Παρακολούθηση μεταθετικών ολισθήσεων στα βόρεια βουνά Cascade, British Columbia.

Από RemoteSensing Wiki

”Detecting translational landslide scars using segmentation of Landsat EMT and DEM data in the northern Cascade Mountains, British Columbia.”

J.Barlow, Y.Martin and S.E.Franklin

Πηγή: Can. J. Remote Sensing, Vol. 29, No. 4, pp. 510-517, 2003

1.Αντικείμενο Εφαρμογής

Τηλεπισκόπιση και παρακολούθηση κατολισθήσεων

2.Στόχος Εφαρμογή

Εντοπισμός σημαδιών μεταθετικών ολισθήσεων (translational landslide) με χρήση του Landsat ETM και χρήση δεδομένων από ψηφιακό υψομετρικό πρότυπο DEM (Digital Elevation Model) στα βόρεια Βουνά Cascade στον Καναδά.

3.Πως γινόταν παλιότερα

Οι κατολισθήσεις αποτελούν μία από τις σημαντικότερες διεργασίες μεταφοράς εδαφικών αποθέσεων. Παλαιότερα η μελέτη του φαινομένου γινόταν με επίγεια αποτύπωση και ανάλυση. Ωστόσο, ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα παρακολούθησης κατολισθήσεων μεγάλων περιοχών, ιδιαίτερα ορεινών περιοχών, αφορά στην απόκτηση μίας ολοκληρωμένης βάσης δεδομένων. Αυτό σχετίζεται αφενός με την δυσκολία πρόσβασης στις ορεινές περιοχές, αλλά και με τη δυσκολία αναγνώρισης προηγούμενων κατολισθήσεων σε περιοχές που έχουν υποστεί αναβλάστηση. Για το λόγο αυτό οι περισσότερες μελέτες που έχουν ως αντικείμενο μεγάλες περιοχές έχουν εδώ και καιρό υιοθετήσει στη μεθοδολογία τους κάποια μορφή τηλεπισκόπισης. Κυρίως με την ερμηνεία αεροφωτογραφιών (aerial photographic interpretation).

4.Το περιεχόμενο της μελέτης

Η συγκεκριμένη μελέτη αφορά στο συνδυασμό εικόνων από Landsat ETM+ (Enhanced Thematic Mapper plus) με γεωμορφομετρικά δεδομένα προερχόμενα από DEM για την αναγνώριση και κατηγοριοποίηση σημαδιών ολίσθησης σε μία περιοχή των βουνών Cascade, στην περιοχή British Columbia του Καναδά. Μεταθετική ολίσθηση είναι το φαινόμενο όπου εμφανίζεται μετακίνηση μάζας κατά μήκος μιας κατά προσέγγιση επίπεδης ή ομαλά κυματοειδούς επιφάνειας , με πολύ μικρή περιστροφική κίνηση. Αυτού του είδους η αστοχία αποδίδει διακριτικά μορφικά χαρακτηριστικά στα προκύπτοντα σημάδια και αποθέσεις που μπορούν ευχερώς να αναγνωριστούν σε μία εικόνα Landsat. Φρέσκα σημάδια ολίσθησης θεωρούνται αυτά που δεν έχουν υποστεί σημαντική αναβλάστηση και για το λόγο αυτό είναι εύκολα αναγνωρίσιμα σε μία αεροφωτογραφία. Η τμηματοποίηση εικόνας ομαδοποιεί τα pixels σε αντικείμενα βάση των χαρακτηριστικών αντανάκλασης, της μορφής και της συγγένειας αυτών. Αυτή η ομαδοποίηση έχει ιδιαίτερη αξία στην αναγνώριση κατολισθήσεων, διότι επιτρέπει την χαρακτηριστικά όπως ο λόγος μήκους προς πλάτους να αποτελούν διευκρινιστικές κλάσεις. Αυτό μπορεί να παράξει πιο ακραία αποτελέσματα, από αυτά που έδιναν μελέτες που χρησιμοποιούσαν εικόνες φασματικής απόκρισης χωρίς pixels. Λόγω του μεγέθους των 30 εικονοστοιχείων μιας εικόνας Landsat κατολισθήσεις με μήκος κάτω των 30 με 60 μέτρων είναι μη αναλύσιμες. Γι αυτό γίνεται προσπάθεια αναγνώρισης κατολισθήσεων περίπου 1 εκταρίου στην περιοχή μελέτης. Για την μελέτη επιλέχθηκε η λεκάνη απορροής Chilliwack, η οποία βρίσκεται περίπου 160 km ανατολικά του Vancouver, στα σύνορα Η.Π.Α και Καναδά (Εικόνα1). Η μεταθετική ολίσθηση φαίνεται να είναι η κυρίαρχη μορφή εδαφικής μετακίνησης στη λεκάνη. Αυτή η κυριαρχία οφείλεται στην ύπαρξη παγετικών αντερεισμάτων, στο ορεινό ανάγλυφο, στις απόκρημνες κλιτύες, στον αβαθή μανδύα εδαφικών μαζών και στις άφθονες κατακρημνίσεις.

