Χαρτογράφηση της νήσου Κάλαμος (Αιτωλοακαρνανία) από εικόνες ASTER

Από RemoteSensing Wiki

Χαρτογράφηση της νήσου Κάλαμος (Αιτωλοακαρνανία) από εικόνες ASTER

Συγγραφέας: Αγάπη Κοψάλη

Δημοσιεύθηκε: Νημερτής, ιδρυματικό αποθετήριο του Πανεπιστημίου Πατρών, 2015, 26η Νοεμβρίου

Εισαγωγή

Οι δορυφορικές εικόνες ASTER αποτελούν ένα πολύ πρόσφατο προϊόν της διαστημικής τεχνολογίας, που είναι διαθέσιμο για όλη τη γη με χαμηλό κόστος (55 δολάρια ανά εικόνα, κόστος που καλύπτει τα έξοδα αναπαραγωγής και αποστολής των δεδομένων). Ο δορυφόρος ASTER έχει πολύ μεγάλη φασματική διακριτική ικανότητα σε σημείο που να χαρακτηρίζεται από αρκετούς επιστήμονες σαν ένα υπερφασματικό καταγραφικό σύστημα στο υπέρυθρο. Πιο συγκεκριμένα, ο ASTER έχει δυο κανάλια μόνο στο ορατό ( στο πράσινο και στο κόκκινο), ένα κανάλι στο εγγύς υπέρυθρο και μία σειρά από κανάλια στο μέσο και στο θερμικό υπέρυθρο. Έτσι δίνονται νέες δυνατότητες για την ερμηνεία είτε ποιοτικά είτε ποσοτικά καλύψεων γης και φυσικών καταστάσεων της γήινης επιφάνειας, αφού οι προηγούμενοι δορυφόροι π.χ. LANDSAT είχαν ελάχιστο αριθμό καναλιών στο υπέρυθρο και τα οποία είχαν πολύ μεγάλο εύρος. Ο σκοπός είναι η περιβαλλοντική χαρτογράφηση της παράκτιας ζώνης της Αιτωλοακαρνανίας (απέναντι από την Λευκάδα) από δορυφορικές εικόνες ASTER προκειμένου να αποτυπωθούν οι καλύψεις γης. Έτσι θα μπορούμε να αξιολογήσουμε τις δυνατότητες και τις εφαρμογές που έχουν αυτά τα δεδομένα. Θα εφαρμοστούν τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας που αποσκοπούν στο να δημιουργηθεί ένα έγχρωμο σύνθετο, το οποίο θα εμπεριέχει σχεδόν το σύνολο της πληροφορίας που είναι διαθέσιμο στα κανάλια του ASTER. Το έγχρωμο σύνθετο θα ερμηνευτεί με εργασίες πεδίου και βάση της υπάρχουσας εμπειρίας. Στο δεύτερο στάδιο, θα γίνει επιβλεπόμενη ταξινόμηση προκειμένου να χαρτογραφηθούν οι καλύψεις γης και να αξιολογηθούν οι δυνατότητες του.

Μεθοδολογία

Το πρόγραμμα ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission & Reflection Radiometer) είναι προϊόν συνεργασίας της NASA και του Υπουργείου Έρευνας και Βιομηχανίας της Ιαπωνίας με την συμμετοχή πολλών ερευνητικών ινστιτούτων από όλο τον κόσμο (Γαλλία, Αυστραλία, κ.α.). Τα καταγραφικά συστήματα του ASTER είναι τρία VNIR, SWIR, TIR με διαφορετική φασματική διακριτική ικανότητα, τα οποία συνθέτουν ένα υπερφασματικό καταγραφικό σύστημα στο θερμικό με στέρεο-δυνατότητα στο εγγύς υπέρυθρο.

