Χαρτογράφηση των καμένων περιοχών στην Ελλάδα με τη χρήση εικόνων SPOT-4 HRVIR και ανάλυση εικόνας με αντικειμενοστραφή ταξινόμηση

Από RemoteSensing Wiki

Αναστασία Πολυχρονάκη και Ιωάννης Ζ. Γήτας

Η σειρά καταστροφικών πυρκαγιών που συνέβησαν στην Ελλάδα κατά τη διάρκεια των καλοκαιριών του 2007 και 2009 κάνει επιτακτική την ανάγκη για την ανάπτυξη ενός λειτουργικού μηχανισμού για την ακριβή και έγκαιρη χαρτογράφηση των περιοχών που κάηκαν. Σ’ αυτή τη μελέτη εχουν εισαχθεί εικόνες SPOT 4 HRVIR με αντικειμενοστραφή ταξινόμηση του περιβάλλοντος, προκειμένου να αναπτυχθεί μια διαδικασία για τη χαρτογράφηση της καμένης περιοχής. Η ανάπτυξη της διαδικασίας βασίστηκε σε δύο εικόνες και έπειτα ελέγχθηκε η συσχέτισή τους με άλλες καμένες περιοχές. Τα αποτελέσματα από τη χαρτογράφηση των καμένων περιοχών έδειξαν πολύ υψηλή ακρίβεια ταξινόμησης, ενώ η διαδικασία αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης που αναπτύχθηκε αποδείχθηκε ικανή να εφαρμοστεί και σε άλλες περιοχές μελέτης.

Περιοχές Μελέτης

Οι περιοχές μελέτης είναι αυτές της Πελοποννήσου, Ανατολικής Αττικής, το Πήλιο και η Πάρνηθα, (Σχήμα 1). Η περιοχή της Πελοποννήσου σύμφωνα με έρευνα καλύπτεται κατά κύριο λόγο με μακκία και γεωργικές εκτάσεις, ενώ οι δασικές εκτάσεις καλύπτονται κυρίως από δάση μαύρης Πεύκης (Pinus nigra) και βελανιδιές (Quercus sp). Η περιοχή της Ανατολικής Αττικής, η οποία βρίσκεται βόρειο-ανατολικά της Αθήνας, καλύπτεται κυρίως από Pinus halepensis και περιλαμβάνει γεωργικές και κατοικημένες περιοχές. Το Πήλιο βρίσκεται κοντά στην πόλη του Βόλου,στην κεντρική Ελλάδα. Μια μεγάλο μέρος της περιοχής καλύπτεται από δάση, κυρίως με οξιά (Fagus sylvatica), και περιβάλλεται από μακκία και αγροτικές περιοχές. Πάρνηθα βρίσκεται στο βόρειο-δυτικό τμήμα της Αθήνας και καλύπτεται με τα δάση της ελληνικής ελάτης (Abies cephalonica) και χαλεπίου πεύκης (Pinushalepensis), ενώ μέρος του βουνού χαρακτηρίζεται ως εθνικό πάρκο (σχήμα 1) Τέσσερις εικόνες SPOT-4 HRVIR (τέσσερα κανάλια: πράσινο, κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο (NIR) και υπέρυθρες βραχέων κυμάτων (SWIR)) αποκτήθηκαν πολύ σύντομα μετά από τα γεγονότα που συνέβησαν στις τέσσερις περιοχές μελέτης (Πίνακας 1). Επιπλέον, λόγω της απουσίας των επίσημων περιμέτρων φωτιάς, τρεις πολύ υψηλής ανάλυσης εικόνες (VHR), δηλαδή δύο SPOT-5 και μια pan-sharpened εικόνα του Ikonos, αποκτήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της ακρίβειας ταξινόμησης των καμένων περιοχών.

