Χαρτογράφηση κατολισθήσεων στην παράκτια περιοχή μεταξύ Στρυμονικού κόλπου και Καβάλας με την βοήθεια της τηλεπισκόπισης.
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση κατολισθήσεων στην παράκτια περιοχή μεταξύ Στρυμονικού κόλπου και Καβάλας (Μακεδονία, Ελλάδα) με την βοήθεια της τηλεπισκόπισης και των γεωγραφικών συστημάτων αναφοράς.
Αντικείμενο Μελέτης: Τηλεπισκόπηση και κατολισθήσεις
Συγγραφείς: Domakinis, C., Oikonomidis, D. and Astaras, T.(2008)
Πηγή:International Journal of Remote Sensing, 29: 23, 6893 — 6915, URL: http://www.informaworld.com/smpp/content~db=all~content=a901942782~frm=titlelink
Σκοπός της Εφαρμογής:Η χαρτογράφηση των κατολησθήσεων στην παράκτια περιοχή μεταξύ Στρυμονικού κόλπου και Καβάλας με την βοήθεια της τηλεπισκόπισης.
1. Εισαγωγή
Οι κατολισθήσεις αποτελούν καταστροφικές γεωλογικές διεργασίες που προκαλούν τεράστιες καταστροφές σε ανθρώπινους οικισμούς, στους δρόμους καθώς και στις υποδομές και που σχετίζονται με την διαχείριση και εκμετάλλευση των φυσικών πόρων. Οι κατολισθήσεις είναι το αποτέλεσμα της περίπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ των γεωλογικών, γεωμορφολογικών και μετεωρολογικών παραγόντων. Τα χωρικά δεδομένα που σχετίζονται με αυτούς τους παράγοντες μπορεί να προέλθουν από την τηλεπισκόπηση και τις επίγειες πληροφορίες, ενώ οι ιστορικές πληροφορίες αιχμαλωτίζουν τη συχνότητα των εκδηλώσεων κατολίσθησης (Vohora και Donoghue 2004). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα περισσότερα αρχεία αφορούν κατολισθήσεις που οφείλονται είτε σε ανθρώπινες αστοχίες είτε σε φυσικές κατολισθήσεις που οδηγούν στο θάνατο, τραυματισμό, ή διακοπής των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων (Μηλιαρέσης et al. 2005). Κατά τα τελευταία 25 χρόνια, οι κυβερνήσεις και τα ερευνητικά ιδρύματα έχουν επενδύσει σημαντικούς πόρους για την αξιολόγηση της επικινδυνότητας των κατολισθήσεων, καθώς και στην προσπάθεια για την παραγωγή χαρτών που απεικονίζουν τη χωρική κατανομή τους (χάρτες ζωνών επικινδυνότητας κατολίσθησης).
Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκαν, τοπογραφικοί και γεωλογικοί χάρτες κλίμακας 1: 50 000 και TERRA / δορυφορικές εικόνες ASTER που στην συνέχεια ψηφιοποιήθηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού ArcGIS και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή στρωμάτων δεδομένων σχετικά με την κατολίσθηση. Οι TERRA / ASTER δορυφορικές διαχρονικές και πολυφασματικές εικόνες ανάλυσης 15μ από το έδαφος έγινε με ENVI λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας με σκοπό την παραγωγή FCC ( ψευδοχρωματικών σύνθετων) εικόνων, οι οποίες συνέβαλαν στο να εντοπιστούν με μεγάλη ακρίβεια οι τοποθεσίες όπου οι κατολισθήσεις έχουν ήδη λάβει χώρα.
2. Περιοχή μελέτης
2.1 Χωροθέτηση της περιοχής μελέτης
Η περιοχή μελέτης χωροθετήται στην Κεντρική Μακεδονία στην Ελλάδα και καλύπτει την παραθαλάσσια περιοχή μεταξύ του Στρυμωνικού κόλπου της πόλης της Καβάλας. Δύο υποπεριοχές επιλέχθηκαν: η Α που καλύπτει την παραλιακή περιοχή μεταξύ του Χαλκορέματος και της πόλης Λουτρά Ελεύθερον και η περιοχή μελέτης Β που καλύπτει την παραθαλάσσιες περιοχές από την πόλη της Ασπροβάλτα μέχρι τις εκβολές του Στρυμόνα.
