Χρήση της τηλεπισκόπησης και των ΓΣΠ στην καταγραφή των πλημμυρών της ορεινής περιοχής νοτίως της λίμνης Βόλβης

Νικολαΐδου, Μ. (2009). <big>'''  Χρήση της τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών στην καταγραφή των πλημμυρών της ορεινής περιοχής νοτίως της λίμνης Βόλβης'''</big>. Μία περιβαλλοντική προσέγγιση. Διδακτορική διατριβή. Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας Τομέας Φυσικής και Περιβαλλοντικής Γεωγραφίας



<big>''' Σκοπός της εργασίας'''</big>

Ο κύριος σκοπός της εργασίας είναι η αξιολόγηση της συνεισφοράς της τεχνολογίας της Τηλεπισκόπησης (δεδομένων ανιχνευτών ραντάρ συνθετικής (διαμέτρου) κεραίας (SAR), σε συνδυασμό με δεδομένα πολυφασματικών (multispectral) ανιχνευτών) και της τεχνολογίας Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) στην εκτίμηση της τρωτότητας της περιοχής σε πλημμυρικά φαινόμενα και στην ανίχνευση πλημμυρισμένων περιοχών.


<big>''' Διάφοροι θεματικοί χάρτες, δορυφορικές εικόνες, λογισμικά'''</big>

<big>'''•'''</big>Διάφοροι θεματικοί χάρτες

~	Τοπογραφικοί χάρτες κλίμακας 1:50.000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.), φύλλα: ΑΡΝΑΙΑ, ΖΑΓΚΛΙΒΕΡΙ, ΘΕΡΜΗ, ΠΟΛΥΓΥΡΟΣ,ΣΤΑΥΡΟΣ.

~	Γεωλογικοί χάρτες κλίμακας 1:50.000 του Ινστιτούτου Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (Ι.Γ.Μ.Ε.), φύλλα: ΑΡΝΑΙΑ, ΖΑΓΚΛΙΒΕΡΙ,ΘΕΡΜΗ,ΠΟΛΥΓΥΡΟΣ, ΣΤΑΥΡΟΣ.

<big>'''•'''</big>Δορυφορικές εικόνες

~	Εικόνα ΕΤΜ+ του δορυφόρου Landsat – 7 ημερομηνίας λήψης 11/01/2001 με τα εξής χαρακτηριστικά:Path: 183, Row: 032,                Raw_Columns: 6920 (multispectral)/ 13840 (panchromatic), Raw_Rows: 5960 (multispectral)/ 11920 (panchromatic), Raw_Pixel_Size:30(multispectral)/ 15 (panchromatic)

~      Τρεις εικόνες ραντάρ (ASAR) του δορυφόρου ENVISAT του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (European Space Agency/ESA), χωρικής
διακριτικής ικανότητας 28m, μέγεθος εικονοστοιχείου (pixel size) 12,5m και ημερομηνιών λήψης 5/10/2004, 25/10/2005 και 10/10/2006, με τα ακόλουθα στοιχεία λήψης:

A) Mission: Envisat, Sensor: ASAR/IM, Orbit: 13588, Track: 7, Swath: IS2 (γωνία πρόσπτωσης (incidence angle): 19.20 –26.70 ), Start: 2004-10-05 08:42:05.51, Stop: 2004-10-05 08:42:21.51, Latitude: +40:370, Longitude: +23:220, Pass: D, Polarisation: VV., 

Β) Mission: Envisat,Sensor: ASAR/IM, Orbit: 19099, Track: 7, Swath: IS2 (γωνία πρόσπτωσης (incidence angle): 19.20 – 26.70 ), Start: 2005-10-25 08:42:08.39, Stop: 2005-10-25 08:42:24.39, Latitude: +40:370, Longitude: +23:220, Pass: D, Polarisation: VV.

Γ) Mission: Envisat, Sensor: ASAR/IM, Orbit: 24109, Track: 7, Swath: IS2 (γωνία πρόσπτωσης (incidence angle): 19.20 – 26.70 ), Start: 2006-10-10 08:42:03.82, Stop: 2006-10-10 08:42:19.82, Latitude: +40:370, Longitude: +23:220, Pass: D, Polarisation: VV.

