Χρήση δορυφορικών εικόνων LANDSAT-TM και AVHRR για τη μελέτη του θαλάσσιου περιβάλλοντος.

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς: Κίτσιου Δ. (Τμήμα Περιβάλλοντος Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Εργαστήριο Υδατικών Οικοσυστημάτων), Χατζόπουλος Ι. (Τμήμα Περιβάλλοντος Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης & Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών), Καρύδης Μ. (Τμήμα Περιβάλλοντος Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Εργαστήριο Υδατικών Οικοσυστημάτων)

Πηγή: Eλληνικό Kέντρο Θαλάσσιων Ερευνών, 5ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας, http://symposia.ath.hcmr.gr/

1. Εισαγωγή

Η ανάπτυξη των παράκτιων περιοχών είναι γνωστό ότι δημιουργεί περιβαλλοντικά προβλήματα. Όμως, η παράκτια ζώνη είναι ζωτικής σημασίας από οικονομικής απόψεως και κατά συνέπεια απαιτείται συστηματική παρακολούθηση για την ταχύτατη και αποτελεσματική εκτίμηση της ποιότητας του παράκτιου περιβάλλοντος και της προστασίας του. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη τηλεπισκοπικών μεθόδων είχε και σαν πεδίο εφαρμογής τις μελέτες θαλάσσιας ρύπανσης και κατ΄αυτόν τον τρόπο καθίσταται δυνατή η εκτίμηση της ποιότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε μεγάλη έκταση και με σχετικά χαμηλό κόστος. Ειδικότερα, δεδομένα από τους δέκτες AVHRR και LANDSAT-TM χωρικής διακριτικής ικανότητας 1,1km και 30m αντίστοιχα, έχουν συμβάλλει σημαντικά στην προσέγγιση του φαινομένου της θαλάσσιας ρύπανσης σε μεγάλη έκταση, διαδικασία δύσκολη, χρονοβόρα και συχνά αδύνατη με χρήση των κλασσικών ωκεανογραφικών μεθόδων.

Στην παρούσα εργασία επεχειρήθηκε αρχικά η ανάπτυξη θεματικών χαρτών που απεικονίζουν την χωρική κατανομή της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (σημαντικού δείκτη του ευτροφισμού) στην ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου βάσει των δεδομένων του δέκτη LANDSAT-TM και στη συνέχεια θεματικού χάρτη απεικόνισης της χωρικής κατανομής των θερμοκρασιών στο ΒΑ Αιγαίο βάσει των δεδομένων του δέκτη AVHRR. Στις περιοχές μελέτης διεξήχθησαν δειγματοληψίες σε ημερομηνίες κοντά με εκείνες της λήψης των αντίστοιχων δορυφορικών εικόνων, βάσει των οποίων αναπτύχθηκε αλγόριθμος/μοντέλο ικανό να περιγράψει τη σχέση ανάμεσα στην εξεταζόμενη παράμετρο και τις μετρούμενες τιμές στα διάφορα κανάλια του δέκτη. Η χωρική κατανομή κάθε παραμέτρου προέκυψε με την εφαρμογή αυτών των αλγορίθμων στις αντίστοιχες δορυφορικές εικόνες. Η κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων που ακολούθησε, οδήγησε στην παραγωγή θεματικών χαρτών όπου τα όρια των χωρικών διακυμάνσεων της χλωροφύλλης-α και των θερμοκρασιών είναι σαφώς καθορισμένα. Απεικονίσεις τέτοιου είδους αποδεικνύονται πολύ χρήσιμες στην παράκτια διαχείριση όπου απαιτείται εκτίμηση της ποιότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε ευρεία χωρική κλίμακα συμπεριλαμβανομένων περιοχών όπου δεν είναι εύκολη η συλλογή δεδομένων πεδίου, όπως είναι η περιοχή του Αιγαίου Πελάγους με το σύμπλεγμα των νησιών.

