Χαρτογράφηση τύπων πυρκαγιάς χρησιμοποιώντας αντικειμενοστραφή ταξινόμηση εικόνων IKONOS
Από RemoteSensing Wiki
Fire type mapping using object-based classification of Ikonos imagery
Συγγραφείς: G.H. Mitri & I.Z. Gitas
Πηγή: De la Riva, J., Pérez-Cabello, F. & Chuvieco, E. (Eds) 2005 Proceedings of the 5th International Workshop on Remote Sensing and GIS Applications to Forest Fire Management: Fire Effects Assessment
Σκοπός
Σκοπός της παρούσης μελέτης ήταν να αναπτυχθεί ένα αντικειμενοστραφές μοντέλο ταξινόμησης για τη χαρτογράφηση του είδους της πυρκαγιάς που χρησιμοποιεί εικόνες πολύ υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας (IKONOS). Οι στόχοι ήταν:
α) να γίνει διάκριση μεταξύ επιφανειακών καψιμάτων και καλυπτόμενων
β) να αξιολογηθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της ταξινόμησης με τη χρησιμοποίηση στοιχείων από τα πεδία έρευνας.
Εισαγωγή
Οι δασικές πυρκαγιές αποτελούν αναπόσπαστο μέρος πολλών χερσαίων οικοσυστημάτων. Ο τύπος της φωτιάς συνδέεται με περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η τοπογραφία, ο άνεμος, τα καύσιμα, ο τύπος και η κατάσταση του καυσίμου. Διακρίνονται σε τρεις γενικές κατηγορίες:
- Πυρκαγιές εδάφους: Καίνε την οργανική ύλη η οποία είναι σε στάδιο αποσύνθεσης (ρίζες, σάπια θαμμένα κούτσουρα) και συσσωρεύεται στα εδάφη των δασών
- Πυρκαγιές επιφανείας: Καίνε τους βοσκότοπους, τα ξερά κλαδιά ή τους θαμνώνες.
- Πυρκαγιές κόμης: καίνε τα ανυψωμένα καύσιμα
Η διάκριση και η χαρτογράφηση των περιοχών διάδοσης των πυρκαγιών επιφάνειας και κόμης έχουν σημαντικές εφαρμογές στη μελέτη της συμπεριφοράς πυρκαγιάς, της καταστολής πυρκαγιάς και των επιδράσεων της πυρκαγιάς Η τηλεπισκόπηση έχει παράσχει μια κατάλληλη εναλλακτική τεχνική για τη χαρτογράφηση της έκτασης των καμένων περιοχών, καθώς και για την παροχή πληροφοριών που σχετίζονται με το είδος και τη σοβαρότητα των συνεπειών της πυρκαγιάς. Οι νέοι τύποι δορυφορικών δεδομένων, όπως εικόνες IKONOS, των οποίων η υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα είναι συγκρίσιμη με αυτή της αεροφωτογραφίας, ανοίγουν νέους ορίζοντες στην τηλεπισκόπηση. Μια σημαντική εφαρμογή στην οποία εικόνες υψηλής ανάλυσης αναμένεται να δώσουν νέα διάσταση είναι η παροχή σχετικών πληροφοριών μετά από πυρκαγιές Επιπλέον, νέες τεχνικές ταξινόμησης, όπως η αντικειμενοστραφής, έχουν πρόσφατα αναπτυχθεί.
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι το νησί της Θάσου. Η συνολική της επιφάνεια είναι 399Κm2 και η περίμετρός του είναι περίπου 102Κm.. To υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας κυμαίνεται μέχρι 1217m. Εκτός από τα δάση, τα άλλα είδη της μεσογειακής βλάστησης, είναι επίσης παρόντα. Η συγκεκριμένη υπό μελέτη περιοχή κάηκε στις 13 Ιουλίου 2000 από μια μικτή πυρκαγιά (επιφάνειας και κόμης) που έπληξε μια περιοχή 187 εκταρίων που καλύπτονται από το δάσος τραχείας πεύκης(Έικόνα 1).