<big>'''•'''</big>Λογισμικά

~	Το λογισμικό ArcGIS Desktop, ver 9.1 και συγκεκριμένα το «πακέτο» λογισμικού ArcInfo, το οποίο είναι διαθέσιμο προς τους χρήστες του AFS (Andrew File System), ενός client-server υπολογιστικού συστήματος, το οποίο επιτρέπει την απομακρυσμένη πρόσβαση σε αρχεία και χρήση προγραμμάτων μέσω του συστήματος «πλωτών» αδειών.

Το πρόγραμμα ArcGIS περιλαμβάνει τις παρακάτω εφαρμογές:

α) ArcMap. Αυτή η εφαρμογή καλύπτει όλες τις χαρτογραφικές εργασίες,όπως ψηφιοποίηση και διόρθωση δεδομένων, χαρτογραφία, χωρική ανάλυση, διαχείριση και εκτύπωση χαρτών κ.λ.π.

β) ArcCatalog. Αυτή η εφαρμογή δίνει τη δυνατότητα της δημιουργίας,διαχείρισης, γρήγορης προεπισκόπησης και οργάνωσης των χωρικών δεδομένων και των δεδομένων υπό μορφή πινάκων.

γ) ArcToolbox. Πρόκειται για μια «βιβλιοθήκη» προγραμμάτων και εργαλείων που αφορούν την γεωεπεξεργασία (geoprocessing), τη μετατροπή των δεδομένων σε διάφορες μορφές, τον καθορισμό του προβολικού συστήματος των χαρτών κ.α.

Στο λογισμικό ArcGIS, περιέχονται επίσης οι παρακάτω προεκτάσεις :

α) 3D Analyst. Πρόκειται για ένα πρόγραμμα απεικόνισης και ανάλυσης τρισδιάστατων δεδομένων. Το 3D Analyst προσθέτει μια ειδικευμένη εφαρμογή τρισδιάστατης επισκόπησης (3D viewing application), το Arc Scene, δίνοντας νέες δυνατότητες στοn ArcCatalog και στον ArcMap και επιτρέποντας την αποτελεσματικότερη διαχείριση των τρισδιάστατων δεδομένων (3D GIS data), την τρισδιάστατη ανάλυση (3D analysis) και τη διαχείριση τρισδιάστατων χαρακτηριστικών (3D features editing).

β) Spatial Analyst. Το πρόγραμμα αυτό πραγματοποιεί μια ποικιλία χωρικών πράξεων και υπολογισμών, βασισμένο σε GIS δεδομένα μορφής κανάβου (raster data). Χρησιμοποιείται για την απόσπαση πληροφοριών από προϋπάρχοντα δεδομένα και την εύρεση χωρικών σχέσεων μεταξύ επιπέδων πληροφοριών με βάση την κατανομή βαρών (weighted overlay) και την συνδυασμένη μοντελοποίηση (combinations modeling) (ESRI (a). (b) και (c), 2001).

<big>'''•'''</big>Το λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας ENVI 4.3+IDL 6.3

<big>'''•'''</big>Το λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας ERDAS IMAGINE 8.5

<big>'''•'''</big>Λογισμικά (freeware) της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος  (European Space Agency/ESA), για την επεξεργασία των δεδομένων από τον δορυφόρο ENVISAT: BEAM (Basic ERS & Envisat AATSR and MERIS Toolbox)

<big>'''•'''</big>Το λογισμικό TAS GIS version 2.0.9


<big>''' Προεπεξεργασίες'''</big>

<big>'''•'''</big>Ορθοαναγωγή εικόνας Landsat: Πραγματοποιήθηκε γεωμετρική διόρθωση/ ορθοαναγωγή της πανχρωματικής και της πολυφασματικής εικόνας Landsat με βάση το Ελληνικό Γαιωδετικό Σύστημα Αναφοράς (ΕΓΣΑ’ 87).


<big>''' Ψηφιακές επεξεργασίες'''</big>

Μία σειρά τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας εφαρμόστηκε στις εικόνες για τον εντοπισμό των πλημμυρισμένων περιοχών όπως:

<big>'''•'''</big>Τεχνική κατάτμησης (Segmentation)

<big>'''•'''</big>Ψευδοχρωματική απεικόνιση (Pseudocolor display)

<big>'''•'''</big>Αριθμητικές πράξεις μεταξύ φασματικών τιμών των εικονοστοιχείων (Implementation of mathematical 5 expressions to spectra).


