ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΤΩΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΣΤΙΣ ΛΕΚΑΝΕΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΗΣ ΜΕΣΟΓΕΙΟΥ ΜΕ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Από RemoteSensing Wiki

1. Αντικείμενο Εφαρμογής: ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΤΩΝ ΑΡΔΕΥΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ ΣΤΙΣ ΛΕΚΑΝΕΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΗΣ ΜΕΣΟΓΕΙΟΥ ΜΕ ΧΑΜΗΛΟΥ ΚΟΣΤΟΥΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ

2. Στόχος Εφαρμογής: Στόχος της εφαρμογής είναι η εύρεση μίας χαμηλού κόστους μεθοδολογίας για τη χαρτογράφηση των μεσογειακών λεκανών απορροής με χρήση δορυφορικών συστημάτων παρακολούθησης.

3. Είδη Δορυφόρων, Δεκτών και Καναλιών: Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη ήταν μία από το δέκτη ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) στο σύστημα του δορυφόρου Terra και μία από το δορυφόρο SPOT-4 HRV. Η εικόνα ASTER καλύπτει όλη την περιοχή της Μυγδόνιας λεκάνης στις λίμνες Βολβή και Κορώνια με χωρική διακριτική ικανότητα 15μ στο ορατό και υπέρυθρο κανάλι και 30μ στο μικροκυματικό υπέρυθρο. Οι εικόνα του SPOT καλύπτει τη δυτική πλευρά της περιοχής όπου βρίσκεται η αρδευόμενη έκταση την ίδια περίοδο με τον ASTER. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν δύο εικόνες Landsat 7 ETM+ για τον ποταμό Στριμώνα, οι οποίες κάλυπταν την περιοχή με χωρική διακριτική ικανότητα στο ορατό, στο εγγύς υπέρυθρο και στο μικροκυματικό υπέρυθρο. Στην ΕΙΚΟΝΑ 1 παρουσιάζονται οι τέσσερις δορυφορικές εικόνες της περιοχής.

4. Ψηφιακές επεξεργασίες/αλγόριθμοι και αποτελέσματα:

• Φασματικοί Δείκτες: Ο NDVI είναι ο πιο διαδεδομένος δείκτης βλάστησης και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε μελέτες καλλιεργειών. Βασίζεται στις φασματικές ιδιότητες της χλωροφύλλης στο κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο τμήμα του φάσματος για να τονίσει την ύπαρξη φωτοσυνθέτουσας βλάστησης, δηλαδή στην περίπτωσή μας την αρδευόμενη περιοχή. Επίσης χρησιμοποιήθηκε και ο δείκτης υγρασίας Normalised DifferenceWetness Index (NDWI) γιατί είναι ευαίσθητος στην περιεχόμενη υγρασία των φυτών αφού βασίζεται στην αυξημένη απορρόφηση της μικροκυματικής υπέρυθρης ακτινοβολίας από την υγρασία των φυλλωμάτων τους. Χρησιμοποιεί την ανακλώμενη ενέργεια στο εγγύς και μικροκυματικό υπέρυθρο για να βελτιώσει την αναπαράσταση της βλάστησης με υψηλή περιεχόμενη υγρασία δηλαδή την αρδευόμενη περιοχή. Τα απαραίτητα κανάλια για τον υπολογισμό του NDWI στην έρευνα αυτή υπάρχουν μόνο στις εικόνες ASTER και Landsat.

• Ανάλυση σε Κύριες Συνιστώσες (PCA): Η ανάλυση αυτή αποτελεί ένα μαθηματικό μετασχηματισμό των δεδομένων της εικόνας και χρησιμοποιείται για τη «συμπίεση» πληροφοριών των πολυφασματικών εικόνων στις τρεις πρώτες συνιστώσες (PC1,PC2 και PC3). Με την ανάλυση αυτή οι περισσότερη πληροφορία της εικόνας μπορεί να αναπαρασταθεί στο ψευδέγχρωμο σύνθετο R, G, B = PC1, PC2, PC3. Στην περίπτωση αυτή η (PCA) χρησιμοποιήθηκε για τη βελτίωση της αναγνώρισης των αρδευόμενων περιοχών υποθέτοντας ότι αφού οι περιοχές αυτές καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της εικόνας τότε θα εμφανιστούν και σε μία από τις τρεις κύριες συνιστώσες της εικόνας. Στη συνέχεια έγινε σύγκριση των κύριων συνιστωσών με τιε περιοχές εκπαίδευσης για να επιλεγεί στο τέλος εκείνη η εικόνα-συνιστώσα με τη μεγαλύτερη αντίθεση μεταξύ αρδευόμενων και μη περιοχών.

