Χαρτογράφηση κινδύνου πλημμύρας στην αλλουβιακή πεδιάδα Vu Gia - Thu Bon του κεντρικού Βιετνάμ
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση κινδύνου πλημμύρας στην αλλουβιακή πεδιάδα Vu Gia - Thu Bon του κεντρικού Βιετνάμ
Πρωτότυπος τίτλος : Flood hazard mapping by satellite images and SRTM DEM in the Vu Gia - Thu Bon alluvial plain, central Vietnam
Συγγραφείς : L. T. K. Ho, M. Umitsu and Y. Yamaguchi
Πηγή : International Society for Photogrammetry and Remote Sensing
Στόχος αυτής της μελέτης είναι η δημιουργία ενός χάρτη πλημμυρικής επικινδυνότητας βάσει γεωμορφολογικής προσέγγισης με χρήση ψηφιακού μοντέλου εδάφους ραντάρ τοπογραφικής αποστολής (SRTM - Shuttle Radar Topographic Mission) και δορυφορικών εικόνων (ASTER και LANDSAT). Επιβλεπόμενη ταξινόμηση των δορυφορικών εικόνων εφαρμόζεται για να χαρακτηρίσει τους τύπους κάλυψης γης. Επιπλέον, ο Τροποποιημένος Κανονικοποιημένος Διαφορικός Δείκτης Νερού (MNDWI - Modified Normalized Difference Water Index) προσδιορίζει υγρή επιφάνεια ή κορεσμένες περιοχές για να διαχωρίσει τις πλημμυρισμένες και μη-πλημμυρισμένες περιοχές. Η ΨΜΕ SRTM κατηγοριοποίηση του ύψους ενσωματώνεται με τα αποτελέσματα της ανάλυσης επιφάνειας από μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση και του δείκτη MNDWI, για να οριοθετηθούν οι περιοχές που πλήττονται από πλημμύρες σε σχέση με τα γεωμορφολογικά τους χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με το χάρτη ταξινόμησης γεωμορφών και δημιουργείται ο χάρτης πλημμυρικής επικινδυνότητας από την οπτική ερμηνεία της εικόνας, την έρευνα πεδίου, τους τοπογραφικούς χάρτες και τους προηγούμενους πλημμυρικούς χάρτες.
Μια μελέτη περίπτωσης διεξάγεται στην προσχωσιγενή πεδιάδα των ποταμών Vu Gia - Thu Bon, στο κεντρικό Βιετνάμ. Η εξαγωγή του υγρού χώματος από τον MNDWI μπορεί να βοηθήσει στην ανίχνευση πλημμυρισμένων περιοχών καθώς αυτό το αποτέλεσμα συγκρίνεται με το χάρτη κατάταξης γεωμορφών, την ΨΜΕ SRTM κατηγοριοποίηση ύψους και την ταξινόμηση κάλυψης γης. Η σύγκριση αποκαλύπτει στενή σχέση μεταξύ περιοχών κορεσμένων σε νερό, του εύρους ανύψωσης και την κατάσταση των πλημμυρών, όπου οι περιοχές με υψόμετρο μικρότερο από 4 m και ταξινομημένες σαν πλημμυρικές λεκάνες απορροής και πεδινές δελταϊκές περιοχές πλημμύρισαν σε μεγάλο βαθμό για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Υψηλότερες περιοχές, όπως οι αμμόλοφοι δεν έχουν πλημμυρίσει και τα φυσικά αναχώματα έχουν πληγεί λιγότερο από τις πλημμύρες. Επιπλέον, η μελέτη αυτή αποδεικνύει τη σημασία του MNDWI για τον διαχωρισμό υγρού έδαφους για την πρόβλεψη πλημμυρών.
