επιστημονικές εργασίες χωρίς κόστος, ενώ οι εμπορικοί οργανισμοί παράγουν προϊόντα με σκοπό το κέρδος. Η Google και η Microsoft παρέχουν δωρεάν παγκόσμια δεδομένα, αλλά η ποιότητα ποικίλλει και δεν υπάρχει καμία εγγύηση για την ακρίβεια ή τη διόρθωση του ανάγλυφου.
Τα περισσότερα από τα δεδομένα ΕΟ που έχουν συλλεχθεί έχουν υποστεί επεξεργασία για τη δημιουργία παγκόσμιων συνόλων δεδομένων τα οποία είναι ομοιογενή και διαθέσιμα δωρεάν. Η πύλη GEOSS επιτρέπει στους χρήστες να έχουν πρόσβαση σε δεδομένα EO από όλο τον κόσμο, όπως και ο δικτυακός τόπος WorldGrids.
Στον Landsat η NASA σε συνεργασία με τη Γεωλογική Υπηρεσία των ΗΠΑ (USGS) παράγει τα δεδομένα Global Land Survey (GLS) τα οποία είναι διαθέσιμα στον χρήστη και στην επιστημονική κοινότητα. Πέντε είναι οι διακριτές εποχές στην ιστορία παραγόμενων δεδομένων του Landsat: 1)GLS1975: χρησιμοποιεί δεδομένα πολυφασματικού σαρωτή (MSS), 2)GLS1990: χρησιμοποιεί δεδομένα Landsat 4-5 Thematic Mapper (TM),3)GLS2000: χρησιμοποιεί δεδομένα Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), 4)GLS2005: χρησιμοποιεί συνδυασμό δεδομένων Landsat TM και ETM+,5) GLS2010: χρησιμοποιεί συνδυασμό δεδομένων Landsat TM και ETM+. Τα δεδομένα Landsat που ενσωματώνονται σε κάθε σύνολο δεδομένων GLS πληρούν τα πρότυπα ποιότητας και έχουν ανάλυση 30 m, εκτός από τα δεδομένα από το MSS που έχουν ανάλυση 80 m. Ένα άλλο παράδειγμα παγκοσμίου συστήματος δεδομένων για κάλυψη γης είναι το Globeland30, το οποίο χάρισε η Κίνα στα Ηνωμένα Έθνη.
DΕΜ
Τα DEM είναι απαραίτητα για την παροχή δεδομένων ύψους, πληροφοριών σχετικά με την κλίση και την όψη, την υδρολογική ανάλυση, την πρόβλεψη πλημμυρών και τη διόρθωση της παραμόρφωσης του ανάγλυφου στις εικόνες. Παρέχουν επίσης μια ομοιογενή παγκόσμια επιφάνεια αναφοράς, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την ταχεία τοπική ενημέρωση και την ενεργοποίηση γεωκινδύνων. Τα DEM έχουν μακρά ιστορία, αύξησης της κάλυψης και της ακρίβειας , ιδιαίτερα από την χρήση αισθητήρων όπως το Shuttle Radar Terrain Mission (SRTM) το 2000.
Τα DEMs παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, ιδίως αυτά που παράγονται από την αντιστοίχιση εικόνων στερεοσκοπικών εικόνων και τη συμβολομετρία SAR, όπως το SRTM. Η ακρίβεια των DEM εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως η πηγή, η πλατφόρμα, η ακρίβεια μέτρησης, ο τύπος του εδάφους και της κάλυψης γης, το πρότυπο δειγματοληψίας και η διαδικασία παρεμβολής και συγχώνευσης. Η επικύρωση είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα DEM και τα τρέχοντα παγκόσμια DEM όπως τα SRTM, ASTER GDEM και WorldDEM είναι ομοιογενή και έχουν επικυρωθεί. Η ακρίβεια των DEMs μπορεί να αξιολογηθεί με σύγκριση με άλλα DEMs, σημεία ελέγχου εδάφους (GCPs) ή προφίλ, και με εξέταση δεικτών συνέπειας, όπως η ομαλότητα του εδάφους και η προσαρμογή σε πρότυπα ποταμών ή οριζόντιες όψεις. Το SRTM παρέχει ένα καλό παράδειγμα των σχετικών διαδικασιών επικύρωσης, με εκτιμώμενη ακρίβεια μικρότερη από 50 cm.
