Διαχρονική χαρτογράφηση χρήσης/κάλυψης γης της περιοχής Ναυπλίου Αργολίδας με χρήση πολυφασματικών δορυφορικών δεδομένων

[http://www.google.gr/url?sa=t&rct=j&q=%CE%B4%CE%B9%CE%B1%CF%87%CF%81%CE%BF%CE%BD%CE%B9%CE%BA%CE%AE%20%CF%87%CE%B1%CF%81%CF%84%CE%BF%CE%B3%CF%81%CE%AC%CF%86%CE%B7%CF%83%CE%B7%20%CE%BD%CE%B1%CF%85%CF%80%CE%BB%CE%AF%CE%BF%CF%85&source=web&cd=1&ved=0CCEQFjAA&url=http%3A%2F%2Fdspace.aua.gr%2Fxmlui%2Fbitstream%2Fhandle%2F10329%2F189%2FGiannopoulos_D.pdf%3Fsequence%3D3&ei=PgtUT9LUGtDzsgaSscCfDw&usg=AFQjCNHhxe7ef4Dqf8g3XzbF9H5fEpyjRQ&sig2=lHc3tJooBlQU_ArV6G7Yxg&cad=rja Πηγή]

'''Αντικείμενο Εφαρμογής''' 

Η παρούσα μελέτη αφορά στη διαχρονική χαρτογράφηση χρήσης/κάλυψης γης της περιοχής Ναυπλίου Αργολίδας με χρήση πολυφασματικών δορυφορικών δεδομένων.
Στόχος της Εφαρμογής
Στόχος της εφαρμογής είναι να καταγραφούν οι αλλαγές στην εν λόγω περιοχή όσον αφορά στην κάλυψη/χρήση Γης  με το χρόνο προκειμένου να συνταχθεί στη συνέχεια ένας ολοκληρωμένος χάρτης αλλαγών χρήσεων/κάλυψης γης της περιοχής του Ναυπλίου Αργολίδας από το 2003 έως το 2009 και έπειτα να καταρτιστεί βήμα προς βήμα μια μεθοδολογία η οποία θα είναι δυνατό να εφαρμοστεί και σε άλλες περιοχές και χρονικές στιγμές και να εξαχθούν αποτελέσματα με αποδεκτή ακρίβεια.

'''Μεθοδολογία παρούσας μελέτης'''

''Επιλογή εικόνων από γεωβάσεις-κριτήρια''

Για τη μελέτη της περιοχής του Ναυπλίου χρησιμοποιήθηκαν δύο χρονολογικά διαφορετικές δορυφορικές εικόνες τύπου LANDSAT TM+ , με ημερομηνίες λήψης 10 Σεπτεμβρίου 2003 και 23 Ιουλίου 2009. Οι 2 εικόνες επιλέχθηκαν με τα εξής κριτήρια:
*Χρονική διαφορά τουλάχιστον 5 ετών
*Διάταξη λήψης εικόνων ίδιας ή όμοιας τεχνολογίας και με τον ίδιο αριθμό φασματικών καναλιών.
*Συνάφεια εποχών λήψης ώστε να υπάρχει ταύτιση στην εποχική βλάστηση και στις εποχικές καλλιεργητικές εργασίες.
Στη συνέχεια αναλύθηκαν οι 2 δορυφορικές εικόνες της περιοχής μελέτης και συντάχθηκε ο χάρτης αλλαγών χρήσεων/ κάλυψης γης. Έπειτα έγινε επιτόπια παρατήρηση προκειμένου να ταυτοποιηθεί το είδος χρήσης γης σε συνάρτηση με το φάσμα εκπομπής της. Με τη βοήθεια του λογισμικού ENVI έγινε επεξεργασία με προσθήκη φίλτρων στις δορυφορικές εικόνες ώστε να ελαχιστοποιηθούν τυχόν σφάλματα από ατμοσφαιρικές επιδράσεις κατά τη λήψη των δορυφορικών εικόνων. Προκειμένου να επαληθευθεί η ορθότητα του μοντέλου, επιλέχθηκαν τυχαία σημεία από την πιο πρόσφατη δορυφορική εικόνα και επαληθεύτηκαν με επιτόπια φωτογράφηση. Τέλος συντάχθηκε ολοκληρωμένος χάρτης αλλαγών χρήσεων/κάλυψης γης της περιοχής του Ναυπλίου Αργολίδας από το 2003 ως και το 2009. 