2. Περιοχή μελέτης και πηγή δεδομένων

Το πεδίο μελέτης είναι η θαλάσσια περιοχή των νησιών του ΒΑ Αιγαίου και ιδιαίτερα η ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου. Τα δεδομένα πεδίου προέρχονται από δειγματοληψίες που διεξήχθησαν σε δίκτυο 37 σταθμών δειγματοληψίας στα ανατολικά παράλια της Ν. Λέσβου (εικόνα 1) και σε δίκτυο 8 σταθμών δειγματοληψίας στην ευρύτερη περιοχή του λιμένα της πόλης της Μυτιλήνης, στα πλαίσια ερευνητικών προγραμμάτων του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από δύο mini-σκηνές εικόνων του δέκτη LANDSAT-TM (1/7/1994 και 2/8/1994) και μιας δορυφορικής εικόνας του δέκτη AVHRR-NOAA/14 (14/10/1995), η οποία ελήφθηκε από τον δορυφορικό σταθμό του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Οι ημερομηνίες των εικόνων βρίσκονται κοντά σε εκείνες που έγιναν δειγματοληψίες πεδίου.

3. Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων

Α. Γεωμετρική διόρθωση των εικόνων.

Η γεωμετρική διόρθωση έχει σαν σκοπό την μετατροπή των εικονοσυντεταγμένων σε πραγματικές συντεταγμένες εδάφους. Για να επιτευχθεί αυτό, επιλέχθηκαν σημεία εμφανή τόσο στην εικόνα όσο και στον αντίστοιχο χάρτη της περιοχής μελέτης (Επίγεια Σημεία Ελέγχου - Ground Control Points) με γνωστές συντεταγμένες εδάφους. Βάσει των σημείων αυτών εκτιμήθηκε ο βέλτιστος μετασχηματισμός, τέτοιος ώστε να προκύπτει το ελάχιστο δυνατό RMS σφάλμα, και έγινε επαναδειγματοληψία ολόκληρης της εικόνας ώστε να γίνει μετατροπή των συντεταγμένων όλων των pixels σε πραγματικές συντεταγμένες εδάφους.

Β. Αποκοπή των pixels της εικόνας που αντιστοιχούν στην ξηρά. Δεδομένου ότι η μελέτη μας επικεντρώνεται στο θαλάσσιο περιβάλλον, στα pixels που αντιστοιχούν στην ξηρά δόθηκε η ραδιομετρική τιμή μηδέν, ώστε αυτά να μην λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία.

Γ. Μετατροπή των ψηφιακών τιμών (Digital Numbers - DN) σε λαμπρότητα (Radiance). Για την μετατροπή των ψηφιακών τιμών των εικόνων LANDSAT-TM σε λαμπρότητα, χρησιμοποιήθηκε η σχέση, R (Watt/m2 str) = Ao + A1 (DN), όπου οι τιμές των συντελεστών Ao και A1 για το κάθε κανάλι, δίνονται στον πίνακα 1. Για την επεξεργασία της εικόνας AVHRR χρησιμοποιήθηκαν οι ψηφιακές τιμές (DN) των pixels.

Δ. Προσδιορισμός των σταθμών δειγματοληψίας στην εικόνα και υπολογισμός της λαμπρότητας που αντιστοιχεί στις θέσεις αυτές. Ο προσδιορισμός της θέσης των σταθμών δειγματοληψίας πάνω στην εικόνα είναι εύκολος, δεδομένου ότι είναι γνωστές οι ακριβείς συντεταγμένες τους (χρήση GPS κατά την δειγματοληψία) και ότι οι συντεταγμένες της εικόνας ανήκουν στο Γεωγραφικό Σύστημα Συντεταγμένων.

Ε. Ανάπτυξη μοντέλων υπολογισμού των υπό μελέτη παραμέτρων από δεδομένα των δορυφορικών εικόνων. Για την ανάπτυξη των μοντέλων μέτρησης των υπό μελέτη παραμέτρων έγινε στατιστική επεξεργασία (ανάλυση απλής ή πολλαπλής παλινδρόμησης) των ωκεανογραφικών και τηλεπισκοπικών δεδομένων. Όσον αφορά την συγκέντρωση χλωροφύλλης-α, ο αλγόριθμος που έδωσε τον καλύτερο συντελεστή συσχέτισης είναι ο εξής: logC = 0.62 + 0.176 (Band 2) - 3.445 (Band 1 / Band 2)

όπου C: οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α που μετρήθηκαν στις 20/21-7-1994 και Βand 1 και Band 2: οι λαμπρότητες των καναλιών 1 και 2 αντίστοιχα του δέκτη LANDSAT-TM (2/8/1994) της Μυτιλήνης. Ο αλγόριθμος αυτός εφαρμόσθηκε στη συνέχεια και στη δορυφορική εικόνα της Μυτιλήνης της 1/7/1994. Όσον αφορά την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας, ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση είναι ο εξής: temp = 43.1 - 3.35 (Band 4 - Band 5) + 0.125 (Band 4 - Band 5)^2

όπου temp: οι θερμοκρασίες που μετρήθηκαν στις 6/10/1995 και Band 4 και Band 5, οι DN των καναλιών 4 και 5 αντίστοιχα του δέκτη AVHRR.

ΣΤ. Εφαρμογή των μοντέλων στις εικόνες. Μετά τον υπολογισμό των μοντέλων μέτρησης των υπό μελέτη παραμέτρων, αυτά εφαρμόσθηκαν στις δορυφορικές εικόνες για τον υπολογισμό της χωρικής κατανομής κάθε παραμέτρου.

Ζ. Κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων. Για να γίνει πιο κατανοητή η χωρική κατανομή των υπό εξέταση παραμέτρων, οι τιμές που προέκυψαν από την εφαρμογή των μοντέλων κατηγοριοποιήθηκαν βάσει του Πίνακα 2. Οι τέσσερις κατηγορίες που προέκυψαν βάσει των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α αντιστοιχούν στα διάφορα ευτροφικά πεδία (1: εύτροφο, 2: βεβαρημένο μεσότροφο, 3: ελαφρώς μεσότροφο, 4: ολιγότροφο).

4. Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων δίνονται υπό μορφή θεματικών χαρτών στην εικόνα 2. Στην εικόνα 2α φαίνεται ότι υπάρχουν υψηλές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α στην παράκτια ζώνη της Ν. Λέσβου και ιδιαίτερα κοντά στο λιμάνι της πόλης της Μυτιλήνης, στην περιοχή της Θερμής και στον Κόλπο της Γέρας. Σημειώνεται εδώ ότι οι πολύ υψηλές τιμές κοντά στις ακτές δεν είναι αποτέλεσμα μόνο του φαινομένου του ευτροφισμού που παρατηρείται στις περιοχές αυτές, ιδιαίτερα κατά την θερινή περίοδο. Συμβάλλει ιδιαίτερα και το γεγονός ότι τα νερά είναι ρηχά με αποτέλεσμα η Η/Μ ακτινοβολία να σκεδάζεται στον βυθό και τα αντίστοιχα pixels των δορυφορικών εικόνων να δίνουν υψηλές ραδιομετρικές τιμές. Είναι εμφανές από την εικόνα 2β ότι τον μήνα Αύγουστο οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α έχουν μειωθεί αισθητά. Τέλος, όσον αφορά την κατανομή των θερμοκρασιών (εικόνα 2γ) παρατηρείται ότι διαμορφώνονται δύο πεδία. Το πρώτο βορείως της Μυτιλήνης που χαρακτηρίζεται από χαμηλές θερμοκρασίες και το δεύτερο νοτίως της Χίου που χαρακτηρίζεται από υψηλές θερμοκρασίες. Στην περιοχή που βρίσκεται μεταξύ Μυτιλήνης και Χίου παρατηρείται η παρουσία θερμού επιφανειακού στρώματος. Επίσης, υψηλές θερμοκρασίες παρατηρούνται στον Κόλπο της Καλλονής.