Σχεδιασμός και διαχείριση αστικών περιοχών με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης: Η χρήση μεθόδου WCIS στη Στοκχόλμη

''' Σχεδιασμός και διαχείριση αστικών περιοχών με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης: Η χρήση μεθόδου κατάτμησης αστικού περιβάλλοντος για την εξαγωγή αστικών χαρακτηριστικών στη Στοκχόλμη '''

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' '' Remote sensing for urban planning and management: The use of window-independent context segmentation to extract urban features in Stockholm ''

'''Συγγραφέας: '''  Michael Meinild Nielsen 

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Computers, Environment and Urban Systems, Volume 52, July 2015, Pages 1-9''

'''ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: ''' Τηλεπισκόπηση σε αστικές περιοχές, Κατάτμηση, Χωρική ανάλυση, Σχεδιασμός και διαχείριση αστικών περιοχών, Εξαγωγή χαρακτηριστικών

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_1.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Διαδικασία κατάτμησης WICS  ''']]

'''Αντικείμενο'''

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι να παρουσιάσει μια καινοτόμα μέθοδο καταγραφής των διαφορετικών χρήσεων γης στο αστικό περιβάλλον. Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε ένα θεωρητικό πλαίσιο και αποκαλείται ως “window-independent” κατάτμηση του αστικού περιβάλλοντος(WICS). Αποτελεί ουσιαστικά μια τεχνική που έχει ως υπόβαθρο όλα τα διαθέσιμα εικονοστοιχεία και στοχεύει στην ταξινόμηση των δορυφορικών εικόνων. Ο σχεδιασμός και η διαχείριση του δομημένου περιβάλλοντος σχετίζεται άμεσα με την ολοκληρωμένη καταγραφή και παρακολούθηση των διαφορετικών χρήσεων γης, όπως είναι η κατοικία, οι βιομηχανίες και οι εμπορικές δραστηριότητες. Εξ’ αιτίας των ελλιπών αποτελεσμάτων που αποδίδουν οι ανά εικονοστοιχείο τεχνικές ταξινόμησης, τις περισσότερες φορές προτιμάται η οπτική φωτοερμηνεία των δεδομένων τηλεπισκόπησης.  

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_2.jpg  | thumb| right|Eικόνα 2:'''Περιοχή μελέτης της Στοκχόλμης, Σουηδία, και ο Δήμος Στοκχόλμης από απεικόνιση SPOT 5    ''']]

'''Εισαγωγή'''

Η ραγδαία αστικοποίηση των τελευταίων ετών έχει δημιουργήσει την ανάγκη για ανάπτυξη ολοκληρωμένων εργαλείων που να συμμετέχουν στο σχεδιασμό και στη λήψη αποφάσεων για τη διαχείριση των μεγάλων αστικών κέντρων. Η γεωγραφική ανάλυση των αστικών περιοχών με τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης συμβάλλουν στην καταγραφή των τάσεων που δημιουργούν οι μεταβολές των χρήσεων/καλύψεων γης. Παρ’ όλα αυτά ακόμη και με τη μεγάλη εξέλιξη των τεχνολογικών μέσων που έχει πραγματοποιηθεί έως σήμερα, εντοπίζεται απόκλιση μεταξύ των μελετών που βρίσκονται σε εξέλιξη και της πρακτικής εφαρμογής των δεδομένων προκαλώντας ζητήματα ακρίβειας στις διαδικασίες των φορέων αστικού σχεδιασμού και λήψης αποφάσεων. Στην κατεύθυνση αυτή έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες ελάττωσης της σχετικής απόκλισης με διάφορα μέσα. Μια τέτοια προσπάθεια αποτελεί και η παρούσα μελέτη που προάγει μια συγκεκριμένη μέθοδο κατάτμησης ως εργαλείο εξαγωγής πληροφοριών από δορυφορικές εικόνες. Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες οι τεχνικές τηλεπισκόπησης αστικού περιβάλλοντος διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: την τοπική και τη στρατηγική. Η τοπική κλίμακα ασχολείται με τη μεμονωμένη αναγνώριση αντικειμένων(π. χ. διάκριση κτιρίων) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αντικειμενοστρεφούς ανάλυσης εικόνας(OBIA). Από την άλλη η στρατηγική κλίμακα αναφέρεται κυρίως στο σχεδιασμό και παρακολούθηση των διαφόρων τύπων χρήσεων γης καταγράφοντάς τες ως ζώνες. 