''Γεωμετρική επεξεργασία δορυφορικών εικόνων LANDSAT TM+''

Για τις ανάγκες επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων στη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκα τα 4 πρώτα κανάλια του LANDSAT TM+. Οι εικόνες διορθώθηκαν γεωμετρικά προκειμένου να ξεπεραστεί το σφάλμα που αποδίδει ο αισθητήρας LANDSAT TM 4,5 και η γωνία περιστροφής της γης. Έπειτα, οι εικόνες αυτές γεωαναφέρθηκαν με ακρίβεια 30 μέτρων προκειμένου να έχουν πλήρη ταύτιση με την πραγματική επιφάνεια της γης. Στη συνέχεια η ευκρίνεια των εικόνων βελτιώθηκε με φίλτρα cross track του λογισμικού ENVI 4.5 ITT αφαιρώντας έτσι τη λαμπρότητα των αντανακλάσεων του ήλιου από τις γυαλιστερές επιφάνειες των κτισμάτων της περιοχής. Τέλος ένα τελευταίο στάδιο των ψηφιακών επεξεργασιών ήταν η κοπή των εικόνων στην περιοχή ενδιαφέροντος. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκαν τελικά 2 νέα ξεχωριστά αρχεία εικόνων LANDSAT TM+ έτοιμα για περαιτέρω στατιστική επεξεργασία.

''Στατιστική επεξεργασία (classification)''

Στην παρούσα μελέτη ακολουθήθηκε η μεθοδολογία Corine Land Cover 200 (CLC2000). Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Visual με τη βοήθεια υπολογιστικής οπτικής ερμηνείας (CAPI) για την ανίχνευση μεταβολών κάλυψης του εδάφους. Με την εφαρμογή του CLC 2000 αναλύθηκαν οι αλλαγές χρήσης/κάλυψης γης και δημιουργήθηκαν σε πρώτο στάδιο ένας ποιοτικός χάρτης αναπαράστασης αλλαγών γης και σε δεύτερο στάδιο στατιστικός- ποσοτικός πίνακας καταγραφής των αλλαγών.

''Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρήσεων γης στην περιοχή Ναυπλίου''[[ Εικόνα: sg_3_1.gif  | thumb | right | Εικ.1: Ψευδέγχρωμη εικόνα κλάσεων ISODATA Αλγόριθμου, Ιούλιος 2009 ]]
[[ Εικόνα: sg_3_2.gif  | thumb | right | Εικ.2: Ψευδέγχρωμη εικόνα κλάσεων ISODATA Αλγόριθμου, Σεπτέμβριος 2003 ]]

Για την μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση , χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος ομαδοποίησης ISODATA. Εισήχθησαν διαδοχικά οι 2 διαχρονικές εικόνες για την εφαρμογή του αλγορίθμου, ορίστηκε από το χρήστη μέγιστος αριθμός κατηγοριών ίσος με 5 και παρήχθησαν οι 2 ψευδέγχρωμες εικόνες με τις διαφορετικές κλάσεις που υπολόγισε ο αλγόριθμος για κάθε πραγματική εικόνα. ( Εικόνες 1 ,2 )


[[ Εικόνα: sg_3_3.gif  | thumb | right | Πίνακας 1: Σεπτέμβριος 2003 ]]
Από τις εικόνες είναι εμφανής ο διαχωρισμός σε κλάσεις των 7 χρήσεων γης, με διαφορετικά χρώματα καθώς επίσης και οι διαφορές που υπάρχουν μεταξύ των δύο διαδοχικών εικόνων του Σεπτεμβρίου και του Ιουλίου ανά κλάση. Πέραν από τον οπτικό χάρτη, εξήχθησαν και οι παρακάτω πίνακες εμφάνισης των 7 κλάσεων σε κάθε μια εικόνα, μετά την εφαρμογή του αλγόριθμου ISODATA – οι κλάσεις επιλέχθηκαν από τον αλγόριθμο αυτόματα.
[[ Εικόνα: sg_3_4.gif  | thumb | right | Πίνακας 2: Ιούλιος 2009 ]]

[[ Εικόνα: sg_3_5.jpg  | thumb | right | Εικ.3: Σύνθετος Χάρτης Αλλαγών 4 χρήσεων ISODATA αλγόριθμου στο λογισμικό ENVI- Μπλε: περιοχή αλλαγών κόκκινο: περιοχή χωρίς αλλαγές ]]

Μετά από τα αποτελέσματα ταξινόμησης, για κάθε μήνα, με τη βοήθεια του λογισμικού και πάλι, αναπαραστάθηκαν σε ψευδέγχρωμους χάρτες οι αλλαγές χρήσεων γης, συγκριτικά για τις δύο χρονικές περιόδους. Τα αποτελέσματα εμφανίζονται παρακάτω, σε μεγάλο χάρτη αλλαγών χρήσης γης, για όλες τις αλλαγές.(εικόνα 3) Η ταξινόμηση αυτή σκοπό έχει να καταδείξει ότι όντως στη συγκεκριμένη περιοχή και στις ημερομηνίες προς σύγκριση που επιλέχθηκαν υπάρχει αλλαγή χρήσης γης. Επετεύχθη δηλαδή αναπαράσταση των κλάσεων χωρίς όμως να γίνει σαφές το είδος της χρήσης γης.