2.2 Κλίμα
Σύμφωνα με την κατηγοριοποίηση του Koeppen ο τύπος του κλίματος είναι Μεσογειακό με σφοδρούς υγρούς χειμώνες και ζεστά καλοκαίρια. Η μέση ετήσια θερμοκρασία της περιοχής μελέτης για την περιοχή Α προσεγγίσει τους 15 βαθμούς κελσίου και ο Ιανουάριος είναι ο πιο κρύος μήνας όταν ο Ιούλιος είναι ο θερμότερος. Από την άλλη πλευρά η μέση ετήσια θερμοκρασία για την περιοχή μελέτης είναι 17,3 βαθμούς Κελσίου και η μέση τιμή κατακρήμνισης είναι 554,2mm.
3. Μεθοδολογία
3.1 Χρήση διαχρονικών δορυφορικών εικόνων για τον εντοπισμό των κατολισθήσεων.
Για την εύρεση των τοποθεσιών κατολισθήσεων , χρησιμοποιήθηκαν ραδιομετρικά και γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες TERRA και δορυφορικές εικόνες ASTER. Οι εικόνες που ελήφθησαν από την 1η Μαρτίου 2003 (την άνοιξη) και της 11ης Οκτωβρίου 2003 (φθινόπωρο), έτσι ώστε οι διαφορές φασματικές υπογραφές των δύο εικόνων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των τοποθεσιών κατολίσθησης. Οι μπάντες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι ακόλουθες: [G,R,Υπέρυθρο]=[ 0.52- 0,6 μm , 0,63 - 0,69 μm, 0,76 - 0,86 μm] σύμφωνα τα15m ανάλυσης του εδάφους τους. Οι αναφερόμενες ζώνες έγιναν με τον υπολογιστή με επεξεργασία της εικόνας μέσω λογισμικού ENVI που παρήγαγε τις ακόλουθες εικόνες FCC: (α) FCC εικόνες που είχαν προπαραχθεί από την αρχική μη επεξεργασμένη δορυφορική εικόνα, (β) εικόνες που παράχθηκαν από τον λόγο των εικόνων, (γ) εικόνες Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (PCA), (δ) εικόνες δείκτη διαφοράς κανονικοποιημένης βλάστησης (NDVI) και (ε) FCC εικόνες που παρήχθησαν από το συνδυασμό FCC εικόνων από όλων των παραπάνω εικόνων. Τα πιο σημαντικά κριτήρια στον προσδιορισμό των περιοχών όπου οι κατολισθήσεις συμβαίνουν, ήταν τα ακόλουθα: (1), η διαφορά των φασματικών υπογραφών μεταξύ των δρόμων που είναι κατασκευασμένοι από άσφαλτο, και τα υλικά του εδάφους των κλίσεων του λόφου, (2) η διαφορά μεταξύ των εδαφο-πλαγιών, όπως εμφανίζονται στις φωτογραφίες, πριν και μετά τις κατολισθήσεις, όπως λαμβάνεται υπόψη από την παρατήρηση (φωτοερμηνεία) μόνο και (3), η διαφορά των DN (ψηφιακοί αριθμοί) τιμών (φασματικές υπογραφές) των pixels που συνθέτουν τις εικόνες.
- 3.1.1 FCC εικόνες που είχαν προπαραχθεί από την αρχική μη επεξεργασμένη δορυφορική εικόνα. Τα ψευδοχρώματα των σύνθετων εικόνων, που δημιουργήθηκαν από τις ακατέργαστες ζώνες εικόνων ASTER, αποδείχτηκαν πολύτιμα για τον καθορισμό των περιοχών κατολίσθησης. Το κύριο κριτήριο που χρησιμοποιήθηκε για να επιτευχθεί αυτό ήταν η διαφορά μεταξύ των σχημάτων στις πλαγιές των λόφων πριν και μετά την επέλευση της κατολίσθησης. Από τις εικόνες TERRA / ASTER στις 1 Μαρτίου 2003 και 11 Οκτωβρίου 2003, οι ψευδοχρωματικές RGB εικόνες που δημιουργούνται στα κανάλια [RGB]= [3,1,2] παράγουν τα καλύτερα αποτελέσματα και ως εκ τούτου βοήθησαν στον προσδιορισμό και οριοθέτηση των περιοχών όπου οι κατολισθήσεις έχουν λάβει χώρα (εικόνες 1 και 2).