Η χρονική διακριτική ικανότητα είναι 16 ημέρες (revisit time), καλύπτοντας τις περιοχές της γης από 81.2οΝ μέχρι 81.2οΒ. Πιο συγκεκριμένα, η λήψη στερεοζευγαριών (along-track stereo data) γίνεται από το καταγραφικό σύστημα VNIR (Visible and Near Infrared) που αποτελείται από 3 διανυσματικούς σαρωτές (pushbroom scanner) έναν για κάθε φασματικό κανάλι. Το εστιακό επίπεδο κάθε σαρωτή αποτελείται από 5000 στοιχειώδεις ανιχνευτές, διατεταγμένους σε ευθεία γραμμή. Ο τρίτος σαρωτής μπορεί να στραφεί κατά +/-24ο και να επιτύχει λήψεις υπό γωνία (πλάγιες λήψεις) δημιουργώντας στερεοζευγάρια. Κάθε εικόνα καλύπτει περίπου έκταση 75 km * 75 km ενώ η περιοχή επικάλυψης των δύο εικόνων αντιστοιχεί / καλύπτει περιοχή έκτασης τουλάχιστον από 60 km * 60 km. Η λήψη στο ναδίρ ονομάζεται 3N (nadir) ενώ η λήψη υπό γωνία γίνεται καθώς απομακρύνεται ο δορυφόρος (backward looking ή aftviewing) και λέγεται 3Β. Ο λόγος βάσης προς ύψος (base/height ratio) των στερεοζευγαριών που προκύπτουν είναι 0.6 (το ύψος τροχιάς του είναι 705 km).

Τα δεδομένα του ASTER δίνουν νέες δυνατότητες λόγω της αρκετά καλής χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος σε συνδυασμό με την μεγάλη φασματική διακριτική ικανότητα του (ύπαρξη 14 καναλιών) με την πλειοψηφία των καναλιών να είναι στο υπέρυθρο. Η ύπαρξη τόσο πολλών καναλιών στο υπέρυθρο είναι πολύ σημαντική στην γεωλογία αλλά και στον αστικό σχεδιασμό για τον εντοπισμό βιομηχανικών εγκαταστάσεων, σταθμών ηλεκτρικής ενέργειας και μηχανοκίνητων μονάδων, κ.α. Επιπλέον, με κατάλληλες ραδιομετρικές διορθώσεις και μετασχηματισμούς είναι δυνατή η μετατροπή των τιμών φωτεινότητας που καταγράφει ο σαρωτής σε φυσικές ποσότητες (π.χ. τιμές θερμοκρασίας, κ.α.) στην επιφάνεια της γης. Η δυνατότητα αυτή, ιδιαίτερα στο εγγύς, μέσο και θερμικό υπέρυθρο δίνει νέες δυνατότητες στην μελέτη και προστασία του γήινου περιβάλλοντος. Η δορυφορική εικόνα ASTER που θα χρησιμοποιήσουμε ονομάζεται pgPR1A0000-2001012301_001_056.met. Η εικόνα αυτή παραχωρήθηκε δωρεάν για ερευνητικούς σκοπούς από το ερευνητικό ινστιτούτο U.S. Geological Survey των Η.Π.Α. στα πλαίσια του πρώτου έτους δοκιμαστικής λειτουργίας του δορυφόρου. Η εικόνα μας έχει δοθεί σε τυποποίηση hdf. Το hdf είναι ένα φορμάτ, το οποίο έχει υιοθετήσει η ΝΑΣΑ για να καταχωρεί τις πλεγματικές εικόνες. Μια σειρά από προγράμματα που δίνονται δωρεάν από το διαδίκτυο είναι διαθέσιμα στην διεύθυνση: http://edcdaac.usgs.gov/dataformat.html και επιτρέπουν την μετατροπή των εικόνων σε άλλα φορμάτ όπως το tif. Σε αυτή την διπλωματική, επιλέχθηκε το πρόγραμμα hdfbrowse.exe το οποίο μετατρέπει τις εικόνες από hdf σε tif στο DOS. Η εκτέλεση του προγράμματος γίνεται με την βοήθεια ενός αρχείου batch (*.bat) στο οποίο δηλώνουμε το όνομα file name της εικόνας hdf και τα ονόματα των αρχείων tif (*.tif) για κάθε κανάλι της εικόνας. Τα κανάλια vnir, 01, 02, 03 και μια ψευδοχρωματική απεικόνισή τους στην οποία η βλάστηση απεικονίζεται κόκκινη, η αστική περιοχή μπλε και η θάλασσα προς το μαύρο, δίνονται στα παρακάτω σχήματα. Αυτό συμβαίνει γιατί ο ASTER δεν έχει μπλε κανάλι και χρησιμοποιούμε το πράσινο κόκκινο εγγύς υπέρυθρο του δορυφόρου στο μπλε πράσινο κόκκινο της οθόνης.

