Χαρτογράφηση Καμένων Περιοχών στην Ελλάδα Χρησιμοποιώντας Εικόνες SPOT-4 HRVIR και Αντικειμενοστρεφή Ανάλυση Εικόνας.

Από RemoteSensing Wiki

Χαρτογράφηση καμένων περιοχών στην Ελλάδα χρησιμοποιώντας εικόνες SPOT-4 HRVIR και αντικειμενοστρεφή ανάλυση εικόνας.

Πρωτότυπος τίτλος: Burned Area Mapping in Greece Using SPOT-4 HRVIR Images and Object-Based Image Analysis

Συγγραφείς: Anastasia Polychronaki, Ioannis Z. Gitas

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing 2012, 4(2), 424-438

Σκοπός

Οι καταστροφικές πυρκαγιές που συνέβησαν τα καλοκαίρια του 2007 και 2009 στην Ελλάδα έκανα προφανή την ανάγκη για έναν λειτουργικό μηχανισμό χαρτογράφησης καμένων περιοχών. Με σκοπό τη δημιουργία μιας διαδικασίας ταξινόμησης για χαρτογράφηση καμένων περιοχών, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες SPOT-4 HRVIR σε περιβάλλον αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης. Η διαδικασία βασίστηκε σε δύο εικόνες και στη συνέχεια έγιναν έλεγχοι για τη δυνατότητα μεταφοράς σε άλλες καμένες περιοχές. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ υψηλή ακρίβεια ταξινόμησης και η διαδικασία αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης που αναπτύχθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες περιοχές μελέτης.

Εισαγωγή Οι ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τις επιπτώσεις της φωτιάς στο περιβάλλον είναι σημαντικός παράγοντας για τις ακόλουθες διαδικασίες: ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων της φωτιάς στο τοπίο, επιλογή και προτεραιοποίηση των επί τόπου διαδικασιών βελτίωσης, σχεδιασμός και παρακολούθηση διαδικασιών αποκατάστασης και παροχή πληροφοριών για μελλοντική παρακολούθηση. Λόγω της εξαιρετικά ευρείας έκτασης και της συχνά περιορισμένης πρόσβασης στις πυρόπληκτες περιοχές, η δορυφορική τηλεπισκόπηση αποτελεί μια βασική τεχνολογία για τη συλλογή πληροφοριών μετά την πυρκαγιά με αποδοτικό τρόπο και χαμηλό κόστος. Λόγω της αυξημένης συχνότητας πυρκαγιών στην περιοχή της Μεσογείου, είναι αναγκαία η δημιουργία μιας αξιόπιστης διαδικασίας για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών με ακρίβεια και ταχύτητα. Οπτικά δορυφορικά δεδομένα χρησιμοποιούνται εδώ και χρόνια για την ανίχνευση και χαρτογράφηση πυρόπληκτων περιοχών, κάνοντας χρήση μιας σειράς δορυφόρων και διαφορετικών τεχνικών, ονομαστικά: principal component analysis, spectral mixture analysis, logistic regression modeling, supervised classification, multitemporal image composition algorithms, spectral indices thresholding και πρόσφατα support vector machines technique for burned area mapping. Παρότι έχουν χρησιμοποιηθεί πολλές διαφορετικές τεχνικές, οι μεθοδολογίες δημιουργούν διάφορους τύπους σύγχυσης μεταξύ των καμένων εκτάσεων και άλλων χρήσεων γης, όπως υδατικοί όγκοι, σκιές και υγιής βλάστηση. Η αντικειμενοστρεφής ανάλυση ξεκίνησε να χρησιμοποιείται πρόσφατα στο πεδίο της χαρτογράφησης πυρόπληκτων περιοχών και ήδη δείχνει καλά αποτελέσματα. Οι στόχοι της συγκεκριμένης εργασίας είναι: η δημιουργία μιας μεθοδολογίας αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης για τη χαρτογράφηση πυρόπληκτων εκτάσεων στις δύο περιοχές της Ελλάδας χρησιμοποιώντας SPOT-4 HVIR εικόνες και ο έλεγχος της δυνατότητας χρήσης της συγκεκριμένης μεθοδολογίας ταξινόμησης για την χαρτογράφηση δύο διαφορετικών πυρόπληκτων περιοχών της Ελλάδας.