''Επιβλεπόμενη ταξινόμηση χρήσεων γης στην περιοχή Ναυπλίου''

Για τον ορισμό των κλάσεων ακολουθήθηκε η μεθοδολογία CLC2000 και κατόπιν πραγματοποιήθηκε επίσκεψη στη μελετώμενη περιοχή. Οι κλάσεις που ορίστηκαν σύμφωνα με αυτή τη μεθοδολογία φαίνονται παρακάτω. 
Αφού έγινε εισαγωγή των σημείων ενδιαφέροντος στο ENVI ITTS 4.5 επιλέχθηκε και εφαρμόστηκε η μέθοδος με τους αλγόριθμους Maximum Likelihood. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της εποπτευόμενης ταξινόμησης φαίνονται στις επόμενες εικόνες.(εικόνες 4-8)

[[ Εικόνα: sg_3_6.jpg  | thumb | left| Εικ.4: Αποτελέσματα εποπτευόμενης ταξινόμησης_Σεπτέμβριος 2003 ]]

[[ Εικόνα: sg_3_7.jpg  | thumb | right | Εικ.5: Αποτελέσματα εποπτευόμενης ταξινόμησης_Ιούλιος 2009 ]]

[[ Εικόνα: sg_3_8.jpg  | thumb | right | Εικ.6: Αντιπαραβολική προβολή Landsat TMs ]]



'''Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων'''

''Αξιολόγηση των μεθόδων''

Η κύρια μέθοδος της κατηγοριοποίησης χρήσεων γης με βάση εικόνες αισθητήρα LANDSAT TM και εφαρμογή λογαρίθμου επιβλεπόμενης ταξινόμησης “ Maximum Likelihood” εμφανίζεται να απέδωσε αρκετά καλά με εικόνες 30x30 εικονοστοιχείων αυτού του τύπου. Από τις 6 κλάσεις που ορίστηκαν, και στις δύο εικόνες που εφαρμόστηκε ο λογάριθμος, το ποσοστό που δεν κατάφερε να ταξινομηθεί ήταν αρκετά μικρό.  Στην εικόνα του 2003, το ποσοστό που δεν ταξινομήθηκε είναι της τάξης του 10,31% και αφορά σε pixels  που είτε ανήκαν σε άλλη κλάση είτε δεν ανιχνεύτηκαν ενώ από τα στατιστικά αποτελέσματα του αλγόριθμου η τιμή overall accuracy υπολογίστηκε στο 89,97%. Για το 2009,  η ακρίβεια ταξινόμησης εμφανίζεται βελτιωμένη. 
Αν στον ποιοτικό χάρτη ISODATA θεωρηθούν με μπλε χρώμα τα στίγματα στα σημεία που παρατηρήθηκαν αλλαγές χρήσεων γης, συμπεραίνεται μια ομοιότητα των σημείων αυτών με τα σημεία διαφορετικών κλάσεων ανάμεσα στις 2 εικόνες, διαχρονικών αλλαγών Maximum Likelihood. Αντίστοιχα, αν θεωρήσουμε με κόκκινο χρώμα τα στίγματα στα σημεία που δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές χρήσεων γης, πάλι ο χάρτης ISODATA ακολουθεί τις 2 εικόνες αλλαγών χρήσεων γης Maximum Likelihood. 

[[ Εικόνα: sg_3_9.jpg  | thumb | right | Εικ.7: Χάρτης ποιοτικών αλλαγών χρήσεων γης ]]

[[ Εικόνα: sg_3_10.jpg  | thumb | right | Εικ.8: Χάρτης ταξινόμησης χρήσεων γης δεύτερης μεθόδου ]]
Η ποιοτική σύγκριση των δύο μεθόδων επικυρώνει την επιτυχία και την ορθότητα των αποτελεσμάτων.

''Σημαντικά αποτελέσματα σχετικά με την περιοχή μελέτης''

Μέσα από τη μελέτη όλων των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι το Ναύπλιο έχει αξιόλογο ποσοστό καλλιεργήσιμων εκτάσεων και ότι οι κάτοικοι διαχρονικά όχι μόνο δεν εγκατέλειψαν τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις αλλά τις αύξησαν ελάχιστα. Η κατασκευαστική δραστηριότητα αυξήθηκε αλλά όχι με ρυθμούς έντονης πολεοδομικής ανάπτυξης. Από το χάρτη των κλάσεων είναι φανερή μια έντονη ανάπτυξη των τεχνητών επιφανειών κοντά στη θάλασσα. Από οικολογικής πλευράς τέλος, η διαχρονική μελέτη των κλάσεων έδειξε ότι τα δάση αυξήθηκαν, είτε από τη μείωση των γυμνών εδαφών, είτε από τη φυσική εξέλιξη ενός τμήματος από θαμνώνες σε δάσος. Οι διαχρονικές δηλαδή αλλαγές ήταν ήπιες και ομαλές μεταξύ των 6 χρόνων που μεσολάβησαν από τη λήψη των δύο δορυφορικών εικόνων.