- 3.1.2 FCC εικόνες που παράγονται από την εφαρμογή τεχνικών «λόγου εικόνων» σε σχέση με τις αρχικές ζώνες. Η αναλογία των εικόνων FCC παρήχθησαν μετά από μεταποίηση της αρχικής μπάντας ASTER εικόνων. Οι προκύπτουσες εικόνες FCC παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την περιοχές όπου οι κατολισθήσεις έχουν λάβει χώρα. Για άλλη μια φορά, το βασικό κριτήριο για τον προσδιορισμό αυτών των περιστατικών ήταν η διαφορά μεταξύ των σχημάτων των λοφοπλαγιών πριν και μετά τις κατολισθήσεις που σημειώθηκαν. Από τις εικόνες TERRA / ASTER την 1η Μαρτίου 2003 και την 11ης Οκτωβρίου 2003, οι ψευδοεικόνες με δείκτη χρώματος RGB που παράγεται από τις αναλογίες μπάντας [RGB]= [2 / 3, 1 / 3, 1 / 2], προτιμήθηκαν, επειδή παρήγαγαν καλύτερα αποτελέσματα (εικόνες 3 και 4).
- 3.1.3 FCC εικόνες που παράγονται από την εφαρμογή τεχνικών Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (PCA) σχετικά με τις αρχικές ζώνες. Μια κύριου περιεχομένου μετατροπή πραγματοποιήθηκε στις τρείς αρχικές μπάντες της εικόνας Aster(πράσινο, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο). Σύμφωνα με αυτή τη διαδικασία, η οποία πραγματοποιείται με τη βοήθεια λογισμικού επεξεργασίας της εικόνας ENVI μέσω υπολογιστή, κάθε pixel ανέλαβε τρεις νέες DNs που αντιστοιχούν στην πρώτη έως την τρίτη κύρια των συνιστωσών αξόνων συντεταγμένων, και με αυτόν τον τρόπο τρεις κύριες εικόνες διαφορετικού περιεχομένου παράγονται. Όπως είναι γνωστό, κάθε διαδοχική κύρια συνιστώσα λαμβάνεται υπόψη για προοδευτικά χαμηλότερο ποσοστό της μεταβολής της αρχικής πολυφασματικής βάσης δεδομένων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η πρώτη εικόνα του υπολογιστή περιέχει 89,77% της διακύμανσης από τις τρεις αρχικές bands της εικόνας ASTER, η οποία αποτελεί μια σημαντική συμπίεση των δεδομένων, ενώ η δεύτερη και η τρίτη εικόνα του υπολογιστή αντιπροσωπεύουν το 9,12% και 1,12% της διακύμανσης αντίστοιχα. Οι προκύπτουσες τρεις εικόνες του υπολογιστή συνδυάστηκαν σε κόκκινο, πράσινο και μπλε προκειμένου να δημιουργηθούν έγχρωμες εικόνες.
Αυτή τη φορά τα κριτήρια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το χαρακτηριστικό σχήμα των λοφοπλαγιών μετά τις κατολισθήσεις που είχαν επέλθει και η διαφορά στις φασματικές υπογραφές τους (διαφορά του χρώματος στο FCC) μεταξύ των δρόμων, που είναι κατασκευασμένοι από άσφαλτο,και το υλικό των πλαγιών των λόφων. Η προκύπτουσα ψευδοχρωματικές εικόνες αποδείχθηκαν αρκετά χρήσιμες για τον προσδιορισμό των περιοχών, όπου οι κατολισθήσεις είχαν λάβει χώρα. Σε αυτή την περίπτωση, εικόνες TERRA / ASTER, της 11ης Οκτωβρίου 2003, των ψευδοχρωματικών RGB Κύριων Συνιστωσών Ανάλυσης εικόνων που προέρχονται από: (1) PCA3,PCA2, PCA1 [R,G,B]=[PCA3, PCA2, PCA1] και (2) PCA3, PCA1, PCA2 [R,G,B]=[PCA3, PCA1, PCA2] επέφεραν τα χρησιμότερα αποτελέσματα (εικόνες 5 και 6).