Μεθοδολογία
Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε συνίσταται σε δύο διαδοχικά βήματα: κατάτμηση της εικόνας και ταξινόμηση εικόνων. Αρχικά, οι εικόνες ελήφθησαν σε διάφορες κλίμακες, μέσα από μια διαδικασία τμηματοποίησης πολλαπλής ανάλυσης, και στη συνέχεια οι φασματικές και οι συναφείς με το αντικείμενο πληροφορίες χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση των αντικειμένων
Είδη δορυφορικών συστημάτων – Προεπεξεργασία εικόνας
Μια πολυφασματική 1metre pan-sarpened εικόνα IKOΝΟS λήφθηκε στις 14 Ιούλιου του 2000, μία ημέρα μετά την πυρκαγιάς. Η εικόνα επεξεργάστηκε πριν από τη χαρτογράφηση . Συγκεκριμένα, υπεβλήθει σε ατμοσφαιρική και γεωμετρική διόρθωση. Εκτός από τα δεδομένα της εικόνας, συλλέχθησαν δεδομένα από το πεδίο το καλοκαίρι του(δύο χρόνια μετά την πυρκαγιά) από 39 οικόπεδα (10 x 10m). Η τοποθεσία του κάθε οικοπέδου καθορίστηκε από (GPS) συσκευές. Οι επιπτώσεις της πυρκαγιάς στη βλάστηση αξιολογήθηκαν και χωρίστηκαν σε δύο κατηγορίες καλυπτόμενων και επιφανειακών.
Αντικειμενοστραφές μοντέλο
Η ανάπτυξη του αντικειμενοστραφούς (object-oriented) μοντέλου περιελάμβανε δύο στάδια: τμηματοποίηση-κατάτμηση και την ταξινόμηση. Τα αντικείμενα της εικόνας εξήχθησαν από την εικόνα στη διαδικασία κατάτμησης που εκτελέσθηκε πριν από την ταξινόμηση
Κατάτμηση
Η χρησιμοποιούμενη κατάτμηση ήταν μια τεχνική συγχώνευσης ξεκινώντας με αντικείμενα ενός pixel. Στα πολυάριθμα επόμενα βήματα, τα μικρότερα αντικείμενα εικόνας συγχωνεύτηκαν σε μεγαλύτερα. Οι παράμετροι κατάτμησης ορίστηκαν εμπειρικά. Μια σειρά κατατμήσεων προήλθε από την αναπροσαρμογή των παραμέτρων της κλίμακας, τα βάρη των καναλιών, το χρώμα και το σχήμα. Αφού οι καμένες εκτάσεις είναι πιο ορατές στα κανάλια του IKONOS 3 και 4 από ότι στα 1 και 2, ορίστηκαν μεγαλύτερα βάρη στα κανάλια 3 και 4 με την εφαρμογή της διαφορικής στάθμισης. Επιπλέον, οι κατατμήσεις βασισμένες σε υψηλότερα χρωματικά βάρη και χαμηλότερα βάρη μορφής-σχήματος εμφανίστηκαν να ταιριάζουν καλύτερα με τα επίγεια χαρακτηριστικά γνωρίσματα της εικόνας
Στη συνέχεια δημιουργήθηκε μια κλίμακα κατάτμησης διαβαθμισμένη σε τρία επίπεδα, δηλαδή μικρά αντικείμενα (επίπεδο 1), μεσαίου μεγέθους και τα μεγάλα αντικείμενα (επίπεδο 3).
Ταξινόμηση
Η κατάταξη αυτή βασίζεται σε ασαφή λογική και αποτελείται από ένα συνδυασμό διαφόρων προϋποθέσεων που έπρεπε να πληρούνται από ένα αντικείμενο που πρέπει να ενταχθεί σε μια κατηγορία. Τα ασαφή σύνολα έχουν οριστεί από συναρτήσεις συμμετοχής που προσδιορίζουν τις τιμές ενός χαρακτηριστικού που θεωρείται τυπικό, λιγότερο τυπικό, ή δεν είναι τυπικό για μια κατηγορία, δηλαδή, έχουν μια υψηλή, χαμηλή, ή μηδενική σχετικότητα, αντίστοιχα, με το ασαφές σύνολο. Οι ταξινομήσεις πραγματοποιήθηκαν στα τρία επίπεδα κατάτμησης.
Οι κατηγορίες ήταν:
- επίπεδο 1: «επιφανειακό κάψιμο», «καλυπτόμενο κάψιμο», «υγιής βλάστηση» και «άλλα»
- επίπεδο 2: «νερό», «γυμνό έδαφος και« άλλα » και
- επίπεδο 3: «υγιής βλάστηση», «καμένα σε μεγάλο βαθμό » και «ελαφρώς καμένα».
Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα που βασίζονται στις φασματικές πληροφορίες αντικειμένου καθώς επίσης και στις σχετικές με το αντικείμενο πληροφορίες, όπως η γειτνίαση και η σχέση με τα αντικείμενα των παραπάνω κατηγοριών, χρησιμοποιήθηκαν στη ταξινόμηση. Τα χαρακτηριστικά βασισμένα στις φασματικές πληροφορίες αντικειμένου ήταν: ο δείκτης βλάστησης (NDVI), η φωτεινότητα και το τμήμα από την περιοχή του εγγύς υπέρυθρου (NIR). Ο NDVI υπολογίστηκε από τις τιμές του NDVI των n pixels που αποτελούν το αντικείμενο της εικόνας, ενώ η φωτεινότητα του αντικειμένου αντιπροσωπεύει τη μέση τιμή των φασματικών τιμών ενός αντικειμένου εικόνας. Η ταξινόμηση στο επίπεδο 1 είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή ενός χάρτη για τον τύπο της πυρκαγιάς για την περιοχή μελέτης
Αποτελέσματα και συμπεράσματα
Μια έκταση 80 εκταρίων, που αντιπροσωπεύουν το 43% της συνολικής καμένης περιοχής, είχε χαρακτηριστεί ως καλυπτόμενο κάψιμο ενώ ο χώρος των 106 εκταρίων, που αντιπροσωπεύουν το 57% του συνόλου των καμένων περιοχή, χαρακτηρίστηκε ως επιφανειακό κάψιμο
Τα αποτελέσματα της κατάταξης συγκρίθηκαν με τα στοιχεία που συγκεντρώθηκαν από το πεδίο έρευνας. Η συνολική ακρίβεια στην ταξινόμηση ήταν 0,87, ενώ ο συνολικός Δείκτης Kappa της συμφωνίας ήταν 0,74. Η εξέταση του σφάλματος μήτρας αποκάλυψε μια μικρή σύγχυση μεταξύ των κατηγοριών του επιφανειακού καψίματος και της υγιούς βλάστησης. Η σύγχυση αυτή συνδέεται με την παρουσία πυκνής υγιούς βλάστησης στην εικόνα που καλύπτει πλήρως περιοχές επιφανειακού καψίματος. Αυτή η σύγχυση θα μπορούσε να αποδοθεί στην αδυναμία του οπτικού αισθητήρα να διεισδύσει σε πυκνά καλυπτόμενες περιοχές για να ανιχνεύσουν πληγείσες περιοχές από πυρκαγιά.
Η προσεκτική εξέταση του παραγόμενου χάρτη αποκάλυψε ότι η χωρική κατανομή των δύο κατηγοριών καψίματος ήταν εξαιρετικά ομοιογενής. Επίσης, η διαχωριστική γραμμή μεταξύ επιφανειακών καψιμάτων και καλυπτόμενων φαίνεται να μην είναι ομαλή ως αποτέλεσμα της μετάβασης από τα επιφανειακά καψίματα στα καλυπτόμενα, και αντιστρόφως. Επιπλέον, το οδικό δίκτυο φαίνεται να ελέγχει την έκταση της επιφανειακής πυρκαγιάς αλλά όχι και της κόμης. Επιπλέον, ο προκύπτων χάρτης της συνολικής καμένης περιοχής (επιφανειακό κάψιμο και καλυπτόμενο) συγκρίθηκε με το χάρτη πυρκαγιάς που δημιουργήθηκε από τη δασική υπηρεσία με παραδοσιακές μεθόδους έρευνας. Η ανυσματική περίμετρος φωτιάς από ταξινομημένες εικόνες τοποθετήθηκε επάνω στην επίσημη περίμετρο φωτιάς. Η έκταση που έχει μετρηθεί από την Ελληνική Δασική Υπηρεσία ήταν 187 εκτάρια που διαφέρει μόνο κατά 1 εκτάριο από το αποτέλεσμα της κατάταξης. Τα όρια που προκύπτουν από την ταξινόμηση είναι μάλλον πιο λεπτομερή από εκείνα που προέρχονται από τη δασική Υπηρεσία.
Η ικανότητα της αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης να συνδυάσει φασματικές με συναφείς πληροφορίες αποδείχθηκε ευεργετική κατά τη χαρτογράφηση του είδους της φωτιάς. Ο παραγόμενος χάρτης έχει πολλά πλεονεκτήματα που τον καθιστούν επωφελή για τις εφαρμογές που αφορούν δασικές πυρκαγιές. Ένας συνδυασμός των εικόνων IKONOS με άλλους τύπους δεδομένων, όπως το ραντάρ, το οποίο είναι σε θέση να διεισδύει την κάλυψη του δάσους, μπορεί να είναι χρήσιμος προς διερεύνηση στο μέλλον.