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_3.jpg  | thumb| right|Eικόνα 3:'''Ψηφιοποιημένα δεδομένα του δομημένου περιβάλλοντος σε υπόβαθρο αεροφωτογραφίας    ''']]

'''Δεδομένα και μεθοδολογία'''

''Περιοχή μελέτης''

Η Στοκχόλμη επιλέχθηκε, καθώς διαθέτει ένα βασικό και επισήμως εγκεκριμένο σχέδιο ταξινόμησης των διαφορετικών κατηγοριών που βασίζεται στην ιστορία, στις αρχιτεκτονικές μεθόδους, στις θεωρίες και πρακτικές σχεδιασμού και στην εν γένει λειτουργία της πόλης. Τα δεδομένα αυτά που είναι διαθέσιμα εκ μέρους της κεντρικής διοίκησης από το 1997 αποτελούν μια ολοκληρωμένη απογραφή στοιχείων τα οποία αποδίδονται και χαρτογραφικά. Το 1999 στην προσπάθεια μια ανανεωμένης ερμηνείας των δεδομένων πραγματοποιήθηκε η διάκριση διαφορετικών περιοχών της πόλης με βάση τις κοινωνικές, τεχνολογικές και οικονομικές συνθήκες. Αυτό το σπάνιο υλικό σχεδιασμού και διαχείρισης των πόλεων  είναι ένα βασικό θεμέλιο ταξινόμησης και χαρτογράφησης της περιοχής μελέτης. 

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_4.jpg  | thumb| right|Eικόνα 4:'''Παράδειγμα χαρακτηριστικών δομημένου περιβάλλοντος σύμφωνα με μελέτη του 1997   ''']]

''Συλλογή δεδομένων και προετοιμασία''

Στην παρούσα μελέτη, ως πρώτο βήμα της διαδικασίας πραγματοποιήθηκε μια αντιστοίχηση των διαφόρων περιοχών εντός της πόλης με τις χρήσεις γης που κυριαρχούν στην εκάστοτε ζώνη. Η καταγραφή έδειξε ως κυρίαρχες ζώνες το κέντρο της πόλης, τις μονοκατοικίες, τις βιομηχανικές δραστηριότητες και τις πυκνές οικιστικές δομές σε μορφή μπλοκ. Για την ανάλυση των περιοχών χρησιμοποιήθηκε δορυφορική λήψη SPOT για την ημερομηνία 04/06/2008. Η εξαγωγή πληροφοριών έγινε, ύστερα από την επεξεργασία της αρχικής απεικόνισης και την παραγωγή ορθοφωτογραφιών. Οι πληροφορίες υψομετρικής κλιμάκωσης ανακτήθηκαν από το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους. Στη μεθοδολογία που εφαρμόστηκε τα δεδομένα εισαγωγής που αποδίδονται αρχικά μέσω της δορυφορικής απεικόνισης, συρρικνώθηκαν κατάλληλα και ενσωματώθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες. Η μετατροπή επετεύχθη με τη συμβολή των τεσσάρων φασματικών καναλιών του δορυφόρου και συγκεκριμένα κάθε εικονοστοιχείο τακτοποιήθηκε στην κοντινότερη σε αυτό τάξη. Το αποτέλεσμα της συρρίκνωσης του συνόλου των δεδομένων και η ομαδοποίηση των εικονοστοιχείων σε ομαδοποιημένες τάξεις με την τεχνική του εγγύτερου γείτονα οδήγησε εν τέλει στην ταξινόμηση της περιοχής σε 20 διαφορετικές κατηγορίες.

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_5.jpg  | thumb| right|Eικόνα 5:'''Υποσύνολο απεικόνισης του δορυφόρου SPOT 5(αριστερά), ανά-εικονοστοιχείο ταξινόμηση(δεξιά)   ''']] 

'''Αποτελέσματα'''

Στη συνέχεια της διαδικασίας πραγματοποιήθηκε έλεγχος των φασματικών υπογραφών για τις 20 διαφορετικές κατηγορίες που προέκυψαν. Βασικό κριτήριο για την επιλογή ή απόρριψη κατηγοριών είναι να μην υπάρχει επικάλυψη των φασματικών υπογραφών η οποία να αλλοιώνει τα αποτελέσματα της ταξινόμησης. Ύστερα από την ολοκλήρωση της ταξινόμησης οι κατηγορίες που διατηρήθηκαν και θα συμμετέχουν στην παραγωγή του τελικού αποτελέσματος είναι οι εξής: κέντρο της πόλης(Α, μαύρο χρώμα), βιομηχανία(Β, κόκκινο χρώμα), μονοκατοικίες(C, κίτρινο χρώμα), μονοκατοικίες με αραιή δόμηση(D, κίτρινο χρώμα), πυκνές οικιστικές δομές σε μορφή μπλοκ(Ε, μπλε και καφέ χρώμα). Έπειτα, δημιουργήθηκε ένας χάρτης ακρίβειας, ώστε να αποδοθούν οι αναλογίες με τις οποίες κάθε κατηγορία χρήσης καλύπτει την περιοχή μελέτης.