<big>''' Συμβολή των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών στην μελέτη της περιοχής'''</big>
 
<big>'''•'''</big>Ψηφιακό μοντέλου αναγλύφου της ευρύτερης περιοχής μελέτης

<big>'''•'''</big>Χάρτης σκιασμένου αναγλύφου της περιοχής

<big>'''•'''</big>Χάρτης κλίσεων του αναγλύφου

<big>'''•'''</big>Χάρτης προσανατολισμού

<big>'''•'''</big>Χάρτης κάλυψης γης

<big>'''•'''</big>Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας

<big>'''•'''</big>Χάρτης περατότητας λιθολογικών σχηματισμών

<big>'''•'''</big>Χάρτης βλάστησης

Τέλος, τη βοήθεια της τεχνολογίας GIS εντοπίστηκαν οι λεκάνες απορροής, οι οικισμοί και οι χρήσεις γης που παρουσιάζουν τον μεγαλύτερο κίνδυνο πλημμύρας.


<big>''' Σημαντικά αποτελέσματα'''</big>

<big>'''•'''</big>Ψηφιακό μοντέλου αναγλύφου (Digital Elevation Model/ DEM) της ευρύτερης περιοχής μελέτης

Με τη βοήθεια του προγράμματος ArcGIS Desktop έγινε ψηφιοποίηση των ισοϋψών καμπυλών και του υδρογραφικού δικτύου που απαντούν στα φύλλα των τοπογραφικών χαρτών ΖΑΓΚΛΙΒΕΡΙ, ΣΤΑΥΡΟΣ, ΑΡΝΑΙΑ, ΠΟΛΥΓΥΡΟΣ, ΘΕΡΜΗ της Γ.Υ.Σ., κλίμακας 1:50.000. Στη συνέχεια παράχθηκε το ψηφιακό μοντέλο αναγλύφου (DEM) της ευρύτερης περιοχής μελέτης, δηλαδή αναπαράσταση μορφής κανάβου (raster) μιας συνεχούς επιφάνειας με μέγεθος εικονοστοιχείου 20x20m.


[[εικόνα:mar2_1.JPG|center|400px|]]

                           <big>''' Χάρτης 1: '''</big> Ψηφιακό μοντέλο αναγλύφου της ευρύτερης περιοχής μελέτης


<big>'''•'''</big>Χάρτης σκιασμένου αναγλύφου της περιοχής

Ο χάρτης αυτός προέκυψε από το υποπρόγραμμα (extension) Spatial Analyst του λογισμικού ArcGIS με βάση το ψηφιακό μοντέλο αναγλύφου της περιοχής.


[[εικόνα:mar2_2.JPG|center|400px|]]

                              <big>''' Χάρτης 2: '''</big> Χάρτης σκιασμένου αναγλύφου της περιοχής μελέτης


<big>'''•'''</big>Χάρτης κλίσεων του αναγλύφου

Ο χάρτης κλίσεων του αναγλύφου προέκυψε από την επεξεργασία του ψηφιακού μοντέλου αναγλύφου (DEM) με τη βοήθεια του λογισμικού ArcGIS (Spatial Analyst extension), ακολουθώντας την ταξινόμηση της IGU (Demek, 1972). Ο χάρτης κλίσεων χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια στον υπολογισμό του τοπογραφικού δείκτη υγρασίας στην περιοχή μελέτης καθώς επίσης και στην τεχνική κατάτμησης (segmentation) της εικόνας ραντάρ μετά την πλημμύρα, προκειμένου να γίνει εξαίρεση των περιοχών που παρουσιάζουν σκίαση ραντάρ.


[[εικόνα:mar2_3.JPG|center|400px|]]

                                     <big>''' Χάρτης 3: '''</big>Χάρτης κλίσεων περιοχής μελέτης


<big>'''•'''</big>Χάρτης προσανατολισμού

Με τη βοήθεια του υποπρογράμματος Spatial Analyst, του προγράμματος ArcGIS Desktop, έγινε επεξεργασία του ψηφιακού μοντέλου αναγλύφου (DEM) και προέκυψε ο χάρτης προσανατολισμού των κλιτυών. Ο χάρτης αυτός χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια μαζί με τον χάρτη κλίσεων, στην τεχνική κατάτμησης (segmentation) της εικόνας ραντάρ μετά την πλημμύρα, προκειμένου να γίνει εξαίρεση των περιοχών που παρουσιάζουν σκίαση ραντάρ.


