Χρήση των δορυφορικών συστημάτων IKONOS και Landsat για έλεγχο της ελονοσίας στην Κορέα
Από RemoteSensing Wiki
Χρήση των δορυφορικών συστημάτων IKONOS και Landsat για έλεγχο της ελονοσίας στην Κορέα
Πρωτότυπος τίτλος : Use of IKONOS and Landsat for malaria control in the Republic of Korea
Συγγραφείς : Penny M. Masuoka, David M. Claborn, Richard G. Andre, Joseph Nigro, Scott W. Gordon, Terry A. Klein, Hung-Chol Kim
Πηγή : Science Direct
Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να διευκρινιστεί το ενδεχόμενο να εντοπιστούν περιοχές όπου φωλιάζουν προνύμφες κουνουπιών χρησιμοποιώντας δεδομένα του δορυφορικού συστήματος Landsat 7 ETM+ και του IKONOS, με σκοπό τον έλεγχο της εξάπλωσης της ελονοσίας στην Κορέα.
1.Εισαγωγή
Μετά από αρκετό καιρό απουσίας από την Κορέα , η ελονοσία έκανε την επανεμφάνιση της το 1997 με 2 κρούσματα, αριθμός ο οποίος πολλαπλασιάστηκε στα αμέσως επόμενα χρόνια. Τα κύρια είδη της ασθένειας σχετίζονται ύπαρξη κουνουπιών που φωλιάζουν στις καλλιέργειες ρυζιού και εντοπίζονται βόρεια της αποστρατικοποιημένης ζώνης (Demilitarized Zone-DMZ) στις επαρχίες Kyonggi και Kangwon. Μετά το 1999 το προσωπικό του στρατού που στρατοπεδεύει στην DMZ χρησιμοποιεί διάφορες μεθόδους προστασίας από την ελονοσία. Η εργασία αυτή στοχεύει στον εντοπισμό περιοχών όπου φωλιάζουν προνύμφες κουνουπιών προκειμένου να εκτιμηθεί το κόστος αφανισμού των κουνουπιών από τις στρατιωτικές βάσεις της Κορέας. Δορυφορικά δεδομένα έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για παρόμοιες μελέτες. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιούνται δεδομένα των δορυφορικών συστημάτων IKONOS και Landsat 7, τα οποία διαφέρουν στα εξής σημεία :
- Ο IKONOS δεν έχει μέσο υπέρυθρο κανάλι, το οποίο είναι αρκετά χρήσιμο για μελέτες βλάστησης
- Το μέγεθος των εικόνων είναι διαφορετικό για τους δύο δορυφόρους, 11 Χ 11km για τον ΙΚΟΝΟS, 185 Χ 185 km για τον Landsat
- Η ανάλυση του Landsat στο παγχρωματικό και πολυφασματικό κανάλι είναι 15m και 30m αντίστοιχα, ενώ για τα ίδια κανάλια του ΙΚΟΝΟS η ανάλυση είναι 1m και 4m αντίστοιχα
- Οι εικόνες του IKONOS είναι πιο ακριβές ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο από αυτές του Landsat
Στην παρούσα μελέτη επιχειρείται να απαντηθεί αν οι υψηλής ευκρίνειας εικόνες είναι πιο αποτελεσματικές στην οριοθέτηση των περιοχών όπου φωλιάζουν οι προνύμφες των κουνουπιών, και αν ναι πως επηρεάζονται οι εκτιμήσεις από εικόνες μικρότερης ανάλυσης.
2.Μεθοδολογία
2.1 Επιτόπιος Έλεγχος
Η μελέτη επικεντρώθηκε σε δύο στρατιωτικές βάσεις - Camp Greaves και Camp Casey -, και ο επιτόπιος έλεγχος πραγματοποιήθηκε την περίοδο Ιουνίου-Σεπτεμβρίου του 2000. Οι έρευνες έγιναν σε όλους τις πηγές γλυκού νερού των δύο περιοχών χρησιμοποιώντας έναν κοινό εκσκαφέα. Εντοπίστηκαν λοιπόν και δειγματοληπτήθηκαν 7 πιθανοί οικότοποι που μπορεί να φωλιάζουν προνύμφες : ορυζώνες, streamside pools, λίμνες άρδευσης, αρδευτικά κανάλια, τάφροι αποχέτευσης, βάλτοι, λίμνες καθώς και δύο μικρά έλη. Τα σημεία που δειγματοληπτήθηκαν εντοπίστηκαν με χρήση συσκευής GPS, ενώ δημιουργήθηκαν ζώνες επιρροής 1 km γύρω από τις τοποθεσίες που μας απασχόλησαν στην μελέτη μας.