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Οι πλημμύρες είναι η μεγαλύτερη καταστροφή στο Βιετνάμ ως αποτέλεσμα των τροπικών μουσώνων μαζί με τα ραγδαία εξελισσόμενα τοπογραφικά χαρακτηριστικά και την πρόσφατη αλλαγή του κλίματος. Ιδιαίτερα οι παράκτιες αλλουβιακές πεδιάδες στο κεντρικό Βιετνάμ είναι γνωστές ως οι πιο ευάλωτες σε πλημμύρες, λόγω των ιδιαίτερων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, όπως η υψηλή βροχόπτωση, η στενή παράκτια πεδιάδα, τα μικρά και απότομα ποτάμια και η πυκνή κατοίκηση λόγω ευνοϊκών συνθηκών διαβίωσης. Ως εκ τούτου, ένας χάρτης πλημμυρικής επικινδυνότητας είναι ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για την παρακολούθηση του πλημμυρικού κινδύνου.
Στις περιπτώσεις όπου τα υδρομετεωρολογικά δεδομένα είναι ανεπαρκή και ανακριβή, εφαρμόζεται η γεωμορφολογική μέθοδος όπου διενεργείται με φωτοερμηνεία αεροφωτογραφιών και με έρευνα πεδίου για την ανεύρεση στοιχείων πλημμύρας σε συνδυασμό με ιστορικές καταγραφές. Αυτή η μέθοδος επαληθεύεται σε μεγάλο βαθμό όπου η μορφολογία της πλημμυρικής κοίτης αλλάζει δυναμικά και όπου υπάρχει υψηλή διάβρωση και απόθεση ιζημάτων. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση του ποτάμιου συστήματος της προσχωσιγενούς πεδιάδας Thu Bon.
Η χαρτογράφηση του πλημμυρικού κινδύνου από δεδομένα LANDSAT και ΨΜΕ SRTM είναι μία οικονομική και αποτελεσματική μέθοδος, αφού η επιβλεπόμενη ταξινόμηση κάλυψης γης από LANDSAT και η ταξινόμηση ΨΜΕ SRTM μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση κινδύνου παράκτιας πλημμύρας.
Η οριοθέτηση των πλημμυρικών περιοχών και της πλημμυρικής κοίτης είναι το σημαντικό ζήτημα στη χαρτογράφηση των πλημμύρων. Οι LANDSAT εικόνες, που είναι εύκολες στην απόκτησή τους, διαχειρίζονται από πολλές έρευνες για την εξαγωγή αποτελεσμάτων πλημμυρισμένων περιοχών. Μία προσέγγιση λαμβάνει το πλεονέκτημα της διαφοράς ανάκλασης μεταξύ του νερού και της γήινης επιφάνειας του συγκεκριμένου ζεύγους καναλιών στην εξίσωση (Α-Β)/(Α+Β), όπως ο Κανονικοποιημένος Δείκτης Βλάστησης (NDVI) και αποκαλείται Κανονικοποιημένος Δείκτης Νερού.
Η μελέτη αυτή έχει ως στόχο την ενσωμάτωση τόσο της γεωμορφολογικής ταξινόμησης όσο και της φασματικής ανάλυσης για την πρόβλεψη πλημμύρας, εφαρμόζοντας το δείκτη MNDWI και το εύρος ανύψωσης για την αξιολόγηση της πλημμυρικής κατάστασης της προσχωσιγενούς πεδιάδας Vu Gia - Thu Bon στο κεντρικό Βιετνάμ.
ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ
Ο ποταμός Thu Bon διαρρέει σε κατεύθυνση βορρά - νότου και ύστερα αλλάζει την πορεία του σε δυτική - ανατολική καθώς διαρρέει την προσχωσιγενή πεδιάδα Thu Bon και εκβάλλει στη νότια θάλασσα της Κίνας μέσω του ποταμού Dai, ενώ ο ποταμός Vu Gia ρέει και αυτός αλλάζοντας κατευθύνσεις. Καθώς η προσφορά ιζημάτων που έχει μετρηθεί είναι 460.000 τόνοι το χρόνο, το μέτωπο του δέλτα ανυψώνεται και προελαύνει προς τη θάλασσα και γι’ αυτό το λόγο η τάση πλημμύρων είναι πιο σοβαρή από ότι στο παρελθόν.
