Παρακολούθηση καλύψεων γης με μεθόδους ψηφιακής τηλεπισκόπησης στην Περιφέρεια Μαγνησίας
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Monitoring land cover change detection with remote sensing methods in Magnesia prefecture in Greece
Συγγραφείς: K. Perakis, K. Kyrimis and A. Kungolos
Πηγή: library.certh.gr
ΣΚΟΠΟΣ
Η παραγωγή θεματικών χαρτών που δείχνουν την αλλαγή καλύψεων γης δια μέσου του χρόνου, με τη χρήση μεθοδολογικών εργαλείων ψηφιακής τηλεπισκόπησης, όπως χωρικών συγκρίσεων και ταξινομήσεων ψηφιακών εικόνων.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η δορυφορική Τηλεπισκόπηση είναι δυνητικά ένα ισχυρό μέσο παρακολούθησης των αλλαγών χρήσεων γης υψηλής χρονικής ανάλυσης και χαμηλότερου κόστους, σε σύγκριση με εκείνα που σχετίζονται με τη χρήση παραδοσιακών μεθόδων (Jensen κ.α. 1993). Από αυτή την άποψη, έχουν προταθεί πολλές μέθοδοι και έχουν καταλήξει σε διαφορετικά επίπεδα ακρίβειας και ορθότητας στην παρατήρηση της αλλαγής. Οι πλέον πρόσφατες και κοινές μέθοδοι, με χρονολογική σειρά, είναι (Jensen 1996, Lillesand & Keifer 1994, Byrne κ.ά. 1980): Άλγεβρα Εικόνας (διαχωριστική και αναλογική), Δράσεις Boolean, Ανάλυση Κύριας Συνιστώσας, Ανάλυση Ανύσματος Αλλαγής, Απεικόνιση Γραμμικής Παλινδρόμησης, Σύγκριση Ταξινόμησης Θέσης κλπ.
Η περιοχή μελέτης αυτής της εργασίας είναι η Περιφέρεια Μαγνησίας, που βρίσκεται στην Κεντρική Ελλάδα, σχεδόν στα μισά της απόστασης Αθήνα – Θεσσαλονίκη. Λόγω ενός καταστροφικού σεισμού το 1956, έχουν γίνει σημαντικές αλλαγές στην υπό μελέτη περιοχή. Η δημιουργία της Βιομηχανικής Περιοχής (1969) δυτικά του Βόλου, της πρωτεύουσας της Μαγνησίας, συνέβαλε σε περαιτέρω αλλαγές. Τη δεκαετία του ’80, υπήρξε μία μεγάλη επέκταση της Βιομηχανικής Περιοχής. Κατα τη διάρκεια αυτής της δεκαετίας, εμφανίστηκαν σημαντικές αλλαγές στην κάλυψη γης των παράκτιων τουριστικών περιοχών της περιφέρειας (Αιγαίο Πέλαγος και Παγασητικός Κόλπος). Κατά την ίδια περίπου χρονική περίοδο, μεγάλες περιοχές γυμνού εδάφους και άγριας θαμνώδους βλάστησης, αντικαταστάθηκαν με αγροτική γη και οπωροφόρα δένδρα.
ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ
Για τη μελέτη των διαχρονικών μεταβολών χρησιμοποιούνται δορυφορικές εικόνες του Landsat TM για αμφότερες της ημερομηνίες 22/05/1986 και 14/07/1996 (Εικ.1 και 2). Χρησιμοποιούνται επίσης σύγχρονα πακέτα λογισμικού, όπως το ERDAS 8.3.1 και το IDRISI 2.0, για να εντοπισθούν χωροταξικά οι αλλαγές για κάθε εδαφική κάλυψη και για να εκτιμηθεί η ακρίβεια της μεθόδου που περιγράφεται παρακάτω. Επιπροσθέτως, συλλέγονται πολλά πραγματικά δείγματα εδάφους για κάθε υπό μελέτη κατηγορία εδάφους, με σκοπό τη σύγκριση των μεθοδολογικών αποτελεσμάτων προς την υπάρχουσα κατάσταση.