2.2 Ανάλυση εικόνας
Δύο εικόνες χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία, μια εικόνα της 29/04/2000 του δορυφορικού συστήματος Landsat 7 ETM+ και μια του ΙΚΟΝΟS που τραβήχτηκε στις 2/08/2000. Η Landsat εικόνα καλύπτει ολόκληρη την περιοχή μελέτης ενώ η εικόνα του ΙΚΟΝOS βρίσκεται εξ ολοκλήρου εντός της εικόνας του Landsat αλλά καλύπτει μόνο το Camp Greaves. Οι εικόνες γεωαναφέρθηκαν στο προβολικό σύστημα WGS84. Πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση των δύο δορυφορικών εικόνων με δείγματα εκπαίδευσης περιοχές στάσιμων νερών που δειγματοληπτήθηκαν στον επιτόπιο έλεγχο. Διάφοροι αλγόριθμοι ταξινόμησης ερευνήθηκαν μεταξύ των οποίων ο αλγόριθμος παραλληλεπιπέδου, μεγίστης πιθανοφάνειας και ελαχίστων αποστάσεων. Ο αλγόριθμος παραλληλεπιπέδου εμφανίζεται ως ο πιο ακριβής για την ταξινόμηση της εικόνας του IKONOS. Ένα πρόγραμμα (PCI’s MODEL) χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εκθέσεων σχετικά με τις περιοχές που καλύπτει η κάθε κατηγορία των ταξινομημένων εικόνων. Για την σύγκριση των αποτελεσμάτων ταξινόμησης των δύο εικόνων, παρήχθη ένα υποσύνολο της Landsat εικόνας το οποίο περιλαμβάνει μόνο την περιοχή που καλύπτεται από την εικόνα του IKONOS. Κατασκευάστηκε επίσης ένας πίνακας σύγχυσης (confusion matrix) για να συγκριθεί η ακρίβεια ταξινόμησης των δυο δορυφορικών εικόνων με τα κοινά σημεία των δύο εικόνων από τις επιτόπιες έρευνες. Στην συνέχεια το ίδιο πρόγραμμα χρησιμοποιήθηκε για να συγκρίνει τις ταξινομημένες δορυφορικές εικόνες και να παράγει μια εικόνα που να απεικονίζει τα pixel που ταξινομήθηκαν με τον ίδιο τρόπο ή με διαφορετικό στις δύο αυτές εικόνες.
3.Αποτελέσματα
3.1 Αποτελέσματα ταξινόμησης
Από τις εικόνες που παρατίθενται στην συνέχεια(η δεύτερη εικόνα αποτελεί υποσύνολο της πρώτης) και απεικονίζουν ψευδο-έγχρωμα σύνθετα και τις ταξινομημένες εικόνες των δύο αρχικών δορυφορικών εικόνων, παρατηρούμε ότι τα ποτάμια, λίμνες και ορυζώνες ταξινομήθηκαν σωστά στην εικόνα του IKONOS, όχι όμως και οι τάφροι. Αντίστοιχα στην Landsat εικόνα τα ποτάμια και οι ορυζώνες μπόρεσαν να ταξινομηθούν όχι όμως οι λίμνες και οι τάφροι, λόγω του μικρού τους μεγέθους. Μια οπτική σύγκριση μεταξύ των δύο ταξινομημένων εικόνων(εικόνα 2) δείχνει ότι ομοιάζουν αρκετά στην ταξινόμηση των ποταμών (εμφανίζονται με κίτρινο χρώμα στις ταξινομημένες εικόνες),ορυζώνες όμως μικρής έκτασης(εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα) που εντοπίζονται στα βορειοδυτικά της ΙΚΟΝΟS δεν ταξινομήθηκαν σωστά στην εικόνα του LANDSAT. Για κάθε μια από τις ταξινομημένες εικόνες σχηματίστηκε ένας πίνακας σύγχυσης(confusion matrix) χρησιμοποιώντας ως σημεία αναφοράς τα δειγματοληπτικά σημεία που βρίσκονται στην περιοχή που απεικονίζει η εικόνα του δορυφόρου IKONOS. Από τους 26 ορυζώνες που ελήφθησαν δείγματα, 24(92%) ταξινομήθηκαν σωστά στην εικόνα του IKONOS και 17(65%) σε αυτή του Landsat. Ένα έλος που δειγματοληπτήθηκε ταξινομήθηκε σωστά στην IKONOS αλλά λανθασμένα ως ορυζώνας στην Landsat. Οι τάφροι ταξινομήθηκαν λάθος και στις δύο εικόνες , ενώ το ίδιο συνέβη και με τις λίμνες λόγω του μικρού μεγέθους τους.