Προτυποποίηση(Standardisation)
Τα παγκόσμια σύνολα δεδομένων από παρατηρήσεις της Γης (EO) παράγονται από διάφορους αισθητήρες, υποβάλλονται σε επεξεργασία από διάφορους οργανισμούς και διατίθενται από διάφορες πηγές. Για τη βελτιστοποίηση της χρήσης των δεδομένων, η προτυποποίηση είναι απαραίτητη. Η Παγκόσμια Διαχείριση Γεωχωρικών Πληροφοριών των Ηνωμένων Εθνών (UN_GGIM) υπογραμμίζει την ανάγκη ενσωμάτωσης και προτυποποίησης λόγω της αυξανόμενης χρήσης γεωχωρικών δεδομένων από κυβερνητικές υπηρεσίες. Η ευρωπαϊκή πρωτοβουλία INSPIRE και ο Ανοικτός Γεωχωρικός Οργανισμός (OGC) εργάζονται για την τυποποίηση των γεωχωρικών δεδομένων. Η αμερικανική ομάδα για τις παρατηρήσεις της γης έχει αναπτύξει μια σειρά συνιστώμενων προτύπων και πρακτικών για τη διαχείριση δεδομένων ΕΟ, συμπεριλαμβανομένου του κοινού πλαισίου, το οποίο καλύπτει τις υπηρεσίες αναζήτησης και ανακάλυψης δεδομένων, τις υπηρεσίες πρόσβασης σε δεδομένα, την τεκμηρίωση δεδομένων και τους κοινούς μορφότυπους και λεξιλόγια.
Επικύρωση δεδομένων
Η ποιότητα των δεδομένων σε σύνολα γεωχωρικών δεδομένων είναι ζωτικής σημασίας για την ακριβή πληροφόρηση που προκύπτει από τα δεδομένα. Η ακρίβεια σε αυτό το πλαίσιο περιλαμβάνει γεωμετρική ακρίβεια και ακρίβεια περιεχομένου. Τα μέτρα ακρίβειας καθορίζονται από την επικύρωση, με τους χάρτες της Google να αποτελούν σημαντικό πρόβλημα λόγω της χαμηλής τους ανάλυσης και της δυσκολίας συν-καταχώρισης των εικόνων με τα δεδομένα των χαρτών. Το Microsoft Bing προσφέρει παρόμοια δεδομένα, αλλά οι πηγές των δεδομένων δεν αποκαλύπτονται, και οι εναέριες εικόνες και οι εικόνες Bird's-Eye μπορεί μερικές φορές να είναι αρκετά ξεπερασμένες. Ενώ μεγάλες εταιρείες όπως η Airbus και η DigitalGlobe δίνουν μεγάλη προσοχή στην επικύρωση των δεδομένων τους, δεν το κάνουν όλες οι εταιρείες. Για παράδειγμα, η Planet ισχυρίζεται ότι θα επιτύχει καθημερινά ελάχιστη ανάλυση 3-5 m μέχρι το 2016, αλλά η αξιολόγηση της ακρίβειάς της εκκρεμεί ακόμη. Η επικύρωση αποτελεί σημαντική απαίτηση και είναι σημαντικό η προέλευση των δεδομένων, η επεξεργασία και η επικύρωση να αναφέρονται στα μεταδεδομένα που σχετίζονται με τα σύνολα δεδομένων. Μια σημαντική παγίδα είναι ότι τα αποτελέσματα της επικύρωσης αναφέρονται σε συνολικό επίπεδο, αντί να εμφανίζεται η χωρική κατανομή των αποτελεσμάτων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στη μη αναπαραγωγή των αναφερόμενων τιμών, καθώς χρησιμοποιούνται ορισμένα σύνολα δεδομένων κλειστής πηγής. Επιπλέον, πρέπει να αναφέρεται η ακρίβεια σε όλες τις διαστάσεις, συμπεριλαμβανομένων των οριζόντιων και κατακόρυφων ακριβειών για τα DEM και του εύρους των δεδομένων εισόδου για τα DEM πολλαπλών χρονοσειρών.