Μεθοδολογία

Προεπεξεργασία δεδομένων

Χρειάστηκε προεπεξεργασία των τεσσάρων εικόνων, έγινε ατμοσφαιρική διόρθωση των δεδομένων τους. Έπειτα οι εικόνες τροποποιήθηκαν σε 8bit, ώστε να καταστεί η διαδικασία ταξινόμησης αποδοτικότερη. Το επόμενο βήμα της προεπεξεργασίας είναι η γεωμετρική διόρθωση των εικόνων. Τέλος, δημιουργήθηκαν πολύγωνα με βάση τη φωτοερμηνεία των εικόνων και μετά από ψηφιοποίηση προέκυψαν οι καμένες περιοχές. Ανάπτυξη της διαδικασίας της αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης Για την κατασκευή της διαδικασίας της αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν αρχικά δύο εικόνες, αυτή της Πελοποννήσου και αυτή της Ανατολικής Αττικής, ενώ οι άλλες δύο εικόνες χρησιμοποιήθηκαν μετέπειτα στην αξιολόγηση της μεταφοράς της διαδικασίας ταξινόμησης. Η πρώτη δράση που πραγματοποιείται ήταν η κατάτμηση της εικόνας σε αντικείμενα. Προκειμένου να προσδιοριστεί το μέγεθος των αντικειμένων, ορίστηκαν πολλές παράμετροι, όπως η κλίμακα, τα βάρη και το κριτήριο ομοιογένειας. Για να δημιουργηθεί το κατάλληλο μέγεθος των αντικειμένων της εικόνας ακολουθήθηκε η μέθοδος «δοκιμή και σφάλμα», ώστε να οριστούν οι παράμετροι της κατάτμησης. Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει την ταξινόμηση των αντικειμένων της εικόνας που προκύπτει σε δύο κατηγορίες: "καμένα" και "νερό". Για κάθε κατηγορία ένας κανόνας έχει οριστεί. Ένας τέτοιος κανόνας μπορεί να έχει ένα μόνο χαρακτηριστικό αντικείμενο ή μπορεί να αποτελείται από ένα συνδυασμό πολλών χαρακτηριστικών που πρέπει να πληρούνται για ένα αντικείμενο που θα τοποθετηθεί σε μια τάξη. Στην περίπτωση αυτή διαπιστώθηκε ότι η εφαρμογή ορίων σε καθένα από τα επιλεγμένα χαρακτηριστικά ήταν επαρκής. Τα επόμενα βήματα σχετίζονται με την τελειοποίηση της αρχικής ταξινόμησης. Αυτή η δράση θεωρείται απαραίτητη διότι ορισμένα αντικείμενα που βρίσκονται στα παράλια είχαν λανθασμένα χαρακτηριστεί ως "Καμένα". Ως εκ τούτου, όλα τα αντικείμενα που χαρακτηρίζονται ως "νερό" για πρώτη φορά ενώθηκαν προκειμένου να εφαρμοστεί η διαδικασία με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Στη συνέχεια μόνο τα αταξινόμητα αντικείμενα της εικόνας επαναταξινομήθηκαν. Ο σκοπός της δράσης αυτής ήταν να παραχθούν αντικείμενα μικρότερου μεγέθους, προκειμένου να χαρακτηριστούν μικρότερες επιφάνειες των καμένων περιοχών που δεν κατηγοριοποιήθηκαν στο προηγούμενο βήμα ταξινόμησης Το τελευταίο βήμα της μεθοδολογίας, αφορά την εφαρμογή της διαδικασίας αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης που αναπτύχθηκε, στις δύο εναπομείνασες εικόνες SPOT-4 HRVIR, προκειμένου να δοκιμαστεί η δυνατότητα μεταφοράς της σε άλλες χαρτογραφήσεις καμένων περιοχών. Η διαδικασία παρουσίασε ικανοποιητική απόδοση.

Συμπεράσματα

Επιτεύχθηκε πολύ υψηλή ακρίβεια ταξινόμησης, πολύ υψηλός βαθμός συνοχής τόσο στην χωρική επικάλυψη, όσο στη συνολική καμένη έκταση. Επιπλέον η αντικειμενοστραφής ταξινόμηση αποδείχθηκε μεταβιβάσιμη εφόσον ήταν σε θέση να χαρτογραφήσει τις καμένες περιοχές με μεγάλη ακρίβεια. Αυτό δείχνει τις δυνατότητές της για χρήση σε επιχειρησιακή βάση. Η χρήση των φασματικών πληροφοριών σε συνδυασμό με γενικές πληροφορίες, θα μπορούσαν να ξεπεράσουν εύκολα την υπάρχουσα σύγχυση μεταξύ των περιοχών που κάηκαν και άλλα είδη κάλυψης γης, όπως οι υδάτινες μάζες και οι σκιές. Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα θα πρέπει να περιλαμβάνει την τοπογραφική διόρθωση των εικόνων πριν από την εφαρμογή της διαδικασίας που αναπτύχθηκε.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Table 1. List of available data. Data highlighted in grey are used for the accuracy assessment. Study Area EO Data (Spatial Resolution) Acquisition Date Date of Fire Event Parnitha SPOT-4 HRVIR 2 (20 m) 2007-08-03 2007-06-28 Parnitha IKONOS PAN/MSI (1 m) 2007-07-08 2007-06-28 East Attica SPOT-4 HRVIR 1 (20 m) 2009-08-27 2009-08-24 Peloponnese SPOT-4 HRVIR 2 (20 m) 2007-09-09 2007-08-30 Peloponnese SPOT-5 HRG 1 (10 m) 2007-09-02 2007-08-30 Pelion SPOT-4 HRVIR 1 (20 m) 2007-07-29 2007-07-07 Pelion SPOT-5 HRG 2 (2.5 m) 2007-07-23 2007-07-07