Η ετήσια μέση βροχόπτωση στις ανάντη περιοχές είναι 3.000 - 4.000 mm με συγκέντρωση στην βροχερή περίοδο από Σεπτεμβρίου - Δεκεμβρίου (Εικ. 1). Στην περιοχή έχουν εκδηλωθεί καταρρακτώδεις βροχοπτώσεις το 1964, 1999, 2007 και 2009.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
NDWI
O Κανονικοποιημένος Δείκτης Νερού (NDWI) χρησιμεύει για να επιτευχθεί η απομόνωση υδάτινων και μη υδάτινων χαρακτηριστικών. Υπάρχουν πολλοί ορισμοί του NDWI που συνδυάζουν διαφορετικά ζεύγη καναλιών, πράσινο και εγγύς υπέρυθρο (NIR) , NIR και σύντομο κύμα IR (SWIR), κόκκινο και μέσο υπέρυθρο (MIR). Ο δείκτης
NDWI(McFeeters) = [(Πράσινο – NIR)/ (Πράσινο + NIR)]
αποσκοπεί στην μεγέθυνση της υψηλής τιμής ανακλαστικότητας του νερού στο πράσινο κανάλι (κανάλι 2), στη μείωση της χαμηλής τιμής ανακλαστικότητας του νερού στο NIR (κανάλι 4) και στη χρήση της διακεκριμένης αντίθεσης μεταξύ του νερού και γήινης επιφάνειας στο NIR. Στο MIR (κανάλι 5) η ανακλαστικότητα του αστικού χώρου είναι πολύ υψηλότερη από εκείνη του πράσινου καναλιού. Χρησιμοποιώντας έτσι το κανάλι 5 αντί του 4 στον υπολογισμό του NDWI αποφεύγεται η επικάλυψη αστικών και υδάτινων περιοχών. Ο νέος δείκτης NDWI είναι ο λεγόμενος Τροποποιημένος δείκτης NDWI (MNDWI) που δίδεται από τη σχέση:
MNDWI(Xu)= [(Πράσινο – MIR)/ (Πράσινο + MIR)]
Από το διάγραμμα ανακλαστικότητας (φασματική υπογραφή) των έξι καναλιών για τις επτά κατηγορίες χαρακτηριστικών προκύπτει ότι ο συνδυασμός των καναλιών 2 και 5 είναι ο καλύτερος για το διαχωρισμό των υδατικών από τα μη υδατικά χαρακτηριστικά. Τα ευρήματα του διαγράμματος (Εικ. 2) υποδεικνύουν μία αποτελεσματική μέθοδο για την απομόνωση πλημμυρισμένων περιοχών των εικόνων LANDSAT που λήφθηκαν σε περίοδο πλημμύρων ή περιοχές κορεσμένες σε νερό σε εικόνες που έχουν ληφθεί την βροχερή περίοδο με υψηλό δυναμικό πλημμύρας. Ως εκ τούτου, μπορεί να αναφερθεί ότι: 1 ≥ MNDWIνερού ≥ όριο > MNDWIυγρού εδάφους> 0 ≥ MNDWIμη υδάτινων ≥ -1
Συνεπώς, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί το κατώφλι για τον διαχωρισμό νερού και υγρού εδάφους. Το όριο MNDWI αυτής της περιοχής μελέτης είναι 0,3. Οι διακυμάνσεις MNDWI που αντιστοιχούν με τα χαρακτηριστικά (Εικ. 4, α) είναι οι εξής:
- MNDWI < 0: μη υδάτινα
- 0 ≤ MNDWI < 0.3: υγρό έδαφος
- 0.3 ≤ MNDWI ≤ 1: νερό
Ταξινόμηση Χρήσεων Γης
Η μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση ISODATA της εικόνας ASTER διεξήχθει για τη δημιουργία καλύψεων χρήσεων γης (Εικ. 4, β).
