Χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων για την καταγραφή φαινομένων πλημμύρας στην πεδιάδα του ποταμού Σενεγάλη

Από RemoteSensing Wiki

1. Εισαγωγή – Αντικείμενο εφαρμογής

Η καταγραφή του φαινομένου της πλημμύρας είναι ουσιαστική τόσο για την πρόβλεψη το εύρος της ροής του ρεύματος, όσο και για την αποτίμηση της πιθανότητας υποχώρησης της πλημμύρας την περίοδο που ακολουθεί την κορύφωση του φαινομένου. Οι Τηλεπισκοπικές μέθοδοι πιθανόν να αποτελούν χρήσιμα εργαλεία για μετρήσεις υδατικής στάθμης και της εκκένωσης.

2. Στόχος εργασίας

Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας εστιάζουν στην πλημμύρα του 1999 όποτε και καταγράφηκε η μεγαλύτερη ροή ποταμού τα τελευταία 30 χρόνια. Η περιοχή έρευνας βρίσκεται στην ημι-άνυδρη Δυτική Αφρική. Οι εποχιακές πλημμύρες χαρακτηρίζουν αρκετούς μεγάλους ποταμούς της Αφρικής. Η εργασία αυτή παρουσιάζει το πως διάφοροι τύποι δορυφορικών εικόνων όπως οι NOAA AVHRR και ERS SAR μπορούν να εφαρμοστούν για να αντιμετωπιστούν οι όποιες δυσκολίες.

3. Είδη δορυφορικών εικόνων

Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα είδη ρων δορυφορικών εικόνων που αξιοποιήθηκαν στην εφαρμογή.

Πίνακας 1: Δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη.

4. Προεπεξεργασίες / ψηφιακές επεξεργασίες

• ΄Όλες οι εικόνες υπέστησαν γεωμετρική διόρθωση μέσω UTM

• Η καταγραφή των δεδομένων περιλαμβάνει την αναγνώριση των χρήσεων γης με χρήση GPS, κάτι που διεξήχθη την ξηρή περίοδο του Ιανουρίου του 2000.

• Πραγματοποιήθηκε Επιβλεπόμενη ταξινόμηση μεγίστης πιθανότητας (supervised maximum likelihood classification), αυτόματη ISO ταξινόμηση δεδομένων (automatic ISO data classification), γραμμική μοντελοποίηση (linear mixture modelling) καθώς και κάποια προεπεξεργασία (preprocessing).

5. Χρήση Landsat TM δεδομένων

Χρησιμοποιήθηκε μία εικόνα Landsat 7 ETM+ 204_49 για την καταγραφή της πλημμύρας. Η ταξινόμηση της αποτελεί στιγμιότυπο του φαινομένου. Τα φασματικά κανάλια στον Landsat ETM+ έχουν ρυθμιστεί καταλλήλως για να διαφέρουν μεταξύ των κλάσεων. Τα κανάλια 2,3,4 και 7 στον Landsat ETM+, λόγω αυτών των φασματικών χαρακτηριστικών, είναι κατάλληλα για την ανίχνευση των πλημμυρισμένων περιοχών.

Μεθοδολογία

Πραγματοποιήθηκε μία σταθερή επιβλεπόμενη ταξινόμηση μεγίστης πιθανότητας, (standard supervised maximum likelihood classification) με τη χρήση του συστήματος επεξεργασίας εικόνας CHIPS. Μόνο μία κλάση βλάστησης χαρτογραφήθηκε. Επιπλέον, ένα σύνολο από οκτώ τάξεις επιλέχθηκε.

Αποτελέσματα

Πραγματοποιήθηκε μία επιβλεπόμενη ταξινόμηση μεγίστης πιθανότητας (supervised maximum likelihood classification) με τη χρήση όμοιων a priori πιθανοτήτων για τις κλάσεις (Εικόνα 1).

Εικόνα 1: Ταξινόμηση βασισμένη σε εικόνα Landsat για τη πεδιάδα του ποταμού Σενεγάλη (September 26, 1999).

ERS SAR

Η ανάπτυξη της πλημμύρας στο χρόνο μπορεί να καταγραφεί μέσω δορυφορικού radar. Για τον ERS2 που χρησιμοποιείται εδώ, απαιτούνται 35 μέρες (Πίνακας 1).

Μεθοδολογία

Ο υπάρχον θόρυβο/παράσιτα στις εικόνες SAR αντιμετωπίζονται με τη χρήση 5 Χ 5 φίλτρου (mean filter), που είναι επαρκές για την εφαρμογή αυτή. Τα φίλτρα ομαλοποίησης (smoothing filters) προσδίδουν ένα παρεμφερές αποτέλεσμα, μειώνοντας την χωρική ανάλυση στις εικόνες SAR σε 100-150 m. Ένας αυτόματος αλγόριθμος σταθερής ταξινόμησης (automatic standard classification algorithm) εφαρμόστηκε στις εικόνες και οι παραγόμενες τάξεις προσδιόρισαν το νερό ή το έδαφος. Όπου ήταν απαραίτητο, οι τάξεις ενώθηκαν.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα των ανωτέρων επεξεργασιών παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.

