Παρακολούθηση των αλλαγών της κάλυψης του εδάφους σε μια αναμορφωμένη περιοχή της Αιγύπτου χρησιμοποιώντας πολύ-χρονικά δεδομένα Landsat

Από RemoteSensing Wiki

Παρακολούθηση των αλλαγών της κάλυψης του εδάφους σε μια αναμορφωμένη περιοχή της Αιγύπτου χρησιμοποιώντας πολύ-χρονικά δεδομένα Landsat

Monitoring land cover changes in a newly reclaimed area of Egypt using multi-temporal Landsat data
N. Bakr, D.C. Weindorf, M.H. Bahnassy, S.M. Marei, M.M. El-Badawi, Applied Geography, Volume 30, Issue 4, December 2010, Pages 592-605  [4]

Περίληψη

Η παρακολούθηση των αλλαγών της εδαφοκάλυψης χρησιμοποιώντας πολύ-χρονικά τηλεπισκοπικά δεδομένα παρέχει μια αποτελεσματική και ακριβή αξιολόγηση των ανθρώπινων επιπτώσεων στο περιβάλλον. Η περιοχή Bustan 3, που βρίσκεται στην περιοχή της ερήμου του Δυτικού Δέλτα της Αιγύπτου, επιλέχθηκε για αναμόρφωση στη δεκαετία του 1990 και καταλαμβάνει 341,27 km2. Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να παρακολουθήσει τις αλλαγές της κάλυψης του εδάφους σε αυτή την περιοχή χρησιμοποιώντας πολύ-χρονικές εικόνες Landsat που λήφθηκαν το 1984, το 1990, το 1999, το 2004 και το 2008. Οι χρονικές αλλαγές προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας μια υβριδική προσέγγιση ταξινόμησης και τον δείκτη NDVI. Τα αποτελέσματα της υβριδικής ταξινόμησης έδειξαν ότι αυτή η περιοχή περιλαμβάνει τέσσερις τάξεις κάλυψης του εδάφους: αστική ή οικιστική γη, γεωργική γη, νερό και άγονο έδαφος. Η αξιολόγηση που πραγματοποιείται στις παραχθείσες θεματικές εικόνες δείχνει ότι ακρίβειες του 94,5%-100% επιτεύχθηκαν. Γενικά, από το 1984 ως το 2008, η περιοχή Bustan 3 της Αιγύπτου έχει βιώσει μια μεταμόρφωση από 100% άγονο έδαφος σε 79% γεωργική γη , ως αποτέλεσμα των επιτυχών προσπαθειών αναμόρφωσης.

Εισαγωγή

Δυο από τις πιο κοινές χρήσεις των δορυφορικών εικόνων είναι η χαρτογράφηση της εδαφοκάλυψης μέσω της ταξινόμησης εικόνας και της αλλαγής της εδαφοκάλυψης μέσω ανίχνευσης των αλλαγών. Τα δορυφορικά δεδομένα Landsat είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος δεδομένων για την χαρτογράφηση της εδαφοκάλυψης από το 1972. Η ανίχνευση των αλλαγών μπορεί να πραγματοποιηθεί με επιβλεπόμενες ή μη επιβλεπόμενες προσεγγίσεις. Μια επιβλεπόμενη τεχνική απαιτεί σημεία επίγειου ελέγχου για να αντλήσει τα σύνολα εκπαίδευσης που περιέχουν πληροφορίες για τις φασματικές υπογραφές των αλλαγών που συμβαίνουν στην εξεταζόμενη περιοχή μεταξύ δυο χρονολογιών. Μια μη επιβλεπόμενη τεχνική εκτελεί ανίχνευση αλλαγών χωρίς καμία πρόσθετη πληροφορία, ωστόσο, είναι γεμάτη με ορισμένους κρίσιμους περιορισμούς. Δεδομένου ότι αυτές οι βασικές προσεγγίσεις έχουν περιορισμένη χρησιμότητα ανεξάρτητες, μια υβριδική μέθοδος ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε για να ληφθούν τόσο η υψηλή ακρίβεια όσο και η αποδοτικότητα των αλλαγών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν: (1) να παρέχει μια πρόσφατη προοπτική για τους διαφορετικούς τύπους εδαφοκάλυψης που βρίσκονται στην περιοχή Bustan 3 της Αιγύπτου και (2) να παρακολουθήσει τις αλλαγές της εδαφοκάλυψης στην περιοχή Bustan 3, που έχουν πραγματοποιηθεί από το 1984 έως το 2008, χρησιμοποιώντας την υβριδική τεχνική ταξινόμησης και τον δείκτη NDVI.