5.Συλλογή δεδομένων

Χρησιμοποιήθηκαν έγχρωμες αεροφωτογραφίες κλίμακας 1: 20.000, οι οποίες είχαν αποκτηθεί τον Ιούλιο του 1996, οι οποίες ερμηνεύτηκαν οπτικά με τη χρήση στερεοσκοπίου 10x για την αναγνώριση των σημαδιών μεταθετικής ολίσθησης στην περιοχή μελέτης. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακά δεδομένα, πιο συγκεκριμένα εικόνα από Landsat ETM +, η οποία είχε αποκτηθεί στις 8 Αυγούστου του 2001. Η προ επεξεργασία των έξι φασματικών καναλιών ενέπλεκε την ατμοσφαιρική διόρθωση βασισμένη στην προσέγγιση δεδομένου ατμοσφαιρικού μοντέλου. Λόγω της εγγύτητας της ακτής το θαλάσσιο ατμοσφαιρικό μοντέλο (maritime atmospheric model) επιλέχθηκε ως το πιο κατάλληλο. Η ορθοανόρθωση (orthorectification) επιτεύχθηκε με τη χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) και με τη χρήση DEM, από το περιφερειακό πρόγραμμα βάσης χαρτών (χάρτης 1:20.000 TRIM του 1998). Υπολογίστηκε η κλίση και η όψη από το DEM. Ένα NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) κανάλι δημιουργήθηκε από το κόκκινο και το υπέρυθρο φασματικό κανάλι του Landsat ETM+ για να εδραιωθεί ένα κατώτατο όριο διαφοροποίηση της βλάστησης . Με επίγειους ελέγχους εξακριβώθηκε η ακρίβεια των αεροφωτογραφιών και αποκτήθηκε γνώση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών της λεκάνης. Εξετάστηκαν 10 σημεία. Από την επιτόπια έρευνα διαπιστώθηκε ότι τα σημεία στα οποία φαινόταν να έχει γίνει κατολίσθηση στις αεροφωτογραφίες είχαν όντως υποστεί μεταθετική ολίσθηση.(Εικόνα 2Α)