Περιοχή Μελέτης και Δεδομένα

Η παρούσα εργασία εξετάζει τις πυρκαγιές που συνέβησαν στις περιοχές της Πελοποννήσου, Ανατολικής Αττικής, Πηλίου και Πάρνηθας, τα καλοκαίρια του 2007 και 2009. Οι περιοχές μελέτης είναι καλυμμένες από διαφορετικά ήδη βλάστησης, χαμηλής και δασώδους. Το καλοκαίρι του 2007 η Ελλάδα αντιμετώπισε μια από τις χειρότερες καταστροφές των τελευταίων δεκαετιών, με το 12% της συνολικής δασώδους επιφάνειας της Ελλάδας να έχει καεί. Τέσσερις εικόνες SPOT -4 HVIR (4 κανάλια: πράσινο, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο (NIR) και μικρού μήκους κύματος υπέρυθρο (SWIR)) αποκτήθηκαν πολύ σύντομα μετά τις πυρκαγιές. Παράλληλα, λόγω της έλλειψης επίσημων περιμέτρων των πυρκαγιών, χρησιμοποιήθηκαν 3 εικόνες πολύ υψηλής ανάλυσης (VHR) (2 SPOT-5 , 1 Ikonos) για την εκτίμηση της ακρίβειας της ταξινόμησης.

Μεθοδολογία

Η μεθοδολογία περιλαμβάνει τη προεπεξεργασία των SPOT-4 HVIR εικόνων, τη δημιουργία της διαδικασίας αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης και τον έλεγχο της δυνατότητας χρήσης της διαδικασίας σε άλλες περιοχές μελέτης. Κατά την προεπεξεργασία των δεδομένων έγινε ατμοσφαιρική διόρθωση των εικόνων για την βελτίωση του αποτελέσματος της ταξινόμησης και θεωρήθηκε αναγκαία δεδομένου ότι η διαδικασία θα χρησιμοποιούνταν κάνοντας χρήση διαφορετικών εικόνων που είχαν παρθεί υπό διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Στη συνέχεια έγινε γεωμετρική διόρθωση των SPOT εικόνων χρησιμοποιώντας τις VHR εικόνες ως εικόνες αναφοράς μέσω διγραμμικής παρεμβολής και τέλος δημιουργήθηκαν χάρτες αναφοράς των πυρόπληκτων περιοχών μέσω φωτοερμηνείας και ψηφιοποίησης των VHR εικόνων. Για τη διαμόρφωση της μεθοδολογίας αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν αρχικά 2 εικόνες SPOT, μία για τη δημιουργία και μία για την βαθμονόμηση της διαδικασίας ταξινόμησης. Οι υπόλοιπες 2 εικόνες χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για να εκτιμηθεί η δυνατότητα εφαρμογής της διαδικασίας σε διαφορετικές περιοχές μελέτης. Για τις ανάγκες της παρούσης έγινε χρήση του λογισμικού eCognition Developer 8.0. Αρχικά έγινε κατάτμηση της εικόνας σε αντικείμενα. Για τον καθορισμό του μεγέθους των αντικειμένων ελήφθησαν υπόψιν μια σειρά παραγόντων, ονομαστικά: η παράμετρος κλίμακας (scale parameter), τα βάρη των επιπέδων (single layer weights) και το κριτήριο ομοιογένειας (homogeneity criterion). Για την παραγωγή των αντικειμένων κατάλληλου μεγέθους ακολουθήθηκε μια διαδικασία trial-and-error και τελικά: στα πράσινο, κόκκινο και NIR κανάλια δόθηκε layer weight 1 ενώ στο SWIR 0, η κλίμακα τέθηκε 15 και στο κριτήριο χρώματος δόθηκε το μέγιστο βάρος. Στο επόμενο βήμα έγινε ταξινόμηση των αντικειμένων σε δύο κατηγορίες: καμένα και νερό. Σε αυτό το στάδιο τα αντικείμενα που χαρακτηρίστηκαν ως καμένα θα χρησιμοποιούντο στην πορεία για την τελική ταξινόμηση των καμένων περιοχών. Η δημιουργία της κατηγορίας του νερού βοήθησε να ξεπεραστεί η σύγχυση μεταξύ των καμένων και υδατικών όγκων σε επόμενα βήματα. Για κάθε κατηγορία ορίστηκε ένας κανόνας. Στην συγκεκριμένη περίπτωση ήταν αρκετή η ευσαγωγή κατώτατων ορίων ήταν αρκετή και δεν ήταν αναγκαία η χρήση μεθόδων ασαφούς λογικής (fuzzy logic).Στα επόμενα βήματα περιλαμβάνονταν η βελτιστοποίηση της αρχικής ταξινόμησης, κάτι που κρίθηκε αναγκαίο καθώς κάποια αντικείμενα στη ακτογραμμή ταξινομούνταν λανθασμένα ως καμένα. Στη συνέχεια, μόνο τα μη ταξινομημένα αντικείμενα επανακατατμήθηκαν, με σκοπό τη δημιουργία μικρότερων αντικειμένων για την ταξινόμηση μικρότερων καμένων επιφανειών οι οποίες δεν είχαν κατηγοριοποιηθεί στο προηγούμενο βήμα ταξινόμησης, με μόνη διαφορά στα κριτήρια της αλλαγής της κλίμακας σε 5. Σε αυτό το βήμα δημιουργήθηκε μια τρίτη κατηγορία, αυτή της «χέρσας γης», λόγω σύγχυσης μεταξύ ελαφρώς καμένων περιοχών και γυμνού εδάφους. Κατά το τελευταίο βήμα έγινε εφαρμογή της μεθοδολογίας στις υπόλοιπες δύο εικόνες με σκοπό τον έλεγχο της δυνατότητας χρήσης της διαδικασίας σε διαφορετικές περιοχές μελέτης.