Διαθεσιμότητα των δεδομένων
Η δωρεάν ή όχι διάθεση των δεδομένων είναι ένα άλλο μεγάλο θέμα. Το (GEO-Group of Erath Observers) έχει συντάξει νέες αρχές κοινής χρήσης δεδομένων, οι οποίες δηλώνουν ότι τα δεδομένα, τα μεταδεδομένα και τα προϊόντα θα διαμοιράζονται μέσω του GEOSS ως Ανοικτά Δεδομένα εξ ορισμού, υπό την προϋπόθεση της καταχώρησης και της απόδοσης των στοιχείων όταν επαναχρησιμοποιούνται. Εάν τα διεθνή μέσα, οι εθνικές πολιτικές ή η νομοθεσία αποκλείουν την κοινή χρήση δεδομένων ως Ανοικτά Δεδομένα, αυτά θα πρέπει να διατίθενται μέσω του GEOSS με ελάχιστους περιορισμούς στη χρήση και όχι περισσότερο από το κόστος αναπαραγωγής και διανομής. Η κοινή χρήση δεδομένων επιφέρει πολυάριθμα περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη, όπως η στήριξη της οικονομικής ανάπτυξης, η ενίσχυση της κοινωνικής ευημερίας, η αύξηση των ευκαιριών έρευνας και καινοτομίας, η διευκόλυνση της ανταλλαγής γνώσεων μεταξύ επιστημόνων και η αποτελεσματική διακυβέρνηση και χάραξη πολιτικής. Η Planet Labs , για παράδειγμα, προσφέρει δωρεάν δεδομένα για να συμβάλει στην επίτευξη των στόχων των ΗΕ για την αειφόρο ανάπτυξη αλλά οι χρήστες πρέπει να διαθέτουν και αυτοί δωρεάν τα προϊόντα τους. Άλλες εταιρίες δίνουν δωρεάν πρόσβαση σε χαμηλής ευκρίνεια εικόνες ενώ ζητούν συνδρομή για τις αντίστοιχες υψηλότερης ευκρίνειας.
Μελλοντικές Προκλήσεις
Η αύξηση των δεδομένων που συλλέγονται από τους δορυφόρους EO καθιστά αναγκαία τη συνεργασία και τη δικτύωση μεταξύ οργανισμών για τη μεγιστοποίηση των οφελών από τις μαζικές πηγές δεδομένων όπως ο Sentinel. Η αυτόματη ερμηνεία των εικόνων είναι απαραίτητη για ουσιαστικές και υψηλής ποιότητας πληροφορίες από αυτά τα μεγάλα σύνολα δεδομένων, απαιτώντας τεχνικές εξόρυξης δεδομένων, αναγνώρισης προτύπων και μηχανικής μάθησης. Το έγγραφο Vision της Διεθνούς Εταιρείας Φωτογραμμετρίας και Τηλεπισκόπησης (ISPRS) υπογραμμίζει την απαίτηση για υψηλότερη ανάλυση και χρονοσειρές στην επεξεργασία και το χειρισμό δεδομένων. Ένα απρόσκοπτο σύστημα πρόβλεψης θα πρέπει να είναι σε θέση να χρησιμοποιεί εικόνες από πρόσφατες ώρες, εποχές και δεκαετίες, από τοπικές έως παγκόσμιες, για όλα τα είδη κινδύνων.
Συμπεράσματα
Τα παγκόσμια σύνολα δεδομένων είναι ευρέως διαθέσιμα από διάφορες πηγές, αλλά η τυποποίηση-προτυποποίηση είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη χρήση. Οι κινήσεις προς την κατεύθυνση της προτυποποίησης περιλαμβάνουν την ανάπτυξη των πυλών GEOSS και του Worldgrids.org, όπως αναγνωρίζεται από το UN-GGIM και το US GEOs. Το έργο INSPIRE στην Ευρώπη αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα προτυποποίησης και ανταλλαγής δεδομένων για τη χάραξη πολιτικής. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά ζητήματα, όπως οι καθολικές δηλώσεις ποιότητας και οι περιγραφές της επικύρωσης που διενεργείται. Το GEO ενθάρρυνε την ανοικτή ανταλλαγή δεδομένων, αλλά μεγάλες ποσότητες χρήσιμων δεδομένων παραμένουν κλειδωμένες σε οργανισμούς. Χρειάζεται εργασία σχετικά με την παρουσίαση, ώστε να διασφαλιστεί ότι οι υπεύθυνοι λήψης αποφάσεων κατανοούν τα δεδομένα. Οι ΕΟ παρέχουν πολύτιμους πόρους, αλλά συνεχίζει να είναι απαραίτητη η κατανόηση της παραγωγής των δεδομένων, της γεωμετρικής και σημασιολογικής ακρίβειας και της καταλληλότητάς τους για ένα συγκεκριμένο σκοπό.