[[εικόνα:mar2_4.JPG|center|400px|]]

                            <big>''' Χάρτης 4: '''</big> Χάρτης προσανατολισμού για το κάθε εικονοστοιχείο της περιοχής μελέτης


<big>'''•'''</big>Χάρτης κάλυψης γης

Με βάση τα δεδομένα του προγράμματος CORINE LAND COVER 2000 προέκυψε ο χάρτης κάλυψης γης της περιοχής μελέτης. Από τον χάρτη αυτό διαπιστώθηκε ότι το μεγαλύτερο τμήμα της περιοχής μελέτης αποτελείται από τις παρακάτω χρήσεις γης: μη αρδευόμενες οργώσιμες εκτάσεις, δάση πλατύφυλλων, σκληρόφυλλη βλάστηση, εκτάσεις που κατά κύριο λόγο καλύπτονται από αγροτικές καλλιέργειες, σε συνδυασμό σημαντικές εκτάσεις φυσικής βλάστησης, με ποσοστά 29,62%, 26,77% 17,63% και 13,36% αντίστοιχα.


<big>'''•'''</big>Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας (Topographic wetness index)

Με τη βοήθεια του υποπρογράμματος Spatial Analyst, του προγράμματος Arc GIS Desktop και των χαρτών συσσώρευσης ροής και κλίσεων του αναγλύφου (παράγωγα του DEM) προέκυψε ο τοπογραφικός δείκτης υγρασίας, ο οποίος παρουσιάζει την επίδραση της τοπογραφίας στην κατανομή της υγρασίας στην περιοχή. Από τον χάρτη προέκυψε πως το 24% περίπου της περιοχής μελέτης παρουσιάζει ψηλή τιμή του δείκτη, το 57% μέτρια, ενώ το 19% μικρή.


[[εικόνα:mar2_5.JPG|center|400px|]]

                            <big>''' Χάρτης 5: '''</big> Κατανομή του τοπογραφικού δείκτη υγρασίας στην περιοχή μελέτης.


<big>'''•'''</big>Χάρτης περατότητας λιθολογικών σχηματισμών

Με τη βοήθεια του προγράμματος ArcGIS Desktop έγινε ψηφιοποίηση των γεωλογικών σχηματισμών που απαντούν στα φύλλα των γεωλογικών χαρτών ΖΑΓΚΛΙΒΕΡΙ, ΣΤΑΥΡΟΣ, ΑΡΝΑΙΑ, ΠΟΛΥΓΥΡΟΣ, ΘΕΡΜΗ, κλίμακας 1:50.000. Δόθηκαν τιμές περατότητας στους λιθολογικούς σχηματισμούς και διαιρέθηκαν στις 3 συμβατικές κατηγορίες (διαπερατά, ημιπερατά, αδιαπέρατα). Έτσι, προέκυψε ο χάρτης περατότητας των λιθολογικών σχηματισμών της περιοχής, απ’ όπου υπολογίστηκε πως το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής, περίπου 72% καλύπτεται από αδιαπέρατα πετρώματα, 17% από διαπερατά και 11% από ημιπερατά. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι λεκάνες Μελισσουργού και Απολλωνίας όπου το ποσοστό των αδιαπέρατων σχηματισμών ανέρχεται στο 87% και 76% αντίστοιχα.


[[εικόνα:mar2_6.JPG|center|400px|]]

                             <big>''' Χάρτης 6: '''</big> Χάρτης περατότητας λιθολογικών σχηματισμών περιοχής μελέτης


<big>'''•'''</big>Χάρτης τραχύτητας της κάλυψης γης

Από τον χάρτη κάλυψης γης της περιοχής μελέτης προέκυψε ο χάρτης τραχύτητας της κάλυψης γης έπειτα από αντιστοίχηση των τιμών τραχύτητας της κάθε κατηγορίας κάλυψης γης με τις αντίστοιχες τιμές τραχύτητας, βασισμένες στον συντελεστή Strickler που χρησιμοποιήθηκε στο ερευνητικό πρόγραμμα e- EcoRisk. Οι τιμές Strickler που απαντούν στην περιοχή μελέτης είναι οι εξής : 4, 5, 6, 7, 8, 10, 20 (μεγαλύτερη προς μικρότερη τραχύτητα). Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι στο σύνολο της περιοχής επικρατούν περιοχές με τιμές Strickler 5, 7, και 8 με ποσοστά 30,32%, 33,58% και 29,97% αντίστοιχα.


[[εικόνα:mar2_7.JPG|center|400px|]]

                            <big>''' Χάρτης 7: '''</big> Χάρτης τραχύτητας κάλυψης γης βασισμένη στον συντελεστή Strickler