Αποτελέσματα και Συμπεράσματα Σε γενικές γραμμές, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την διαδικασία αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης που αναπτύχθηκε, έγινε χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων με πολύ μεγάλη ακρίβεια της τάξης του 97.8% σε σύγκριση με τον χάρτη αναφοράς και με τον συντελεστή κ να είναι 0.87. Ταυτόχρονα, οι παραλήψεις των καμένων περιοχών που δεν ταξινομήθηκαν βρέθηκαν να είναι χαμηλές, της τάξης του 10.52%, ενώ η υπερεκτίμηση των καμένων περιοχών βρέθηκε λίγο υψηλότερη, της τάξης του 12.24%. Σχετικά με τη δυνατότητα μεταφοράς της μεθοδολογίας σε διαφορετικές περιοχές, τα αποτελέσματα ήταν αντίστοιχα και στις υπόλοιπες δύο περιοχές μελέτης, με την ταξινόμηση να είναι σχετικά καλύτερη στην περιοχή του Πηλίου σε σχέση με αυτή της Πάρνηθας, γεγονός που θα μπορούσε να αποδοθεί στη σύγχυση μεταξύ καμένων και σκιασμένων τμημάτων στις περιοχές με μεγάλη κλίση. Η χρήση φασματικής πληροφορίας σε συνδυασμό με συναφή πληροφορία μπορεί να βοηθήσει στο να ξεπεραστεί η σύγχυση μεταξύ καμένων εκτάσεων και άλλων κατηγοριών κάλυψης γης όπως υδατικά σώματα και σκιές. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τη δυνατότητα χρήσης SPOT-4 HVIR εικόνων και αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης για τη χαρτογράφηση διαφορετικών καμένων εκτάσεων στην Ελλάδα.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]