Συγκριτική μελέτη της χρήσης δορυφορικών εικόνων στην χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων

Από RemoteSensing Wiki

Συγκριτική μελέτη της χρήσης δορυφορικών εικόνων χαμηλής, μέσης-υψηλής και πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας στην χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων

Συγγραφείς: Ιωάννης Ζ. Γήτας, Khaldoun N. Rishmawi

1. Εισαγωγή

Οι φυσικές πυρκαγιές αποτελούν αναπόσπαστο μέρος πολλών χερσαίων οικοσυστημάτων ενώ έχουν αυξητικές τάσεις στις Μεσογειακές χώρες. Όταν μια δασική έκταση καταστρέφεται από πυρκαγιά, λεπτομερείς και άμεσες πληροφορίες σχετικά με τη θέση και την έκταση της καμένης έκτασης καθώς και το βαθμό της καταστροφής είναι απαραίτητες. Ακόμα και σήμερα στις Μεσογειακές χώρες και στην Ελλάδα οι καμένες εκτάσεις δεν χαρτογραφούνται παρά μόνο πάνω σε τοπογραφικό χάρτη της παραγωγής δημιουργείται η περίμετρος της πυρκαγιάς ύστερα από εκτενείς επισκέψεις στην καμένη περιοχή χωρίς ωστόσο πληροφορίες για τα είδη που κάηκαν ενώ η διαδικασία ολοκληρώνεται ύστερα από μήνες. Εναλλακτική λύση αποτελεί η τηλεπισκόπιση με χρήση τηλεπισκοπικών εικόνων χαμηλής (από δορυφορικούς απεικονιστές NOAA/AVHRR και SPOT), μέσης-υψηλής (από LANDSAT TM) και πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας (IKONOS). Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης των παραπάνω εικόνων στην ακριβή χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων με επιμέρους στόχους:

• την ακριβή τους χαρτογράφηση με τη χρήση εικόνων AVHRR και LANDSAT TM
• την ανάπτυξη μεθόδου για την ακριβή χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων με τη χρήση των εικόνων IKONOS
• την ανάδειξη των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων της χρήσης εικόνων από τους τρεις απεικονιστές στη χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων

2. Υλικά και μέθοδοι

Περιοχή μελέτης Περιοχή μελέτης είναι η Θάσος όπου κυρίαρχο δασικό είδος είναι η Τραχεία πεύκη με δεύτερο είδος τη Μαύρη πεύκη. Τρεις πυρκαγιές τη δεκαετία του 1980, είχαν σαν αποτέλεσμα να καούν περισσότερα από 20.000 ha δάσους (πάνω από το 70% των συστάδων Τραχείας πεύκης, 60% των συστάδων Μαύρης πεύκης και περίπου το 80% των μεικτών συστάδων πεύκης) ενώ το 2000 μία ακόμα πυρκαγιά έκαψε επιπλέον 165 ha. Η περίμετρος των πυρκαγιών αυτών φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Για την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν:

• δύο εικόνες NOAA/AVHRR μία πριν και μία μετά την πυρκαγιά
• μία εικόνα LANDSAT TM μετά την πυρκαγιά
• μία εικόνα IKONOS μετά την πυρκαγιά
• οι περίμετροι των πυρκαγιών όπως αποτυπώθηκαν από τη Δασική Υπηρεσία
• ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (ανάλυσης 10μ) που δημιουργήθηκε από τοπογραφικούς χάρτες
• στοιχεία που συλλέχθηκαν στην καμένη έκταση το 2000 με τη χρήση δέκτη του δορυφορικού συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS) και
• τοπογραφικοί και θεματικοί χάρτες

Χαρτογράφηση με δορυφορικά δεδομένα AVHRR/ΝΟΑΑ

Τα χαρακτηριστικά του είναι καθημερινή κάλυψη, με διακριτική ικανότητα 1,1μ και ημερήσια και νυχτερινή λήψη. Αρχικά έγινε επεξεργασία των δύο διαθέσιμών εικόνων (ατμοσφαιρική και ραδιομετρική διόρθωση με αποτέλεσμα ην κανονικοποίηση των δύο εικόνων, σχετική διόρθωση με τη βοήθεια της μεθόδου της γραμμικής παλινδρόμησης, γεωμετρική διόρθωση). Ακολούθησε υπολογισμός του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI) για κάθε μία από τις δύο εικόνες και στη συνέχεια ο δείκτης της εικόνας μετά την πυρκαγιά αφαιρέθηκε από το δείκτη της εικόνας πριν την πυρκαγιά γιατί σχετίζεται με την καταστροφή της βλάστησης. Για την εκτίμηση της ακρίβειας έγινε σύγκριση με την περίμετρο της πυρκαγιάς όπως αυτή αποτυπώθηκε από τη Δασική Υπηρεσία, με σχετική ακρίβεια έως 88%. Η κυριότερη σύγχυση που παρατηρήθηκε ήταν αυτή της καμένης έκτασης με τα αβαθή ύδατα κοντά στην ακτογραμμή. Το πρόβλημα εντοπίζεται στη χαμηλή διακριτική ικανότητα του απεικονιστή η οποία και επηρέασε την ακρίβεια της σχετικής γεωμετρικής διόρθωσης των δύο εικόνων. Επίσης περιοχές μη καμένης βλάστησης μέσα στην περίμετρο της πυρκαγιάς χαρτογραφήθηκαν ως καμένες.