Η σύγκριση των δύο ταξινομημένων εικόνων έδειξε ότι 79% των pixel κατηγοριοποιήθηκαν με τον ίδιο τρόπο στις δυο εικόνες. Οι διαφορές πιθανότατα οφείλονται στην διαφορετική ανάλυση των εικόνων και στο γεγονός ότι τραβήχτηκαν σε διαφορετικές χρονικές περιόδους, και άρα σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης των ορυζώνων. Στην εικόνα 3 με άσπρο χρώμα εμφανίζονται τα pixel που ταξινομήθηκαν όμοια στις δύο εικόνες και με μαύρο όσα ταξινομήθηκαν διαφορετικά. Περαιτέρω διερεύνηση των διαφορών των δύο ταξινομημένων εικόνων πραγματοποιήθηκε. Η εικόνα 4 παρουσιάζει τα σημεία που ταξινομήθηκαν ως «φωλιές» προνυμφών στην Landsat εικόνες(με μαύρο χρώμα) αλλά όχι σε αυτή του ΙΚΟΝΟS. Ένας λόγος για αυτές τις διαφορές είναι ότι στην Landsat τα αναχώματα που χωρίζουν τους ορυζώνες και οι μεγάλοι δρόμοι ταξινομούνται ως καλλιέργειες, όχι όμως στην IKONOS.
Παρά την διαφορά της τάξης του 20% στις ταξινομημένες εικόνες, οι εκτιμήσεις για την κάλυψη γης των ζωνών επιρροής διαφέρουν μόλις κατά 2,7%.
3.2 Εκτιμήσεις για το κόστος αντιμετώπισης
Γνωρίζοντας την έκταση που καταλαμβάνουν οι περιοχές που φωλιάζουν οι προνύμφες εντός της ζώνης επιρροής της καθεμιάς στρατιωτικής βάσης αλλά και του αριθμού των στρατιωτών σε κάθε βάση, και λαμβάνοντας υπ’ όψιν τα κόστη για κάθε μια μέθοδο προφύλαξης, εκτιμάται ότι για το Camp Greaves η ελονοσία είναι προτιμότερο να αντιμετωπιστεί με χορήγηση φαρμάκων. Αντίθετα για το Camp Casey η φθηνότερη λύση είναι η θανάτωση των πληθυσμών των προνυμφών.
4.Συμπεράσματα
Από την μελέτη προέκυψε ότι οι εκτιμήσεις για τις περιοχές όπου φωλιάζουν οι προνύμφες κουνουπιών είναι παρόμοιες για τις εικόνες των δύο δορυφορικών οικοσυστημάτων. Η ακρίβεια της ταξινόμησης των ορυζώνων είναι σαφώς μεγαλύτερη όταν γίνεται με βάση την εικόνα του ΙΚΟΝΟS(92% αντί 65% της Landsat εικόνας), ενώ με την ΙΚΟΝΟS προσφέρεται η δυνατότητα απεικόνισης και ταξινόμησης χαρακτηριστικών κάλυψης γης με διαστάσεις μικρότερες από 30 Χ 30m. Παρόλα αυτά, ούτε η εικόνα του ΙΚΟΝΟS κατάφερε να ταξινομήσει σωστά τις μικρές λίμνες που βρίσκονται στην περιοχή και αποτελούν σημαντικούς βιότοπους αναπαραγωγής των κουνουπιών. Όσον αφορά την εκτίμηση του κόστους αντιμετώπισης των πληθυσμών των κουνουπιών, όπου απαιτούνται μόνο πρόχειρες εκτιμήσεις του σημείου όπου «φωλιάζουν» οι πληθυσμοί αυτοί, η εικόνα Landsat κρίνεται επαρκής. Ως τελικό συμπέρασμα προκύπτει ότι οι δύο τύποι εικόνων μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα για τον σχεδιασμό και προγραμματισμό ενός συστήματος αντιμετώπισης της ελονοσίας, όμως πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα η σημασία των εικόνων υψηλής ανάλυσης, όπως αυτών του IKONOS, για τον προσδιορισμό των σημείων όπου φωλιάζουν τα κουνούπια- φορείς των ασθενειών τέτοιου τύπου σε μια αντίστοιχη με αυτή μελέτη.