Περιοχή Μελέτης - Μέθοδοι

Η περιοχή ερήμου του Δυτικού Δέλτα στην Αίγυπτο περιλαμβάνει μια συνολική έκταση αναμόρφωσης 2.346 km2. Η περιοχή επέκτασης EL Bustan (Bustan 3) είναι μια από τις Newlands στην ζώνη ανάπλασης του Δυτικού Δέλτα (εικόνα 1). Περίπου το 70% αυτής της περιοχής έχει μια καλή δυνατότητα για αγροτική παραγωγή και θα μπορούσε να αυξηθεί σε 96% όταν εφαρμόζονται οι βέλτιστες πρακτικές διαχείρισης. Πέντε εικόνες από τον Landsat 4, 5 και 7 επιλέχθηκαν για να υποστηρίξουν την χρονικής σειράς ανάλυση σε αυτή την έρευνα: 1984, 1990, 1999, 2004 και 2008 (πίνακας 1). Όλες οι σκηνές δεδομένων αποκτήθηκαν υπό καθαρές ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Εικόνα 1 : Η γενική τοποθεσία και η βασική υποδομή της περιοχής Bustan 3, Αίγυπτος.[1]πηγή

Υβριδική Μεθοδολογία Ταξινόμησης
Επιβλεπόμενη διαδικασία: Ένα ιεραρχικό σύστημα ταξινόμησης της κάλυψης του εδάφους χρησιμοποιήθηκε για να ανιχνεύσει τις διαφορετικές τάξεις εδαφοκάλυψης στην περιοχή Bustan 3. Σύμφωνα με αυτό το σύστημα, 4 κατηγορίες εδαφοκάλυψης υπάρχουν σε αυτή την περιοχή: (1) αστική ή οικιστική γη, (2) αγροτική γη, (3) νερό και (4) άγονο έδαφος. Τα διάφορα στοιχεία μελέτης σκιαγραφήθηκαν για την κάθε τάξη εδαφοκάλυψης και επαληθεύθηκαν μέσω ενός ψηφιακού τοπογραφικού χάρτη, των σημείων επίγειου ελέγχου και της οπτικής ερμηνείας των διαφόρων εικόνων. Ο κανόνας απόφασης της Μεγίστης Πιθανοφάνειας χρησιμοποιήθηκε ως παραμετρικός κανόνας. Η βάση του ταξινομητή της Μεγίστης Πιθανοφάνειας είναι η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF), η οποία εξαρτάται από την απόσταση Mahalanobis μεταξύ του κάθε pixel και του κέντρου βάρους της τάξης που ανήκει. Όταν εκτελέσθηκε η ταξινόμηση της Μεγίστης Πιθανοφάνειας ένα αρχείο απόστασης εικόνας, απόσταση Mahalanobis, παρήχθη επίσης. Αυτό στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για να δημιουργήσει την εικόνα εμπιστοσύνης, η οποία ολοκληρώθηκε για τον εντοπισμό των pixels τα οποία είναι το πιο πιθανό, λανθασμένα ταξινομημένα και τοποθετούνται στην τάξη μηδέν.
Μη Επιβλεπόμενη διαδικασία: Η μη επιβλεπόμενη προσέγγιση ταξινόμησης ονομάζεται συνήθως συσσώρευση, επειδή βασίζεται στις φυσικές ομάδες των pixels στα δεδομένα εικόνας. Ο επαναληπτικής βελτιστοποίησης αλγόριθμος ανάλυσης συσσωρεύσεων (ISODATA) χρησιμοποιήθηκε για την ολοκλήρωση της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Σε αυτή τη μέθοδο συσσωρεύσεων, τα pixels που ανήκουν σε μια συγκεκριμένη συσσώρευση είναι φασματικά παρόμοια και η πολύ συχνά παρόμοια μήτρα που συναντάται είναι η Ευκλείδεια απόσταση. Είκοσι πέντε φασματικές συσσωρεύσεις για την κάθε εικόνα σε κάθε έτος διαμορφώθηκαν για να διαχωρίσουν την πληροφορία εικόνας σε μια πιο αναγνώσιμη μορφή με ένα 0,97 όριο σύγκλισης. Στη συνέχεια ένας επιβλεπόμενος αλγόριθμος εφαρμόστηκε στο αρχείο υπογραφών ISODATA. Οι κανόνες απόφασης του παραλληλεπιπέδου ως ο μη-παραμετρικός κανόνας και ο Μεγίστης Πιθανοφάνειας ως ο παραμετρικός κανόνας επιλέχθηκαν. Ένας επιβλεπόμενος αλγόριθμος εφαρμόστηκε μόνο στις αταξινόμητες μάσκες εικόνας, που προέκυψαν από την επιβλεπόμενη διαδικασία.