Χαρτογράφηση με δορυφορικά δεδομένα LANDSAT TM

Ο απεικονιστής ΤΜ έχει διακριτική ικανότητα 30μ και κάλυψη κάθε 18 μέρες. Η ακρίβειά του επηρεάζεται αρνητικά από τη σύγχυση ανάμεσα σε περιοχές που σκιάζονται εξαιτίας του ανάγλυφου και τις καμένες εκτάσεις. Η προεπεξεργασία των εικόνων περιελάμβανε ατμοσφαιρική, γεωμετρική, τοπογραφική διόρθωση και δυαδικό εφοδιαστικό μοντέλο παλινδρόμησης. Για την εκτίμηση στης ακρίβειας της μεθόδου έγινε κι εδώ σύγκριση με την περίμετρο της πυρκαγιάς όπως αυτή αποτυπώθηκε από τη Δασική Υπηρεσία, με σχετική ακρίβεια έως 97,4% ενώ ο οπτικός έλεγχος έδειξε ότι η τοπογραφική διόρθωση είχε ως αποτέλεσμα τον ακριβή διαχωρισμό των καμένων από τις σκιαζόμενες εκτάσεις.

Χαρτογράφηση με δορυφορικά δεδομένα IKONOS

Τα χαρακτηριστικά του είναι κάλυψη κάθε 3 μέρες και διακριτική ικανότητα 1μ.Η προεπεξεργασία περιελάμβανε ατμοσφαιρική και γεωμετρική διόρθωση. Για τον διαχωρισμό των καμένων εκτάσεων από τις άλλες κατηγορίες κάλυψης γης (νερό, αστικές περιοχές, βλάστηση, γυμνές και σκιαζόμενες επιφάνειες) αναπτύχθηκε μια πολύπλοκη μεθοδολογία που περιλάμβανε σύγκριση φασματικών υπογραφών, παραγωγή χρωματικών μοντέλων έντασης-απόχρωσης-καθαρότητας, παραγωγή κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI), κανονική ανάλυση διάκρισης, επιβλεπόμενη ταξινόμηση κ.ά. Η σχετική ακρίβεια της μεθόδου ήταν της τάξης του 92,5% ενώ η μέθοδος είχε ως αποτέλεσμα τον διαχωρισμό των δύο τύπων πυρκαγιάς, της επικόρυφης και της επιφανειακής (εικόνα 4) όπως αυτό αποδείχθηκε από τη σύγκριση με τα δεδομένα πεδίου.

Όμως η σύγχυση που παρατηρήθηκε ανάμεσα στην πυρκαγιά επιφάνειας και τις σκιαζόμενες εκτάσεις που καλύπτονται από βλάστηση υπορόφου δεν εξαλείφθηκε πλήρως λόγω του ότι μερικές από τις εκτάσεις της κατηγορίας πυρκαγιές επιφάνειας και είναι κι αυτές σκιαζόμενες.

3. Συμπεράσματα

Στα πλαίσια της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ανάλυσης εικόνων AVHRR και ΤΜ που είχαν σαν αποτέλεσμα τον διαχωρισμό των καμένων εκτάσεων από τις άλλες κατηγορίες κάλυψης γης με μεγάλη ακρίβεια. Επιπλέον αναδείχθηκε μεθοδολογία ανάλυσης δορυφορικών δεδομένων IKONOS που είχε επίσης σαν αποτέλεσμα τον ακριβή διαχωρισμό των καμένων εκτάσεων από τις άλλες κατηγορίες κάλυψης γης. Η χρήση του κάθε τύπου εικόνας έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα:

• αν και ο απεικονιστής AVHRR δε δίνει τη δυνατότητα εντοπισμού των περιοχών υγιούς βλάστησης μέσα στην περίμετρο της πυρκαγιάς είναι ο μοναδικός απεικονιστής με καθημερινή κάλυψη ενώ δεδομένα του διανέμονται ελεύθερα στο διαδίκτυο
• η χρήση των εικόνων LANDSAT TM έχει ως αποτέλεσμα τον ακριβή εντοπισμό αλλά και την παροχή λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με την καμένη έκταση
• η χρήση των εικόνων IKONOS έχει ως αποτέλεσμα τον ακριβή εντοπισμό αλλά και την παροχή λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με την καμένη έκταση
• ένα επιπλέον πλεονέκτημα των εικόνων πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας (IKONOS) είναι και η ικανότητα διαχωρισμού μεταξύ επικόρυφης και πυρκαγιάς επιφάνειας
• με τη χρήση εικόνων πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας εισάγονται καινούργιοι τύποι θορύβου στην εικόνα. Για παράδειγμα, οι σκιές των μεμονωμένων υψηλών δέντρων εισάγουν θόρυβο στις εικόνες IKONOS που μπορεί να αποτελέσει πηγή σύγχυσης με την καμένη έκταση.

Με βάση τα παραπάνω και με δεδομένη τη μικρή περιοχή κάλυψης(11χ11) αλλά και το μεγάλο κόστος αγοράς των δεδομένων IKONOS, οι εικόνες του LANDSAT TM θα είναι η καλύτερη επιλογή σε επιχειρηματικό επίπεδο για την καταγραφή του συνόλου των πυρκαγιών της χώρας σε ετήσια βάση.

Πηγή: Ιωάννης Ζ. Γήτας , Khaldoun N. Rishmawi. Ανακτήθηκε από: http://www.geotee.gr/lnkFiles/2003-3.pdf 01-2-2011