Εικόνα 2: Ταξινόμηση βασισμένη σε ERS SAR για την πεδιάδα του ποταμού Σενεγάλη.

Η ομοιότητες μεταξύ SAR και Landsat χαρτογράφησης είναι πολύ έντονες.

NOAA AVHRR

Επαναλαμβανόμενα περάσματα δορυφόρου (NOAA AVHRR) κάνουν δυνατό το να αποσπάμε εικόνες χωρίς σύννεφα κατά τη διάρκεια βροχερών εποχών, όποτε και πραγματοποιείται η πλημμύρα. Επιπλέον, υπάρχει πιθανότητα για χρονική ανάλυση. Φασματικά, ο δέκτης AVHRR έχει το πλεονέκτημα ότι έχει δύο θερμικά κανάλια, ιδιαίτερα χρήσιμα σε τροπικές ημι ξηρές περιοχές όπου η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ νερού και εδάφους φτάνει τα 33Κ την ημέρα, σύμφωνα με καταγραφές του Σεπτεμβρίου του 1999.

Μεθοδολογία

Η μέθοδος αυτή είναι ένα μοντέλο απλού γραμμικού συνδυασμού (linear mixture modelling). Ο μοντέλο αυτό υποθέτειμία γραμμική σχέση μεταξύ γραμμικής απόκρισης για ένα pixel και την ποσότητα κλάσεων των περιλαμβανόμενων χρήσεων γης. Επεξεργασία εικόνας Επιλέχτηκαν μία εικόνα Landsat ΕΤΜ+ και μία NOAA AVHRR της 26ης Σεπτεμβρίου, όταν οι πλημμύρες ήταν κοντά στο μέγιστο επίπεδο για το 1999 (Πίνακας 1). Η εικόνα Landsat υπέστη γεωμετρική διόρθωση (geometrically rectified) και ρυθμίστηκε για την θερμοκρασία και την ανάκλαση.Πραγματοποιήθηκε ταξινόμηση για το νερό, το έδαφος και τη βλάστηση.

Η Εικόνα 3 δείχνει την εικόνα Landsat μετά από resampling και περαιτέρω μείωση της ανάλυσης του εδάφους σε 5 km με στόχο τη μείωση σφαλμάτων. Η εικόνα NOAA AVHRR ρυθμίστηκε και υπέστη γεωμετρική διόρθωση στην εικόνα Landsat. Μετά από υπολογισμό της ποσότητας του νερού σε κάθε pixel, τα απότελέσματα αξιολογήθηκαν εις βάρος της Landsat, με resampling 1020m (Εικόνα 4).

Αποτελέσματα

Στην παραγόμενη εικόνα για την επιφάνεια του νερού, κάθε pixel δείχνει το ποσοστό του νερού σε αυτό, όπως υπολογίστηκε σε επιφάνεια 5 x 5 pixels (Εικόνα 4).

Εικόνα 3: Εικόνα Landsat ETM+ μετά από resampling, για την αξιολόγηση μιας subpixel ανάλυσης. (September 26 1999). Οι φωτεινές περιοχές έχουν υψηλό ποσοστό νερού, ενώ οι σκοτείινές έχουν χαμηλό ποσοστό νερού.

Εικόνα 4: Χάρτης πλημμύρας με NOAA AVHRR (September 26 1999). Οι φωτεινές περιοχές έχουν υψηλά ποσοστά νερού ενώ οι σκοτεινές χαμηλά.

Συμπεράσματα

Διαφορετικοί δορυφορικοί δέκτες (Landsat ETM+, ERS2 SAR and NOAAAVHRR) χρησιμοποιήθηκαν για καταγραφή των πλυμμύρων στην πεδιάδα του ποταμού Σενεγάλη. Διάφορες προσεγγίσεις επιχειρήθηκαν όπως η επιβλεπόμενη ταξινόμηση μεγίστης πιθανότητας, αυτόματη ταξινόμηση ISO δεδομένων και το μοντέλο γραμμικού συνδυασμού για subpixel ανάλυση. Κοινό στοιχείο των μεθόδων αυτών είναι η απλότητα και η προσβασιμότητα, ενώ είναι διαθέσιμες για συστήματα επαξεργασίας εικόνας. Επιπλέον, χρειάζεται μία προεπεξεργασία. Αυτό, σε συνδυασμό με την ακρίβεια όλων των μεθόδων, καταστά την λειτουργία δορυφορικών δεδομένων εύκολη στη χρήση. Τα δεδομένα Landsat είναι χρήσιμα για ακριβή χαρτογράφηση του εύρους της πλημμύρας σε ένα δεδομένο σημείο κάθε στιγμή. Τα ERS δεδομένα παρέχουν χάρτη πλημμύρας κάθε 35 μέρες για μικρότερη περιοχή, ενώ η προσέγγιση NOAA AVHRR διασαφηνίζει την χρονική εξέλιξη της πλημμύρας σε μία ευρεία περιοχή, αν και η χωρική ανάλυση της κοστίζει.

Πηγή: Inge Sandholt, Lotte Nyborg, Bjarne Fog, Médou Lô, Ousmane Bocoum & Kjeld Rasmussen