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_6.jpg  | thumb| right|Eικόνα 6:'''Αποτελέσματα κατάτμησης WICS   ''']]

'''Συμπεράσματα'''

Συνοψίζοντας τα δεδομένα που παρέχονται από τη συγκεκριμένη μελέτη, το καινοτόμο στοιχείο που εισάγεται είναι μια ανανεωμένη μέθοδος κατάτμησης η οποία συνδυάζει στοιχεία τηλεπισκόπησης και οπτικής φωτοερμηνείας. Το βασικό χαρακτηριστικό που διακρίνει αυτή τη μέθοδο κατάτμησης από τις υπόλοιπες είναι η χρήση των σχετιζόμενων πληροφοριών για ένα αντικείμενο που βασίζονται στις γεωγραφικές αποστάσεις από τον εγγύτερο γείτονα σε διαφορετικές φασματικές τάξεις. Δημιουργήθηκαν ψηφιδωτά αρχεία με σχετιζόμενα χαρακτηριστικά για κάθε εικονοστοιχείο συνυπολογίζοντας τις γεωγραφικές αποστάσεις από τον εγγύτερο γείτονα σε διαφορετικές φασματικές τάξεις. Η μέθοδος WICS διαφέρει από την κλασσική μέθοδο κατάτμησης(ΟΒΙΑ) στα εξής δύο σημεία: 1)δεν απαιτεί πρότερη κατάτμηση(pre-segmentation), 2)για την περιγραφή κάθε εικονοστοιχείου χρησιμοποιεί και στοιχεία από τα δεδομένα που το περικλείουν, ενώ η κλασσική μέθοδος βασίζεται αποκλειστικά στην υφή και τον τόνο του κάθε αντικειμένου. Το κυριότερο πλεονέκτημα που παρέχεται μέσω της χρήσης της μεθόδου WICS είναι ότι μπορούμε να έχουμε συνδυαστικά περιγραφή του χωρικού περιβάλλοντος κάθε εικονοστοιχείου, αλλά και τη δυνατότητα εφαρμογής αλγορίθμων τυπικής ομαδοποίησης για την ταξινόμηση των κατηγοριών με βάση το περιβάλλον που τις περικλείει.
   
[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_7.jpg  | thumb| right|Eικόνα 7:'''Σύγκριση κατάτμησης WICS   ''']]

'''Συμβολή της τηλεπισκόπησης'''

Η τηλεπισκόπηση, όπως φάνηκε από την εργασία, δύναται να αποτελέσει ένα από τα βασικά εργαλεία για την ολοκλήρωση της μεθόδου WICS. Στα αρχικά βήματα της μεθοδολογίας οι τεχνικές τηλεπισκόπησης συμβάλλουν ουσιαστικά στην καταγραφή του συνόλου των κατηγοριών κάλυψης γης, ενώ στη συνέχεια με τις κατάλληλες διαδικασίες ανάλυσης των φασματικών υπογραφών απορρίπτονται όλες οι κατηγορίες που ενδέχεται να προκαλέσουν προβλήματα στη διαδικασία ταξινόμησης. Η μέθοδος WICS, της οποίας αναπόσπαστο κομμάτι είναι η τηλεπισκόπηση, αποτελεί μια από τις πιο καινοτόμες μεθόδους που εφαρμόζονται για τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό και διαχείριση των αστικών κέντρων.

'''Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου:''' [https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S019897151500023X]

 [[category: Έλεγχος εφαρμογής πολεοδομικού σχεδιασμού]]

[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_8.jpg  | thumb| right|Πίνακας 1:'''Έλεγχος ακριβείας: κάλυψη των χαρακτηριστικών δομημένου περιβάλλοντος σε διαφορετικές κατηγορίες WICS  ''']] 
[[Εικόνα:rswiki_p9_ld_9.jpg  | thumb| right|Πίνακας 2:'''Έλεγχος ακριβείας: αναλογία κάλυψης ανά κατηγορία WICS  ''']]