• Επιβλεπόμενη Ταξινόμηση : Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε για την αυτόματη φασματική ομαδοποίηση των εικονοστοιχείων των πολυφασματικών εικόνων σε κατηγορίες προκαθορισμένων κλάσεων με βάση τη διακύμανση της ανακλαστικότητας των εικονοστοιχείων στα κανάλια των δορυφόρων. Οι περιοχές εκπαίδευσης που επιλέχθηκαν ήταν: αρδευόμενες καλλιέργειες, μη αρδευόμενες καλλιέργειες, φυσική βλάστηση, ξηρό έδαφος, διευθετήσεις και έργα υποδομής και νερό. Στη συνέχεια τα εικονοστοιχεία ταξινομήθηκαν με βάση τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας και τέλος έγινε συγχώνευση όλων των κλάσεων εκτός των «αρδευόμενων περιοχών» σε μία έτσι ώστε πλέον στον παράγωγο θεματικό χάρτη να υπάρχουν μόνο «αρδευόμενες» και «μη αρδευόμενες περιοχές».

• Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση: Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε επίσης για την αυτόματη ομαδοποίηση των εικονοστοιχείων σε ομάδες παρόμοιας ανακλαστικότητας με βάση σταστιστικές μεθόδους χωρίς όμως να έχουν προκαθοριστεί οι κλάσεις. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος ομαδοποίησης ISODATA (Iterative Self-Organising Data Analysis Technique), η οποία υπολογίζει τις φασματικές αποστάσεις σε μία επαναληπτική διαδικασία η οποία σταματάει όταν στην εικόνα εμφανιστούν όλα τα φασματικά πρότυπα. Τέλος, οι φασματικές κλάσεις αντιστοιχήθηκαν σε κατηγορίες εδαφοκάλυψης με φωτοερμηνεία των περιοχών εκπαίδευσης και δημιουργήθηκε ο χάρτης των «αρδευόμενων» και «μη αρδευόμενων περιοχών».

• Κατωφλίωση: Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται σε εικόνες που περιέχουν ένα επίπεδο πληροφορίας (singlelayered images) συνήθως μετά την ψηφιακή ενίσχυσή τους. Βασίζεται στην επιλογή μίας τιμής-κατωφλίου στο ιστόγραμμα συχνοτήτων της εικόνας εισόδου, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την κατάτμηση του ιστογράμματος σε δύο κομμάτια, στα οποία ανατίθεται και μία κλάση (αρδευόμενες και μη περιοχές) και με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ένας θεματικός χάρτης. Η τιμή-κατώφλι που επιλέχθηκε σε αυτή την εφαρμογή ήταν το σημείο, το οποίο έχει ίση πιθανότητα να ανήκει σε κάθε ιστόγραμμα με βάση την κατανομή τους. Το σημείο αυτό ήταν συνήθως το εμβαδό μεταξύ των δύο ιστογραμμάτων. Η κατωφλίωση στην PC2 έδωσε τη μεγαλύτερη ακρίβεια 98.4%, η οποία παρουσιάζεται στην ΕΙΚΟΝΑ 2.

• Υπολογισμός ακρίβειας: Για την εκτίμηση της ακρίβειας των ταξινομήσεων απαιτείται ένας πίνακας σφαλμάτων ο οποίος συγκρίνει τη σχέση μεταξύ των δεδομένων αναφοράς και των αποτελεσμάτων της αυτοματοποιημένης ταξινόμησης. Από τον πίνακα αυτόν προκύπτει η συνολική ακρίβεια του θεματικού χάρτη και ο δείκτης kappa, ο οποίος αντιπροσωπεύει την αξιοπιστία του.

• Οπτική βελτίωση αποτελεσμάτων: Ο χάρτης των αρδευόμενων περιοχών παρουσιάστηκε ως «ένταση άρδευσης» η οποία βοηθά να καταλάβουμε ευκολότερα την επιβάρυνση που δέχονται οι φυσικοί πόροι της λεκάνης απορροής. Η ένταση της άρδευσης ορίστηκε ως το ποσοστό της αγροτικής γης που αρδεύεται και υπολογίστηκε θεωρώντας τα αγροτεμάχια ως χωρικές μονάδες. Τα αγροτεμάχια αναγνωρίστηκαν από φωτοχάρτες κλίμακας 1:5,000 της περιοχής μελέτης. Στην ΕΙΚΟΝΑ 3 παρουσιάζεται ο χάρτης έντασης της άρδευσης για τη Μυγδόνια λεκάνη απορροής.

5. Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων: Η προτεινόμενη μεθοδολογία αποδείχθηκε επιτυχής στον υπολογισμό του εμβαδού της αρδευόμενης περιοχής στη Μυγδόνια λεκάνη. Η μεθοδολογία συμπεριέλαβε διαφορετικά πακέτα δεδομένων σε διαφορετικές κλίμακες και πέτυχε ακρίβεια υπολογισμού ως και 98.4% με δείκτη αξιοπιστίας k ως 0.967. Συνεπώς είναι ένα αποτελεσματικό εργαλείο για τη διαχείριση και προστασία των σπάνιων υδάτινων πόρων και μπορεί να καθοδηγήσει τις προτεραιότητες που θα τεθούν για το σχεδιασμό που αφορά σε αυτές καθώς και να επηρεάσει το σχεδιασμό των χρήσεων γης. Τέλος, η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες λεκάνες της Μεσογείου για τις οποίες ισχύουν οι υποθέσεις που διατυπώθηκαν.

ΠΡΩΤΟΤΥΠΟ ΑΡΘΡΟ

Mapping irrigated area in Mediterranean basins Thomas K. Alexandridisa, George C. Zalidisb, Nikolaos G. Silleos