Σχήμα 2:Κανάλι 1.

Σχήμα 3:Κανάλι 2.

Σχήμα 4:Κανάλι 3.

Σχήμα 5:Έγχρωμο σύνθετο (ψευδόχρωμη απεικόνιση) των καναλιών: 03(εγγύς υπέρυθρο) κόκκινο, 02(κόκκινο) πράσινο, 01(πράσινο) μπλε. (vnir_rgb).

Το επίπεδο επεξεργασίας της εικόνας είναι 1Α που σημαίνει ότι η εικόνα δεν έχει διορθωθεί γεωμετρικά και ραδιομετρικά (ενώ 1Β σημαίνει ότι η εικόνα έχει διορθωθεί ραδιομετρικά), σύμφωνα με το ASTER User Handbook. Επίσης η εικόνα καταγράφηκε στις 23/1/2001 και έχει 4200 γραμμές και 4100 στήλες.

Περιοχή Μελέτης

Στη συνέχεια γίνεται η εισαγωγή των καναλιών 1, 2, 3 στο πρόγραμμα idrisi με σκοπό την παραγωγή ενός έγχρωμου σύνθετου των καναλιών με αντιστοίχιση τους στο χρώμα μπλε, πράσινο, κόκκινο της οθόνης.

Χαρτογράφηση των καλύψεων γης

Οι καλύψεις γης σε μία δορυφορική εικόνα απεικονίζονται με διαφορετική ανακλαστικότητα στα κανάλια της εικόνας ανάλογα με τη φασματική τους υπογραφή. Κάθε κάλυψη γης ορίζει μια θεματική τάξη ενώ η αναπαράστασή της μέσω των καναλιών μίας συγκεκριμένης δορυφορικής εικόνας σε ένα πολυδιάστατο σύστημα αξόνων ονομάζεται φασματική τάξη. Ο όρος θεματική τάξη εκφράζει ένα ομοιογενές (χωρικά) σύνολο από εικονοστοιχεία των οποίων οι φασματικές αποκρίσεις διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους όχι τόσο επειδή διαφέρει η φασματική τους υπογραφή αλλά κύρια λόγω εξωγενών παραγόντων όπως η διάχυση της ηλιακής ακτινοβολίας, η επίδραση της τοπογραφίας κ.α. Μια εικόνα μπορεί να αναπαρασταθεί σε ένα ν-διάστατο χώρο, όπου ν είναι ο αριθμός των φασματικών καναλιών. Σε αυτή την αναπαράσταση κάθε εικονοστοιχείο της προβάλλεται σε μια θέση ανάλογα με την φασματική απόκριση που καταγράφεται στα ν κανάλια. Κατά αυτό τον τρόπο προκύπτει ένα νέφος σημείων συνθέτοντας την φασματική αναπαράσταση της εικόνας στο ν-διάστατο χώρο. Σε αυτό τον χώρο παρατηρούνται επιμέρους ομαδοποιήσεις που ονομάζονται φασματικές τάξεις. Ανατρέχοντας στις φασματικές υπογραφές των θεματικών τάξεων του νερού, της βλάστησης και του εδάφους, τότε θα διαπιστώσουμε ότι ένα νέφος σημείων θα δημιουργηθεί κοντά στην αρχή των αξόνων και θα αντιστοιχεί στην φασματική τάξη νερό. Μέσα σε μία φασματική τάξη (πχ νερό) ή στα όρια της μπορεί να συμπεριλαμβάνονται εικονοστοιχεία που ανήκουν σε άλλες θεματικές τάξεις όπως για παράδειγμα σκιάσεις (cast shadows). Η αιτία μίξης των φασματικών τάξεων σε αυτή την περίπτωση είναι α) οι εξωγενείς επιδράσεις/παράγοντες και β) οι παραπλήσιες ή ίδιες φασματικές υπογραφές με δεδομένη την φασματική δειγματοληψία του δορυφορικού συστήματος. Επιπλέον η χωρική διακριτική ικανότητα του καταγραφικού συστήματος έχει σαν αποτέλεσμα μερικές φορές σε ένα εικονοστοιχείο να συνυπάρχουν περισσότερες των μία θεματικών τάξεων, δηλαδή καταγράφεται μια μέση τιμή φασματικής απόκρισης που σε συνδυασμό με την φασματική δειγματοληψία δεν επιτρέπει τον (φασματικό) διαχωρισμό. Η ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων αναφέρεται στον προσδιορισμό θεματικών τάξεων με βάση κριτήρια απόφασης που βασίζονται στην φασματική ταυτότητα των τάξεων. Προκειμένου να διακριθεί μια θεματική τάξη με ταξινόμηση πρέπει να πληρούνται οι παρακάτω προϋποθέσεις: α) να διαφέρει φασματικά από τις άλλες τάξεις σε σχέση με την φασματική δειγματοληψία του καταγραφικού συστήματος και β) να έχει μια στοιχειώδη (ελάχιστη) επιφανειακή εμφάνιση σε σχέση με την χωρική διακριτική ικανότητα του καταγραφικού συστήματος. Για τη χαρτογράφηση των χρήσεων γης επιλέγουμε ένα υποσύνολο της περιοχής μελέτης (τη νήσο Κάλαμο) από το έγχρωμο σύνθετο των καναλιών 01, 02, 03, του σαρωτή vnir.

Χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος των Κ-Μέσων (K-Means), μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης που στο idrisi υλοποιείται με την εντολή Cluster. (Η μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση αποβλέπει στην εξαγωγή των κυρίων φασματικών τάξεων οι οποίες εμφανίζονται σε μια ψηφιακή εικόνα και την εκ των υστέρων αναγνώριση και αναφορά τους σε πραγματικές (θεματικές) τάξεις αντικειμένων/εμφανίσεων της γήινης επιφάνειας. O αλγόριθμος των Κ-Μέσων (K-Means), είναι μία εξερευνητική μεθοδολογία ανάλυσης συσσωρεύσεων, όπου η απόσταση ενός εικονοστοιχείου από τα κέντρα των τάξεων είναι το κριτήριο που καθορίζει την ένταξη του σε μία από τις τάξεις.)

Αποτελέσματα

Ακολουθεί ο τελικός χάρτης που έχει δημιουργηθεί καθώς και οι κατηγορίες κάλυψης με την ερμηνεία τους.

Σχήμα 10:Ο τελικός χάρτης που έχει δημιουργήσει το πρόγραμμα. Ο χάρτης εμπεριέχει 6 κατηγορίες (2 κατηγορίες λόγω επιφανειακής εξάπλωσης μικρότερης του 1% ενώθηκαν με μία από τις υπόλοιπες).	Σχήμα 11:Χωρίς δεδομένα.	Σχήμα 12:Κάλυψη γης στο εσωτερικό.	Σχήμα 13:Βλάστηση με βάση το έγχρωμο σύνθετο.
Σχήμα 14:Θαλάσσια Ζώνη.	σχήμα 15:Κάλυψη γης στο εσωτερικό.	Σχήμα 16:Θαλάσσια περιοχή μικρού βάθους.

Συμπεράσματα

Η ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας μας επέτρεψε να διακρίνουμε διάφορες κατηγορίες κάλυψης γης στην θάλασσα και στην στεριά. Η ερμηνεία της κάθε κατηγορίας μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με εργασίες πεδίου στο ύπαιθρο.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]