- 3.1.4 Εικόνες NDVI. Οι αρχικές μπάντες των εικόνων ASTER ήταν ψηφιακά επεξεργασμένες προκειμένου να παραχθούν NDVI εικόνες. Σε αυτές τις εικόνες, τα πιο σημαντικά στοιχεία εντοπισμού περιοχών κατολίσθησης ήταν: (1) η διαφορά μεταξύ των σχημάτων των λοφοπλαγιών πριν και μετά την κατέρευση τουςκαι (2), η διαφορά της ανάκλασης των τιμών των pixel (DNS), οι οποίες συνθέτουν τις εικόνες πριν και μετά την εμφάνιση κατολισθήσεων. Οι τιμές εύρους των NDVI κυμαίνονται από -1 έως + 1. Υψηλότερες τιμές δείχνουν υψηλότερες συγκεντρώσεις βλάστηση. Χαμηλότερες τιμές δείχνουν χαρακτηριστικά μη βλάστησης, όπως το νερό, η άγονη γη, ο πάγος, το χιόνι ή τα σύννεφα. Έτσι, οι περιοχές με υψηλές τιμές NDVI εμφανίζονται με τα φωτεινότερα χρώματα του γκρι, ενώ οι περιοχές με χαμηλές τιμές NDVI εμφανίζονται με πιο σκούρους τόνους του γκρι (εικόνα 7).
- 3.1.5 Άλλες εικόνες FCC. Τέλος, πρόσθετες εικόνες FCC έχουν παραχθεί από τον συνδυάασμό μπαντών εικόνων ASTER από όλες τις κατηγορίες που αναφέρονται ανωτέρω, σε RGB. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι PCA και οι NDVI εικόνες παρουσιάζουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, με όσο το δυνατών περισσότερους συνδυασμούς RGB να περιλαμβάνονται στις συνθέσεις τους.
4. Συμπεράσματα
Έχοντας εξετάσει τον τρόπο τηλεπισκόπησης και GIS που συμβάλλουν στην
ανίχνευση και οριοθέτηση των κατολισθήσεων, τα ακόλουθα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν:
(I) οι TERRA / ASTER δορυφορικές εικόνες είναι χρήσιμες για τον εντοπισμό των περιοχών κατολίσθησης. Οι 15μ ανάλυσης εδάφους εικόνες TERRA / ASTER αποδειχθηκαν ικανοποιητικές για τον προσδιορισμό των κατολισθήσεων σημαντικού μεγέθους (ελάχιστο πλάτος 150 μ.).
(Ii) (α) FCC εικόνες που είχαν προπαραχθεί από την αρχική μη επεξεργασμένη δορυφορική εικόνα, (β) εικόνες που παράχθηκαν από τον λόγο των εικόνων, (γ) εικόνες Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (PCA), (δ) εικόνες δείκτη διαφοράς κανονικοποιημένης βλάστησης (NDVI) και (ε) FCC εικόνες που παρήχθησαν από το συνδυασμό FCC εικόνων από όλων των παραπάνω εικόνων.
(Iv) PCA και NDVI εικόνες ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες για τον εντοπισμό των περιοχών
υφιστάμενων κατολισθήσεων.
(V) Η περιοχή μελέτης Α (Λουτρά Ελευθερών) καλύπτει κυρίως τις περιοχές με υψηλή ή πολύ υψηλή ευαισθησία, κατολισθήσεων, ενώ μελέτη της περιοχής Β (Ασπροβάλτα - Στρυμόνας) καλύπτει κυρίως τις περιφέρειες με χαμηλή ευαισθησία κατολίσθηση.
(Vi) Το γεγονός ότι οι περισσότερες τοποθεσίες κατολίσθηση, όπως προσδιορίζονται με TERRA / ASTER εικόνες, συμπίπτουν με τις περιοχές υψηλής ή πολύ υψηλής ευαισθησίας κατολισθήσεις, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι χάρτες που προέκυψαν είναι αξιόπιστοι.
