Monitoring high-mountain terrain deformation from repeated air- and spaceborne optical data: examples using digital aerial imagery and ASTER data

Στο άρθρο αυτό μελετώνται αλλαγές στην μορφολογία του εδάφους υψηλών ορέων και οι δυνατότητες παρακολούθησης και περαιτέρω κατανόησης αυτών μέσω της τηλεπισκόπησης. Στα πλαίσια του άρθρου περιγράφεται η δημιουργία ψηφιακών μοντέλων ανύψωσης (DEM) από αεροφωτογραφίες καθώς και δορυφορικές στερεοσκοπικές λήψεις, όπως αυτές που δίνει το σύστημα ASTER. Αναφέρονται για τον συγκεκριμένο δορυφόρο ακρίβειες της τάξης των 60m μέσου τετραγωνικού σφάλματος (RMS) για ορεινές περιοχές απότομου αναγλύφου και 18m για ορεινές περιοχές ηπιότερου αναγλύφου. Εφαρμόζονται συγκρίσεις ανάμεσα σε διαχρονικά DEM για τον προσδιορισμό των αλλαγών στην υψομετρία του εδάφους. Αναφέρεται σαν εμπειρικός κανόνας ότι η αναμενόμενη ακρίβεια αντιστοιχίζεται στο μέγεθος ενός εικονοστοιχείου (pixel) δηλαδή 15m για τον δορυφόρο ASTER και 0.2-0.3m για τις εν προκειμένω αεροφωτογραφίες.

Αναφέρονται αρχικά μελέτες που συνδέουν τα μελετώμενα φαινόμενα (παγετωνικές μετακινήσεις, παγό-, χιονο- και βραχοστιβάδες, ροή κροκάλων, τήξη παγετώνων) με κινδύνους για τις ανθρώπινες δραστηριότητες ή/και ζωές. Ακολούθως παρουσιάζεται η πρωτοβουλία GLIMS (Global Land Ice Measurements from Space) που έχει ως σκοπό την καταγραφή σε βάση δεδομένων και παρακολούθηση του συνόλου των παγκόσμιων παγετώνων κυρίως μέσω δορυφορικών φωτογραφιών των δορυφόρων LandSat 7 ETM+ και ASTER, καθώς η τηλεπισκόπηση είναι βασικό εργαλείο για την προσέγγιση των υψηλών ορέων με την απομόνωση και την χωρική έκταση που τα διακρίνει. Τα δεδομένα που προκύπτουν από φωτογραμμετρία και τηλεπισκόπηση περιλαμβάνουν γεωμετρία εδάφους, καλύψεις γης και τρισδιάστατες μετακινήσεις εδάφους.

Η ιδιαιτερότητα του συστήματος ASTER (πρόκειται για ένα σύστημα αισθητήρων προσαρμοσμένων επί του δορυφόρου TERRA) είναι η δυνατότητά του για στερεοσκοπική λήψη, με την χρήση δύο ομάδων αισθητήρων (ένα για κατακόρυφη λήψη και ένα για οπίσθια λήψη με γωνία 27,6ᵒ από την κατακόρυφο) υπερπηδώντας έτσι την αδυναμία δημιουργίας στερεομοντέλου σε σύντομο χρονικό διάστημα που αντιμετώπιζαν οι δορυφορικοί δέκτες. Στα φασματικά χαρακτηριστικά του δέκτη αναφέρονται 3 κανάλια στο εγγύς υπέρυθρο με χωρική ανάλυση 15m, 1 κανάλι στην ίδια συχνότητα και χωρική ανάλυση με οπίσθιο προσανατολισμό για την δημιουργία στέρεο-λήψεων, 6 κανάλια στις υπέρυθρες συχνότητες των μικροκυμάτων με 30m χωρική ανάλυση και 5 κανάλια στο θερμικό υπέρυθρο τμήμα του φάσματος με 90m χωρική ανάλυση.

Για την δημιουργία DEM πραγματοποιείται προεπεξεργασία στα δεδομένα που λαμβάνονται με βάση τις παραμέτρους που δίνονται από τον ίδιο τον δορυφόρο με σκοπό την αφαίρεση θορύβου λόγω σφαλμάτων στην ευθυγράμμιση των 4100 αισθητήρων (για την κατακόρυφη λήψη - 5000 για την οπίσθια λήψη) καθώς και για την αντιστοίχιση των τιμών μεταξύ των καναλιών σε κάθε εικονοστοιχείο. Ο εξωτερικός προσανατολισμός πραγματοποιείται με την χρήση σημείων ελέγχου εδάφους (GCPs) και η αφαίρεση της Py παράλλαξης καθώς και η δημιουργία του DEM από την Px παράλλαξη πραγματοποιείται με την χρήση του λογισμικού PCI Geomatica. Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν επαρκή GCPs χρησιμοποιούνται στοιχεία της δοσμένης θέσης του δορυφόρου κατά την στιγμή της λήψης. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης δίνεται περισσότερη βάση στις σχετικές μεταβολές που προκύπτουν διαχρονικά και όχι στον εξωτερικό προσανατολισμό των λήψεων, για αυτό και δεν παρέχονται στοιχεία για την ακρίβεια της θέσης των περιοχών μελέτης.