Η υιοθετούμενη μέθοδος συνοψίζεται παρακάτω:
Το πρώτο βήμα αποτελείται από τη γεωαναφορά των δύο δορυφορικών εικόνων σύμφωνα με το Ελληνικό Σύστημα Γεωδετικών Συντεταγμένων EGSA87. Η γεωαναφορά και η γεωμετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων έγινε με τη μέθοδο του εγγύτερου γείτονα, χρησιμοποιώντας 16 εδαφικά σημεία ελέγχου και γραμμική γραμμική ισοδυναμοποίηση.
Όλες οι κατηγορίες που ενδιαφέρουν πρέπει να επιλεγούν προσεκτικά και να καθοριστούν, για να ταξινομηθούν επιτυχώς τα τηλεπισκοπικά δεδομένα σε πληροφορίες κάλυψης γης (ή χρήσης γης). Αυτό προϋποθέτει τη χρήση ενός προγράμματος ταξινόμησης που θα περιέχει ταξονομικά ορθούς ορισμούς των διαφόρων κατηγοριών. Σύμφωνα με το πρόγραμμα ταξινόμησης εδαφοκάλυψης στην Ελλάδα, που εκδόθηκε από το Πρόγραμμα Εδαφικής Κάλυψης CORINE, της Ευρωπαϊκής Κοινότητας (1993) και σε σχέση με την ύπαρξη ή απουσία αρκετών κατηγοριών εδαφικής κατάληψης στην υπό μελέτη περιοχή, υιοθετούνται 15 κατηγορίες εδαφικής κατάληψης στην παρούσα εργασία.
- Αδιάκοπη Αστική
- Διακοπτόμενη Αστική
- Περιοχές Μετταλείων
- Μη Καλιεργημένη Γη
- Καλιεργημένη Γη
- Δενδροκαλιέργειες
- Ελαιόδενδρα
- Δασική Έκταση Πλατύφυλλων Δένδρων
- Δασική Έκταση Κωνοφόρων
- Μικτή Δασική Έκταση
- Θαμνώδης και Ποώδης Βλάστηση
- Θαμνόκλαδα και Γυμνή Γη
- Βάλτοι
- Θάλασσα
- Νεφελώδεις περιοχές
Το επόμενο βήμα είναι η επιλογή περιοχών εκπαίδευσης, εντός της εικόνας, που να είναι αντιπροσωπευτικές των διαφόρων κατηγοριών κάλυψης γης και ο καθορισμός των φασματικών υπογραφών για κάθε κάλυψη γης της περιοχής, μέσω της τυχαίας επιλογής πολυγώνων. Η εξαγωγή φασματικών υπογραφών πραγματώθηκε ακολουθώντας τις ραδιομετρικές τιμές που ανταποκρίνονταν στα τοπικά δεδομένα (τυχαία επιλεγέντα πολύγωνα, γνωστά σαν εκπαιδευτικές περιοχές) (Campell,1996). Ο εντοπισμός αυτών των δεδομένων γίνεται χρησιμοποιώντας δύο είδη οργάνων G.P.S.
Μία ιδιαίτερη κατηγορία εξαιρετικού ενδιαφέροντος είναι ο χώρος υγιειονομικής ταφής, που βρίσκεται βορειοδυτικά της πόλης του Βόλου. Δυστυχώς η διάκριση της ψηφιακής του ένδειξης και αυτής του γυμνού εδάφους δεν είναι εμφανής. Οι δορυφόροι επόμενης γεννιάς όπως ο IKONOS, θα παρέχουν χωρική ανάλυση 4m, το οποίο φαίνεται να υπόσχεται καλύτερες ενδείξεις ακρίβειας για φασματική διάκριση χώρων υγειονομικής ταφής.
Όταν τα δεδομένα εκπαίδευσης συλλεχθού για κάθε κανάλι και κάθε ομάδα ενδιαφέροντος, πρέπει να γίνει η επιλογή ποια κανάλια είναι τα πιο αποτελεσματικά στον διαχωρισμών κάθε ομάδας απ' τις υπόλοιπες. Αυτή η διαδικασία λέγεται επιλογή στοιχείου (Jensen, 1996) και ο σκοπός είναι ο αποκλεισμός απ' την ανάλυση των καναλιών που δίνουν ασαφή πληροφορία. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιήθηκαν όλα τα κανάλια εκτός από το θερμικό (κανάλι 6).
Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι αλγόριθμοι επιβλεπόμενης ταξινόμησης για να εφαρμοστούν σε ένα άγνωστο εικονοστοιχείο. Εδώ, από τις τρεις συνήθεις επιβλεπόμενες ταξινομήσεις (μέγιστης πιθανοφάνειας, ελάχιστης απόστασης και παραλληλεπιπέδου), η πρώτη έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα (~ 70% των εικοστοιχείων ταξινομήθηκαν σωστά) (Πίν. 1)
Η αλλαγή των καλύψεων γης μεταξύ 1986 και 1997 εξερευνήθηκε με τις μθόδους της Άλγεβρας Εικόνας και της Μετα-Ταξινομιτικής Σύγκρισης. Εφαρμόστηκε ταξινόμηση μέγιστης πιθανοφάνειας για τις εικόνες 1986 και 1997 και αναγνωρίστηκαν 15 κατηγορίες κάλυψης γης. Η αλλαγή μεθόδου εντοπισμού της διαφοροποίησης εικόνας, εντόπισε χωρικές διαφορές σε κάθε κατηγορία κάλυψη γης. Δημιουργήθηκαν 3 κατηγορίες με βάση τη μέση τιμή και την τυπική απόκλιση
- Απώλεια εδαφικής κυριαρχίας (<μ-2σ)
- Εμφάνιση εδαφικής κυριαρχίας (>μ+2σ)
- Καμία αλλαγή (μ-2σ, μ+2σ)
Η μεγάλη ποσότητα χαμένων εδαφικών καλύψεων, ειδικά στο νότιο κομμάτι της περιφέρειας, διακαιολογείται από παγετό που συνέβη σε όλη τη Θεσσαλία το 1987. Η μεγάλη απώλεια ελαιοδέντρων, αντικαθίσταται από αειθαλείς θάμνους και ποώδη βλάστηση (Εικ. 3 και 4)
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Τα μεθοδολογικά εργαλεία τηλεπισκόπησης είναι πολύ χρήσιμα στην ανίχνευση περιβαλλοντικής αλλαγή σε ευρείας κλίμακα. Ειδικά, η σύγκριση μετά την ταξινόμηση και οι διαφορές στις εικόνες, συνδυαζόμενες, οδηγούν σε υψηλής ακρίβειας εντοπισμό των διαχρονικών αλλαγών στην εδαφική κάλυψη. Ο βαθμός της χωρικής και ραδιομετρικής αλλαγής, ποικίλει ουσιωδώς από τη μία εδαφική κάλυψη στην άλλη. Είναι αναγκαία η χρήση Εδαφικών Σημείων Ελέγχου (GCP’s) για την γεω-καταχώρηση εικόνων και την επικάλυψη εικόνων. Η εκτίμηση και η επαλήθευση για την επιτευχθείσα ακρίβεια της μεθόδου που ακολουθήθηκε, πραγματοποιείται με συγκριτικούς πίνακες ταξινόμησης. Η σύγκριση των σωστά εντοπισμένων εδαφικών πολυγώνων προς το συνολικό αριθμό των εξετασθέντων πολυγώνων που εξετάσθηκεν για κάθε εδαφική κάλυψη, δίνει την ποσοστιαία αναλογία της επιτυχίας της ακρίβειας. Η ειδική εδαφική κάλυψη που καλύπτει μικρές περιοχές με μη ομοιογενή εδαφική κάλυψη, όπως χώροι υγειονομικής ταφής, είναι δύσκολη στην επισήμανση και αναγνώρισή της, με την τη χρησιμοποιηθείσα ανάλυση δορυφορικών εικόνων.
Δοκιμάστηκαν διάφορες μέθοδοι ταξινόμησης. Η ταξινόμηση μέγιστη πιθανοφάνειας, έφθασε το επίπεδο του 70% στην ακρίβεια της παρατήρησης των αλλαγών. Η ακρίβεια ταξινόμησης ελέγχθηκε με πολύγωνα εδαφικής αλήθειας.