6.Μεθοδολογία

Η ψηφιακή ανάλυση εικόνας έγινε με eCognition λογισμικό (Definiens 2002). Το λογισμικό αυτό επιτρέπει την τμηματοποίηση εικόνας (image classification) και την ταξινόμηση (classification) με ιεραρχική δυνατότητα που παρουσιάζεται στην εικόνα 2Β. Η τμηματοποίηση της εικόνας βασίζεται σε μία οριακή τιμή σύντηξης που εξαρτάται τόσο από τη φασματική όσο και από την μορφική ετερογένεια. Το κατώφλι αυτό εξαρτάται από παραμέτρους όπως η κλίμακα, το χρώμα, η μορφή, ο όγκος και η στιλπνότητα. Η τμηματοποίηση της εικόνας έγινε με βαθμονόμηση (scale) 10 και λόγο 8:2 για τη σχετική επιρροή της αντακλαστικότητας έναντι του σχήματος και 7:3 για τον όγκο έναντι της στιλπνότητας. Αυτός ο συνδυασμός παραμέτρων εδραιώθηκε μετά από αρκετές επαναλήψεις στις οποίες τα παραγόμενα τμήματα ή αντικείμενα φαίνονταν να συλλαμβάνουν τη μορφή και το μέγεθος των κατολισθήσεων στην περιοχή μελέτης. Επιλέχθηκε μια ισότιμη στάθμιση των 6 καναλιών του Landsat ETM+ και του καναλιού NDVI. Αυτό εξασφάλισε ότι τα τμήματα ή αντικείμενα που δημιουργήθηκαν ήταν συνεπή με τις φασματικές ή βλαστικές εικόνες και δεν εξαρτώνται από τα δεδομένα DEM ή από τα δύο μορφολογικά θεματικά επίπεδα δεδομένων. Το πλαίσιο ταξινόμησης που χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση των κατολισθήσεων βασίστηκε σε μία ιεραρχική ειδική δομή ώστε να αποκλειστούν αντικείμενα που δεν ενδιέφεραν. Το πρώτο επίπεδο αφορούσε στο διαχωρισμό των περιοχών με βλάστηση από αυτές χωρίς βλάστηση, χρησιμοποιώντας τον δείκτη NDVI. Αντικείμενα με τιμή NDVI κάτω των 0,69 θεωρήθηκαν χωρίς βλάστηση, ενώ αντικείμενα με τιμή άνω του 0,69 ως με βλάστηση. Η τιμή 0,69 επιλέχθηκε εμπειρικά βασισμένη σε έλεγχο των αντικειμένων της περιοχής μελέτης. Οι περιοχές με μη βλάστηση υποδιαιρέθηκαν παραπάνω για να αποκλειστούν περιοχές με κλίση εδάφους μικρότερη των 15 μοιρών. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση συνάρτησης απόφασης του Boolean στον περιγραφέα των κλάσεων. Με τον τρόπο αυτόν επιτεύχθηκε ο διαχωρισμός περιοχών χωρίς βλάστηση και με κλίση από τις επίπεδες περιοχές χωρίς βλάστηση. Έτσι εξαλείφτηκαν λίμνες, αλλά και περιοχές με δόμηση, αστικές περιοχές της κοιλάδας που βρίσκονται στα βόρεια της εικόνας. Στις περιοχές χωρίς βλάστηση και με κλίση της εικόνας αναγνωρίστηκαν κλάσεις για το χιόνι, το βράχο, τα πρανή προσχωμάτων, τις σκιές, την υλοτομία και τις κατολισθήσεις. Η ταξινόμηση του χιονιού και των σκιών βασίστηκε σε μέσες τιμές για κάθε ένα από τα δεδομένα επίπεδα, λόγω της διαφορετικότητας τους από τις άλλες κλάσεις. Για τα πετρώματα βασίστηκε πάνω στις τιμές των επιπέδων και στον περιγραφέα απόστασης, αφού αυτά απαντώνται συνήθως σε δεδομένη εγγύτητα. Σε αυτήν την περίπτωση το κατώφλι των 10 pixels χρησιμοποιήθηκε για καλύτερα αποτελέσματα. Πρανή προσχωμάτων, υλοτομία και κατολισθήσεις είναι εξαιρετικά όμοια από άποψη αντανακλαστικότητας, οπότε μορφολογικά και σχηματικά κριτήρια χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμησή τους.

7.Έλεγχοι

Ο έλεγχος της ταξινόμησης έγινε με σύγκριση της ταξινομημένης εικόνας με τα αποτελέσματα των αεροφωτογραφιών. Με σύγκριση των κατολισθήσεων στην ταξινομημένη εικόνα με αυτές στην αεροφωτογραφία ανιχνεύτηκαν λάθη παραλείψεως. Από τις 287 κατολίσθησης της περιοχής μελέτης επιλέχθηκε ένα δείγμα 40 τυχαίων για σύγκριση. Η εγκυρότητα των δειγμάτων εξετάστηκε και με επιτόπιο έλεγχο 10 φαινομένων. Λάθη επιτροπής βρέθηκαν αναγνωρίζοντας ένα τυχαίο δείγμα 40 κατολισθήσεων από το σχήμα ταξινόμησης με αυτές των αεροφωτογραφιών.

8.Αποτελέσματα Ανάλυσης

Με την ταξινόμηση επιτεύχθηκε η δυνατότητα απομόνωσης των περιοχών με αυξημένες πιθανότητες εμφάνισης κατολισθήσεων. Ο συνδυασμός των δεδομένων και των τεχνικών που ακολουθήθηκαν έδωσε ακρίβεια 75% για λάθη από απώλεια και 77,5% για λάθη από παράβλεψη.

9.Συμπεράσματα

Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της τμηματοποίησης για την αναγνώριση και κατηγοριοποίηση των μεταθετικών ολισθήσεων μιας ορεινής υδρολογικής λεκάνης. Διαφοροποιήθηκε η περιοχή σε μέρη που ήταν πιθανή η ύπαρξη κατολισθήσεων και σε μέρη που δεν ήταν. Φασματικά και γεωμορφολογικά δεδομένα σε συνδυασμό με σχηματικά δεδομένα αποδείχτηκαν αποτελεσματικά για την αναγνώριση κατολισθήσεων σε σύγκριση με παλαιότερες παραδοσιακές μεθόδους προ ψηφιακής στατιστικής ταξινόμησης από μόνο φασματικά δεδομένα.