Orthophoto generation using IKONOS imagery and high-resolution DEM: a case study on volcanic hazard monitoring of Nisyros Island (Greece)

Στο άρθρο αυτό περιγράφεται η δημιουργία ορθοφωτογραφιών και ψηφιακού μοντέλου υψομέτρων (DEM) για την ηφαιστειακή νήσο Νίσυρο από δορυφορικές λήψεις “Geo Image” του δορυφόρου IKONOS. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω της ορθοαναγωγής δορυφορικών λήψεων που είχαν προηγουμένως ενισχυθεί  χωρικά  (τελική ανάλυση προϊόντος 1m) με την παρεμβολή πληροφορίας του παγχρωματικού καναλιού στα μικρότερης χωρικής ανάλυσης κανάλια του δορυφόρου. Το ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων (DEM) που προέκυψε είχε μέγεθος κελιού 2m και μέσο τετραγωνικό σφάλμα 3,5m ενώ χρησιμοποιήθηκαν 38 σημεία ελέγχου στο έδαφος (GCPs). Εφαρμόστηκαν 2 μέθοδοι μετασχηματισμού για την αντιστοίχιση συντεταγμένων στα εικονοστοιχεία της εικόνας των οποίων ακρίβεια εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας τα GCPs σαν σημεία ελέγχου. Η ορθοφωτογραφία και το ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων λειτούργησαν σαν βάση για περαιτέρω χαρτογραφήσεις και οπτικοποιήσεις, στα πλαίσια του έργου της ευρωπαϊκής ένωσης GEOWARN για παρακολούθηση, ενημέρωση και σχεδιασμό έκτακτης ανάγκης για περιοχές με ενεργή ηφαιστειότητα.

Στις εισαγωγικές παραγράφους γίνεται αναφορά στην ηφαιστειότητα της Νισύρου στα πλαίσια του Ελληνικού Ηφαιστειακού Νησιωτικού Τόξου καθώς και στους κινδύνους που τα ενεργά ηφαίστεια ενέχουν για τους κατοίκους της ευρύτερης περιοχής τους. Έτσι παρουσιάζονται τα πλαίσια μέσα στα οποία προέκυψε η διεπιστημονική συνεργασία του ευρωπαϊκού έργου GEOWARN. Για τις ανάγκες του συγκεκριμένου έργου χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δορυφορικών λήψεων, μετρήσεις βάσεων με GPS, Διαφορικής συμβολομετρίας Radar, σεισμικής δραστηριότητας, μέτρησης αερίων ηφαιστειογενούς προέλευσης και μέτρησης υδροθερμικών χαρακτηριστικών του νερού. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα περιλαμβάνουν εικόνες από τον δορυφόρο IKONOS, θερμικές εικόνες του LANDSAT 7 TM και ETM+, εικόνες του δορυφόρου ASTER και διαφορικής συμβολομετρίας RADAR από τον ERS για μελέτη παραμορφώσεων.

Ένας από τους βασικούς σκοπούς του προγράμματος είναι η αναβάθμιση του 1:5000 τοπογραφικού χάρτη ο οποίος δημιουργήθηκε το 1982-83 χωρίς ιδιαίτερο χαρτογραφικό επανασχεδιασμό από τις αρχικές αεροφωτογραφίες. Ο νέος χάρτης δημιουργήθηκε με κλίμακα 1:10.000 και περιλαμβάνει ενημερωμένα τοπογραφικά χαρακτηριστικά (δρόμους, κτίρια και χρήσεις γης με υποκατηγορίες για καθένα από αυτά). Η μέθοδος της ορθοαναγωγής γεωαναφερμένων δορυφορικών φωτογραφιών δίνει δυνατότητες τόσο στην ενημέρωση τοπογραφικών χαρτών, όσο και στην χαρτογράφηση ακριβείας, ειδικά όταν πρόκειται για εικόνα με διακριτική ικανότητα 1 μέτρου.

Οι εικόνες του δορυφόρου IKONOS έχουν 1m χωρική ανάλυση στο παγχρωματικό κανάλι και 4m στα κανάλια Μπλε, Πράσινο Κόκκινο και Υπέρυθρο, ενώ δίνεται η δυνατότητα να βελτιωθεί η ανάλυση των τριών ζητούμενων καναλιών με παρεμβολή της πληροφορίας του παγχρωματικού καναλιού. Πρόκειται για δεδομένα ραδιομετρικής ανάλυσης 11-bit (αν και στην πραγματικότητα το εύρος είναι αρκετά μικρότερο). Ο συγκεκριμένος δορυφόρος δίνει την δυνατότητα λήψεων σε οποιαδήποτε γωνία – συνήθως μικρότερη των 45ᵒ από την κατακόρυφο. Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν για αυτή την εφαρμογή ανήκουν στην κατηγορία Geo και είναι τα φθηνότερα προϊόντα του δορυφόρου αυτού και προκύπτουν από μετασχηματισμό της λήψης σε μία χαρτογραφική προβολή με ορισμένο ελλειψοειδές αναφοράς με την χρήση δικυβικής παρεμβολής. Η έκταση που καλύπτει η κάθε λήψη αντιστοιχεί σε μία έκταση 9.5x9.7km περίπου.

Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της πρώτης λήψης είναι ότι ο δορυφόρος βρέθηκε μεταξύ γης και ήλιου με αποτέλεσμα οι σκιές να συμπίπτουν σχεδόν με τις περιοχές που δεν μπορεί να δείξει η λήψη. Ακόμη αναφέρεται ότι η λήψη αυτή είχε μία νεφοκάλυψη της τάξης του 10% και αρκετά καλές ατμοσφαιρικές συνθήκες συνολικά. Στην εικόνα εφαρμόστηκε ένα φίλτρο επανάκτησης (Modulation Transfer Function Compensation). Αναφέρεται ακόμη ότι το νησί χαρακτηρίζεται από μια Καλντέρα υψομέτρου 200-300m, μέγιστο υψόμετρο 700m, λιγοστούς οικισμούς και ασφάλτινους δρόμους και σχετικά αραιή βλάστηση από θάμνους και δέντρα.

Τα κανάλια που χρησιμοποιήθηκαν (Πράσινο, Κόκκινο και Εγγύς Υπέρυθρο) υπέστησαν γραμμική μείωση της ραδιομετρικής τους ανάλυσης σε 8-bit (0-255) εν όψει της περαιτέρω επεξεργασίας τους. Αναφέρονται ποσοστά 30, 40 και 60% για τα αξιοποιήσιμα εύρη των καναλιών ενώ το εγγύς υπέρυθρο κανάλι αναφέρεται σαν αυτό με την περισσότερη πληροφορία.
Οι συντεταγμένες των σημείων ελέγχου στο έδαφος προσδιορίστηκαν με μετρήσεις βάσεων GPS με σημείο αναφοράς το κολωνάκι του γεωδαιτικού δικτύου πρώτης τάξης που βρίσκεται στην Κω. Η ακρίβεια που προέκυψε για τα μετρημένα σημεία είναι της τάξης των 1-3mm για την οριζοντιογραφία και 2-5mm για το υψόμετρο. Με την βοήθεια του λογισμικού ERDAS  προσδιορίστηκαν οι συντεταγμένες των GCPs στο έδαφος με μέση ακρίβεια 1 pixel.

Για τις ανάγκες του ψηφιακού μοντέλου υψομέτρων (DEM) συλλέχθηκαν δεδομένα από τις ισοϋψείς καμπύλες του τοπογραφικού χάρτη, τα τριγωνομετρικά σημεία του νησιού, το υδρογραφικό δίκτυο κλπ. Τα στοιχεία αυτά εισήχθηκαν στο λογισμικό ArcInfo / ArcView μετά από σάρωση με διακριτική ικανότητα 254 dpi και γεωαναφορά στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς (ΕΓΣΑ87). Στην διαδικασία της γεωαναφοράς αναφέρεται μέσο τετραγωνικό σφάλμα 0.6m. Με την παρεμβολή ορισμένων ακόμη υψομετρικών σημείων, κάποιες διορθώσεις στην κατεύθυνση του υδρογραφικού δικτύου και την εμφάνιση ενός επιπέδου μηδενικού υψομέτρου στην θάλασσα ολοκληρώθηκαν οι προετοιμασίες για την δημιουργία του DEM το οποίο προέκυψε  να απέχει μεταξύ 0.2 και 1m από τις τιμές των ισοϋψών του τοπογραφικού χάρτη.

Στην διαδικασία της ορθοαναγωγής χρησιμοποιήθηκαν 2 μέθοδοι: μία με πολυωνυμικές εξισώσεις 14 αγνώστων για να περιγραφούν τα άγνωστα στοιχεία του εσωτερικού προσανατολισμού των λήψεων και μία με αφινικό μετασχηματισμό (9 άγνωστες παράμετροι) συνδυασμένο με διόρθωση αναγλύφου. Και στις δύο περιπτώσεις, εκκινώντας από το DEM, χρησιμοποιήθηκαν οι κόμβοι σαν σταθερά σημεία για την διγραμμική παρεμβολή όλων των ενδιάμεσων σημείων. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε για κάθε κανάλι χωριστά. Στο κάθε κανάλι εφαρμόστηκε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης για την ελάττωση του θορύβου, ενώ μετά από ανάλυση προσδιορίστηκαν καλύτερες ραδιομετρικές βελτιώσεις για τα κανάλια της εικόνας.

Με μέτρο εκτίμησης τα GCPs προσδιορίστηκε η ακρίβεια της κάθε προσέγγισης, και προέκυψε με σημαντική διαφορά ακριβέστερη και οικονομικότερη η προσέγγιση του αφινικού μετασχηματισμού με διόρθωση αναγλύφου.

Στις επόμενες προσπάθειες της ερευνητικής ομάδας αναφέρεται η δημιουργία ψηφιακού μοντέλου επιφανείας (DSM) με ενθαρρυντικά αρχικά αποτελέσματα. Στις δυνατότητες της ορθοφωτογραφίας αναφέρεται  η χρήση της σαν χαρτογραφικό υπόβαθρο στην μελέτη μικρομετακινήσεων, καθώς και για την μελέτη γεωθερμικών, γεωχημικών και άλλων μετρήσεων σε χαρτογραφικό περιβάλλον. Τέλος στις δυνατότητες αξιοποίησης ορθοφωτο-χαρτών προστίθενται στα προαναφερθέντα απεικονίσεις τοπογραφικών, τεκτονικών, γεωλογικών και γεωμορφολογικών στοιχείων καθώς και στοιχείων χρήσεων γης. 

[S. Vassilopoulou, L. Hurni, V. Dietrich, E. Baltsavias, M. Pateraki, E. Lagios, I. Parcharidis, Orthophoto generation using IKONOS imagery and high-resolution DEM: a case study on volcanic hazard monitoring of Nisyros Island (Greece), ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 57 (2002) 24– 38]