Εικόνα 2 : Θεματικές εικόνες αντιπροσωπεύουν την χωρική κατανομή των διαφορετικών τάξεων εδαφοκάλυψης σε διαφορετικές χρονολογίες στην περιοχή Bustan 3, Αίγυπτος. Το γράφημα εξηγεί την περιοχή με το ποσοστό της κάθε τάξης εδαφοκάλυψης σε διαφορετικές χρονολογίες.[2]πηγή

Αποτελέσματα

Για την κάθε ημερομηνία, 4 τάξεις εδαφοκάλυψης εξετάστηκαν στην περιοχή Bustan 3: αστική ή οικιστική γη, γεωργική γη, νερό και άγονο έδαφος. Η εικόνα 2 και ο πίνακας 2 εξηγούν τις θεματικά ταξινομημένες εικόνες από την υβριδική τεχνική ταξινόμησης και την έκταση που καλύπτει η κάθε τάξη εδαφοκάλυψης.

Στον πίνακα 3, η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης και τα στατιστικά kappa ήταν 100% και 1, αντίστοιχα, το 1984. Αυτό είναι αλήθεια, διότι κατά την διάρκεια εκείνης τη περιόδου μόνο άγονο έδαφος υπήρχε. Μέχρι το 1999, 4 τάξεις εδαφοκάλυψης διακρίθηκαν και η συνολική ακρίβεια και τα στατιστικά kappa έγιναν 96,5% και 0,9 αντίστοιχα. Το 2004 ως το 2008 η εντυπωσιακή αλλαγή μεταξύ των 4 τάξεων έκανε την διαφοροποίηση μεταξύ άγονο έδαφος και γεωργική γη πιο δύσκολη. Ως εκ τούτου η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης και τα στατιστικά kappa μειώθηκαν σε 95% και 0,88 αντίστοιχα. Η εικόνα 8.3. δείχνει τις θεματικές εικόνες αλλαγής της κάλυψης του εδάφους χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της υβριδικής τεχνικής ταξινόμησης σε δυο διαφορετικές χρονιές. Ο πίνακας 4 δείχνει τον crosstabulation πίνακα για τις περιοχές που άλλαξαν από μια τάξη εδαφοκάλυψης σε άλλη σε ποσοστά. Η συνολική έκταση αλλαγής κατά τη διάρκεια αυτών των 9 χρόνων ήταν 71,5%, ενώ το 28,5% παρέμεινε αμετάβλητο. Μερικά παράλογα αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στον πίνακα 4 όπως η αστική γη να μεταβάλλεται σε νερό ή άγονο έδαφος. Αυτά μπορεί να οφείλονται στην ανακριβή ανάλυση κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας των τάξεων υπογραφής.

Εικόνα 3 : Εικόνες θεματικής αλλαγής που υποδεικνύουν την ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης του εδάφους ανάμεσα σε κάθε δυο χρονιές. Το γράφημα διευκρινίζει την έκταση της κάθε τάξης εδαφοκάλυψης ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο που αυξήθηκε ή μειώθηκε σε διαφορετικές χρονολογίες. Το μικρό γράφημα δείχνει τις περιοχές που αυξήθηκαν τόσο για το νερό όσο και για την αστική γη σε διαφορετικές χρονολογίες.[3]πηγή

Συμπεράσματα

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 24 ετών (1984-2008) μια εντυπωσιακή αλλαγή της κάλυψης του εδάφους παρατηρήθηκε στην περιοχή Bustan 3, μια από τις πρόσφατα αναμορφωμένες περιοχές στην δυτική έρημο της Αιγύπτου. Σε αυτή τη μελέτη η υβριδική προσέγγιση ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση των αλλαγών της εδαφοκάλυψης κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, ο συνδυασμός των συστημάτων επιβλεπόμενης και μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης στην υβριδική τεχνική ταξινόμησης προσέφερε πιο αξιόπιστες και ακριβείς ταξινομημένες εικόνες, που χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αλλαγής της εδαφοκάλυψης σε αυτή την περιοχή. Σε περιοχές όπως η Bustan 3, μεικτές τάξεις από μέτριας ανάλυσης εικόνες Landsat απαιτούν τη γνώση για τους πραγματικούς τύπους εδαφοκάλυψης για να επιτευχθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα.