Χρήση τηλεπισκόπησης και GIS για χαρτογράφηση και παρακολούθηση αλλαγών κάλυψης και χρήσης γης στη Βορειοδυτική παράκτια ζώνη της Αιγύπτου

Από RemoteSensing Wiki

Remote sensing and GIS for mapping and monitoring land cover and land-use changes in the Northwestern coastal zone of Egypt
Συγγραφείς: Adel Shalaby, Ryutaro Tateishi
Πηγή: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143622806000154

Σε αυτή τη μελέτη, η μέγιστης πιθανότητας επιβλεπόμενη ταξινόμηση και τεχνικές μετα-ταξινόμησης για την ανίχνευση αλλαγών, εφαρμόστηκαν για εικόνες από δορυφόρους Landsat που αποκτήθηκαν το 1987 και 2001 αντίστοιχα, έτσι ώστε να χαρτογραφηθούν οι αλλαγές κάλυψης γης στη βορειοδυτική ακτή της Αιγύπτου. Μια επιβλεπόμενη ταξινόμηση πραγματοποιήθηκε σε έξι ανακλαστικά κανάλια και για τις δύο εικόνες χωριστά, με τη βοήθεια των πραγματικών εδαφικών δεδομένων. Τα δεδομένα αυτά ελλήφθησαν κατά τη διάρκεια έξι επαγγελματικών ταξιδιών που διεξήχθησαν από το 1998 εώς το 2002 και χρησιμοποιήθηκε ο χάρτης εδαφικής κάλυψης του 1987 για την ακριβή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ταξινόμησης. Η χρησιμοποίηση βοηθητικών δεδομένων, οπτικής ερμηνείας και εξειδικευμένης γνώσης της περιοχής μέσω GIS, βελτίωσαν περαιτέρω τα αποτελέσματα της ταξινόμησης. Η τεχνική της μετα-ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εικόνας μέσω διασταυρούμενης πινακοποίησης. Αξιολογήθηκαν οι αλλαγές μεταξύ των διαφορετικών κατηγοριών κάλυψης γης . Κατά τη διάρκεια της συγκεκριμένης μελέτης, μια πολύ σοβαρή αλλαγή στην κάλυψη του εδάφους έλαβε χώρα η οποία ήταν αποτέλεσμα έργων αγροτικής και τουριστικής ανάπτυξης. Αυτές οι αλλαγές στην κάλυψη γης οδήγησαν σε υποβάθμιση της βλάστησης και του νερού υλοτομίας στο τμήμα της περιοχής μελέτης.

Εισαγωγικά
Η έλλειψη φαγητού και το συνεχές χάσιμο των γεωργικων εδαφών είναι θέματα παγκόσμιου ενδιαφέροντος. Η κυβέρνηση της Αιγύπτου υιοθέτησε πολιτικές για να βοηθήσουν στην επάρκεια της παραγωγής φαγητού. Η βασική αρχή ήταν και ακόμη είναι να ξεπεραστεί η εξαιρετικά δυσμενής σχέση ανάμεσα στον πληθυσμό και στη γεωργία. Η αστικοποίηση είναι μία αναπόφευκτη διαδικασία λόγω της οικονομικής ανάπτυξης και της μεγάλης αύξησης του πληθυσμού. Αυτά έχουν δυσμενείς επιπτώσεις όπως υποβάθμιση της γης, ερημοποίηση και αύξηση πληθυσμού σε περιοχές που έχουν ήδη μεγάλο πληθυσμό. Η περιοχή της Αιγύπτου είναι περίπου 1 εκατομμύριο τετραγωνικά χιλιόμετρα από τα οποία το 95% είναι ερημοποιημένες και ακατοίκητες περιοχές. Ο συνολικός πληθυσμός της χώρας είναι περίπου 75 εκατομμύρια, από τα οποία πάνω από το 95% είναι συγεντρωμένο γύρω από τον Νείλο. Τα παραπάνω προκάλεσαν σοβαρά κοινωνικο-οικονομικά προβλήματα όπου η κυβέρνηση προσπάθησε από το 1980 και μετα να αντιμετωπίσει με διάφορα σχέδια. Η ψηφιακή ανίχνευση αλλαγών είναι η διαδικασία καθορισμού και/η περιγραφής αλλαγών σε εδαφική κάλυψη και χρήσεων γης και βασίζεται σε συνεγγεγραμμένα και παρμένα από διάφορες χρονικές περιόδους δεδομένα τηλεπισκόπησης. Τα δεδομένα αυτά τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται ουσιαστικά έτσι ώστε να εντοπιστούν οι αλλαγές μεταξύ δύο ή περισσότερων από αυτών. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες τεχνικές ανίχνευσης και καταγραφής διαφορών. Καποιες φορές η απλή καταγραφή είναι επαρκής από μόνη της αλλά παρουσιάζει προβλήματα σύγχησης στη φαινολογία και στις σοδειές. Η μετα-ταξινόμηση που προέρχεται από θεματικούς χάρτες πάει παραπέρα και επιχειρεί να ποσοτικοποιήσει τους διαφορετικούς τύπους αλλαγών. Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι να παράξει μία πρόσφατη προοπτική κατηγοριών και αλλαγών εδαφικής κάλυψης που έλαβαν χώρα τα τελευταία 14 χρόνια, να ενσωματώσει την οπτική ερμηνεία με την επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας GIS και να εξετάσει τις ικανότητες της ενσωμάτωσης της τηλεπισκόπησης με GIS στην έρευνα της χωρικής κατανομής διαφορετικών αλλαγών εδαφικής κάλυψης.

εικ.1: Περιοχή μελέτης

Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι τοποθετημένη μεταξύ 30 35’50’’ και 31 00’00’’ Βόρεια και 28 40’00’’-29 50’00’’ Ανατολικά στη βορειοδυτική ακτή της Αιγύπτου, συνορέυει στα Βόρεια με τη Μεσόγειο θάλασσα, στα Ανατολικά με την Αλεξάνδρεια, με την πόλη Ελ-Αλαμέιν Δυτικά και με την κορυφογραμμή Khashm El-Eish στα νότια. Καλύπτει περίπου 3750 τετραγωνικά χιλιόμετρα (εικ.1). Η περιοχή είναι φτιαγμένη από ιζηματογενή πετρώματα της Τριτογενούς και Τεταρτογενούς γεωλογικής περιόδου. Η βορειοδυτική ακτή της Αιγύπτου μπορεί να υποδιαιρεθεί σε τρεις γεωμορφικές μονάδες: Παράκτια πεδιάδα, Αετωματική πεδιάδα και Βραχώδες οροπεδιο. Η εποχή βροχόπτωσης ξεκινά τον Οκτώβριο και περίπου το 75% της συνολικής βροχόπτωσης πέφτει από το Νοέμβριο μέχρι το Φεβρουάριο. Ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος είναι οι πιο βροχεροί μήνες. Το ποσοστό της βροχής από το Μάρτιο και μετά δεν ξεπερνά το 10% του ετήσιου ποσοστού. Γι αυτό και η ξηρή περίοδος εκτείνεται για περίπου 7 μήνες. Τα πετρώματα της ακτής είναι σε υψηλό επίπεδο ασβεστολιθικά λόγω του μητρικού υλικού από το οποίο δημιουργήθηκαν και απο την ανεπαρκή και περιορισμένη έκπλυση.

εικ.3: Εικόνα περιοχής από Landsat TM σε σύνθετο 4.3.2 (2001)

εικ.2: Εικόνα περιοχής από Landsat TM σε σύνθετο 4.3.2 (1987)

Υλικό (μέσα)
Χρησιμοποιήθηκαν 3 είδη υλικού. Πρώτον, δύο εικόνες παρμένες από Landsat Thematic Mapper (TM) και Enhanced Thematic Mapper (ETM+) αντίστοιχα, στις ημερομηνίες 7 Ιουνίου 1987 η πρώτη (εικ.2) και 20 Μαΐου 2001 η δεύτερη (εικ.3). Δεύτερον, ψηφιακοί τοπογραφικοί χάρτες οι οποίοι ψηφιοποιήθηκαν από αναλογικούς τοπογραφικούς χάρτες με κλίμακα 1:50.000 χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για γεωμετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων και για κάποιες πραγματικές εδαφικές πληροφορίες. Τέλος, συλλέχτηκαν πληροφορίες από το πραγματικό έδαφος μεταξύ του 1999 και του 2002 για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση και την αξιολόγηση της ακριβής ταξινόμησης.

Γεωγραφική Διόρθωση
Η ακριβής ανά πίξελ καταγραφή των πολλαπλών χρονικών τηλεπισκοπικών δεδομένων είναι απαραίτητη για την ανίχνευση αλλαγών που εξετάζουμε εδώ γιατί πιθανά λάθη στην ταξινόμηση μπορεί να παρερμηνευθούν ως αλλαγές στην κάλυψη ή στη χρήση γης. Η ανίχνευση αυτή των αλλαγών πραγματοποιείται σε μια διαδικασία πιξελ ανα πιξελ. Σε αυτή την έρευνα αυτό πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας σημεία στο έδαφος από τοπογραφικούς χάρτες που παράχτηκαν το 1983 με κλίμακα 1:5000.

Ενίσχυση εικόνας και οπτική ερμηνεία
Ο σκοπός της ενίσχυσης είναι να βελτιώσει την οπτική ερμηνέια μιας εικόνας με το να αυξήσει τη φαινομενική διάκριση μεταξύ των χαρακτηριστικών. Στρέτσινγκ αντίθεσης εφαρμόστηκε και στις 2 εικόνες και παράχτηκαν 2 ψεύτικα έγχρωμα σύνθετα (FCC). Αυτά ερμηνεύτηκαν οπτικά χρησιμοποιώντας ψηφιοποίηση στην οθόνη έτσι ώστε να οριοθετηθούν οι κατηγορίες τις κάλυψης γης που μπορούν να ερμηνευτούν ως αστικές η Sabkha.

Ταξινόμηση εικόνας
Οι κατηγορίες της κάλυψης γης χαρτογραφήθηκαν από τηλεπισκοπικά δεδομένα μέσω μιας διαδικασίας ψηφιακής ταξινόμησης εικόνας. Πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας εδαφικά πραγματικά σημεία και ψηφιακούς τοπογραφικούς χάρτες της περιοχής μελέτης. Η περιοχή ταξινομήθηκε σε οκτώ βασικές κατηγορίες: θαλασσινό νερό, αλυκές, Sabkha, σοδειές, λειμώνες, γυμνή γη, αστική γη και quires (εικ.4). Το πόσο ακριβής ήταν η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας 200 σημεία, 150 από σημεία στο έδαφος και 50 από υπάρχοντες τοπογραφικούς χάρτες του 1983 και χάρτη κάλυψης γης του 1987.

εικ.4: Κατηγορίες κάλυψης εδάφους όπως ερμηνεύονται οπτικά απευθείας στην ψηφιοποίηση, χρησιμοποιώντας Landsat ETM+ 2001

Ανίχνευση αλλαγών κάλυψης/χρήσης γης
Ασχέτως με την τεχνική που χρησιμοποιείται, η επιτυχία της ανίχνευσης της αλλαγής από εικόνες εξαρτάται από τη φύση της αλλαγής που εξελίχτηκε καθώς και από την επιτυχία της επεξεργασίας της εικόνας και τις διαδικασίες ταξινόμησης. Στην περίπτωση της περιοχής μελέτης, η παρατήρηση και οι μετρήσεις έδειξαν ότι η αλλαγή μεταξύ των εικόνων ήταν απότομη και σημαδεμένη. Σε αυτή τη μελέτη εφαρμόστηκε η τεχνική της μετα-ταξινόμησης ανίχνευσης αλλαγών, η οποία αποδείχτηκε να είναι η πιο αποτελεσματική τεχνική. Αυτό γιατί τα δεδομένα από δύο ημερομηνίες ταξινομούνται ξεχωριστά και έτσι ελαχιστοποιείται το πρόβλημα της ομαλοποίησης ατμοσφαιρικών και αισθητήριων διαφορών μεταξύ των δύο ημερομηνιών. Επίσης πραγματοποιήθηκε και διασταυρωμένη πινακοποίηση έτσι ώστε να αναλυθούν οι χωρικές κατανομές διαφορετικων τάξεων κάλυψης γης και αλλαγών στις χρήσεις γης. Για αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκε το πρότυπο Crosstab του λογισμικού IDRISI Kilimanjaro.

εικ.5: Χάρτης ταξινόμησης χρήσης/κάλυψης γης της βορειοδυτικής ακτής της Αιγύπτου, χρησιμοποιώντας Landsat TM 1987

εικ.6: Χάρτης ταξινόμησης χρήσης/κάλυψης γης της βορειοδυτικής ακτής της Αιγύπτου, χρησιμοποιώντας Landsat ETM+ 2001

Αποτελέσματα
Κατά τη διάρκεια των ετών έχουν ανεγερθεί αρκετά θέρετρα ειδικά κοντά στην ακτή. Επίσης στην εικόνα του 2001 παρατηρήθηκαν πολλοί νέοι δρόμοι και κανάλια άρδευσης. Η επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη χρησιμοποίηση όλων των ανακλαστικών καναλιών των δύο εικόνων της 7 Ιουνίου του 1987 (εικ.5) και της 20 Μαΐου 2001 (εικ.6) αντίστοιχα, πραγματοοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ταξινομητή με τη μέγιστη πιθανότητα. Βοηθητικά δεδομένα και τα αποτελέσματα της οπτικής ερμηνείας συγχωνεύτηκαν με τα αποτελέσματα της ταξινόμησης χρησιμοποιώντας GIS έτσι ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια χαρτογράφησης της κάλυψης γης των δύο εικόνων. Παρατηρήθηκε ότι η υψηλότερη ακρίβεια είναι για τις αστικές και καλλιεργήσιμων περιοχών τάξεις ενώ η χαμηλότερη ήταν για τις τάξεις των γυμνών και λειμώνων περιοχών.

εικ.7: Εικόνα ανίχνευσης αλλαγής κάλυψης εδάφους μεταξύ 1987 και 2001

Συμπεράσματα
Η περιοχή μελέτης έχει υποστεί μία μεγάλη αλλαγή στην κάλυψη γης και αυτό ως αποτέλεσμα αγροτικών ή τουριστικών αναπτυξιακών έργων (εικ.7). Μία σημαντική αύξηση σε αστικές εγκαταστάσεις έλαβε μέρος καθώς και αύξηση παρατηρήθηκε στις εκτάσεις αγροτικής γης. Η περιοχή φυσικής βλάστησης μειώθηκε σημαντικά. Η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης με το GIS παρείχε σημαντικές πληροφορίες για τη φύση των αλλαγών στην κάλυψη γης ειδικά στην περιοχή και χωρική διανομή διαφορετικών αλλαγών. Οι κύριοι λόγοι για την υποβάθμιση της γης στην περιοχή μελέτης έιναι η αφαίρεση της βλάστησης και η υλοτομία. Αυτό το πρόβλημα πρέπει να ερευνηθεί πολυδιάστατα συμπεραλμβανομένου του κοινωνικοοικονομικού τομέα, έτσι ώστε να διατηρηθεί η καινούρια γη και να αυξηθεί η παραγωγή φαγητού.