Επεξεργασία ΨΜΕ SRTM
Αρχικά, με την προεπεξεργασία της εικόνας καλύπτονται τα κενά που δημιουργούνται από έλλειψη δεδομένων λόγω των φαινομένων σκίασης και επικάλυψης. Η ρύθμιση των υπερεκτιμημένων υψομέτρων του ΨΜΕ SRTM πρέπει να διενεργείται διότι η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο χαμηλό τμήμα της λεκάνης Thu Bon. Η μέση απόκλιση, όπως υπολογίστηκε από 55 σημεία μεταξύ ΨΜΕ SRTM και τοπογραφικών χαρτών είναι 3,5m (Εικ. 3).
Ταξινόμηση ΨΜΕ SRTM
Το ΨΜΕ SRTM ταξινομήθηκε σε υψόμετρο που κυμαίνεται < 3m, 3m - 4m, 4m - 6m, 6m - 20m, > 20m διότι κάθε κλάση έχει τα δικά της γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά και τη δική της πλημμυρική κατάσταση σύμφωνα με τα αποτελέσματα της γεωμορφολογικής ταξινόμησης (Εικ. 4, γ). Ταξινόμηση γεωμορφών Δημιουργήθηκε χάρτης ταξινόμησης γεωμορφών (Landform Classification Map - LCM) από φωτοερμηνεία εικόνων LANDSAT ETM+ και ΨΜΕ SRTM υψομέτρου (Εικ. 4, δ).
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Η σύγκριση των MNDWI, της κάλυψης γης, του υψομετρικού εύρους και της γεωμορφολογικής ταξινόμησης εφαρμόστηκε για να βρεθεί η σχέση τους με την κατάσταση των πλημμυρών (Εικ. 4).
Οι τιμές του δείκτη MNDWI βοηθούν σημαντικά στην απομόνωση νερού και υγρού εδάφους από το μη υδάτινο έδαφος συμπεριλαμβανομένων της ξηρής επιφάνειας και της βλάστησης. Οι μη υδάτινες περιοχές μπορούν να ενσωματωθούν με SRTM DEM και ανάλογα με το σχήμα και το πρότυπό τους μπορούν να αποδοθούν σαν διαφορετικές γεωμορφολογικές ενότητες (Πίνακας 1). Τα πεδινά δέλτα είναι τα πιο ευάλωτα στην πλημμύρα καθώς έχουν ύψος μικρότερο από 3m.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Οι αναλύσεις αυτής της μελέτης αποκάλυψαν αρκετά καλή συσχέτιση μεταξύ μη υδάτινων περιοχών και αναβαθμίδων, αμμόλοφων και φυσικών αναχωμάτων καθώς και μεταξύ υγρών εδαφών (κορεσμένων σε νερό) με πλημμυρικές λεκάνες και δελταϊκές πεδιάδες στο χάρτη ταξινόμησης γεωμορφών.
Αυτή η μελέτη προτείνει μία αποτελεσματική μέθοδο αξιολόγησης της πλημμυρικής επικινδυνότητας βασιζόμενη στη γεωμορφολογική προσέγγιση εφαρμόζοντας τον δείκτη MNDWI, το ΨΜΕ SRTM και ταξινόμηση κάλυψης γης των δορυφορικών δεδομένων μέσω του συσχετισμού τους. Αποκλειστικά η εφαρμογή του ΨΜΕ SRTM περιορίζει τις αναλύσεις που οφείλονται σε χαμηλή χωρική ανάλυση. Με τη χρήση μόνο του MNDWI οι διάφορες πλημμυρικές καταστάσεις δύσκολα προσδιορίζονται. Η ταξινόμηση κάλυψης γης επιβεβαίωσε την ερμηνεία των NDWI και SRTM. Τέλος, η μελέτη αυτή αποδεικνύει την σημασία του τροποποιημένου MNDWI για την εξαγωγή όχι μόνο των πλημμυρισμένων περιοχών αλλά και του υδατικού σώματος λόγω του διακεκριμένου μοτίβου ανάκλασης νερού και υγρού εδάφους από τα μη υδατικά χαρακτηριστικά.