Αποφεύγεται η χρήση λήψεων με γωνίες μεγαλύτερες των 8.5ᵒ λόγω μεγάλων παραμορφώσεων που προκύπτουν σε τέτοιες γωνίες ιδιαίτερα στην περίπτωση υψηλών κορυφών με σκίαση. Για την μέτρηση εδαφικών μετακινήσεων χρησιμοποιούνται διαχρονικές ορθοφωτογραφίες (προκύπτουν από την επεξεργασία των στερεοσκοπικών λήψεων). Για την αποφυγή παραμορφώσεων το σύνολο των λήψεων (κατακόρυφες, οπίσθιες διαχρονικά) υπόκεινται επεξεργασία σαν 1 δέσμη εικόνων. Οι μετακινήσεις εικονοστοιχείων ή στοιχείων της επιφάνειας μεταξύ των διαχρονικών ορθοφωτογραφιών πραγματοποιούνται με διπλή (σε x και y) διασυμμεταβλητότητα. Για την επίτευξη ακρίβειας σε επίπεδο μικρότερο του εικονοστοιχείου το τελικό επίπεδο μελέτης προκύπτει από κυβική παρεμβολή της αρχικής εικόνας με ανάλυση περίπου το ½ της αρχικής (τελική ακρίβεια της τάξης των 7-15m – ½ με 1 pixel).

Για μελέτες υψηλής ακρίβειας μελετώνται ψηφιοποιημένες αεροφωτογραφίες (ψηφιοποίηση ανάλυσης 30μm) κλίμακας μεταξύ 1/6000 και 1./30.000. Ανάλογα με τοις δορυφορικές λήψεις αναμένεται ακρίβεια της τάξης του 1 pixel για τα DEM, ακρίβεια η οποία ωστόσο δεν ισχύει για περιοχές με μικρές ή ανύπαρκτες διαφοροποιήσεις στην κάλυψη, όπως χιονοσκεπείς εκτάσεις. Πάλι οι αλλαγές στο πάχος του μελετώμενου εδάφους προκύπτουν σαν διαφορές διαχρονικών DEM. Γίνεται αναφορά στο λογισμικό CIAS το οποίο χρησιμοποιείται για μετρήσεις μετακινήσεων εδαφών μέσω διαχρονικών λήψεων.

Η πρώτη από τις τρεις μελετούμενες περιπτώσεις είναι η περίπτωση του παγετώνα Tasman στην Νέα Ζηλανδία. Με την χρήση λήψεων του συστήματος ASTER από τον Απρίλιο του 2000 και του 2001. Για την αποφυγή παραμορφώσεων που σχετίζονται με λάθη στον εξωτερικό προσανατολισμό των λήψεων μελετήθηκε τμηματικά η περιοχή ενδιαφέροντος. Προέκυψαν ταχύτητες πάγου της τάξης των 230m/y στην κορυφή του παγετώνα οι οποίες φτάνουν σχεδόν να μηδενιστούν στην μέση του. Εκεί εντοπίζεται η εισροή του παγετώνα Hochstetter από τα δυτικά με ταχύτητα 250m/y και οι ταχύτητες από εκεί μειώνονται προς την κατεύθυνση της παγετωνικής λίμνης και της τελικής μοραίνας υποδηλώνοντας περιοχές χωρίς πάγο ή τμήματα πάγου που αποκόπηκαν από τον παγετώνα. Οι ταχύτητες που μετρήθηκαν συγκρίνονται με ταχύτητες παρελθουσών μετρήσεων πεδίου διεγείροντας ερωτηματικά για την ύπαρξη γενικότερης αλλαγής στις ταχύτητες κίνησης του πάγου ή για διεποχικές αλλαγές καθώς οι μετρήσεις πεδίου αφορούν την περίοδο Μάιο – Δεκέμβριο του 1986. Τέλος αναφέρεται η υποχώρηση του μετώπου του παγετώνα σε έκταση 130m στο διάστημα μεταξύ 2000 και 2001.

Στο επόμενο κεφάλαιο μελετάται η κύλιση μόνιμα παγωμένου εδάφους (με κάποιο περιεχόμενο πάγου) γνωστό και ως κροκαλοπαγετώνας, τυπικού για ξηρά και κρύα βουνά. Σε αυτή την περίπτωση οι ταχύτητες κύλισης αντιστοιχίζονται σε μεγέθη του 1cm/y – 1m/y και τα μεγέθη των μελετώμενων μορφών αντιστοιχίζονται σε μερικές εκατοντάδες μέτρα, κάνοντας τα φαινόμενα να περνούν απαρατήρητα σε δορυφορικές εικόνες. Έτσι στην περίπτωση αυτή (κροκαλοπαγετώνας Muragl στις Ελβετικές Άλπεις) μελετώνται αεροφωτογραφίες με κλίμακα 1/7000  μεταξύ των ετών 1981 και 1994. Στην προκειμένη περίπτωση από την σύγκριση των διαχρονικών DEM  προέκυψαν μειώσεις στα υψόμετρα εδάφους της τάξης των 0,5m/y στις ζώνες των αιώνιων χιονοσκεπασμάτων στα ψηλότερα τμήματα του κροκαλοπαγετώνα και αυξήσεις της τάξης των 0,1m/y στις αποθέσεις στα κατώτερα τμήματα του. Αναφέρεται επίσης ταχύτητα κίνησης του κροκαλοπαγετώνα της τάξης των 0,5m/y με μέγιστη ταχύτητα στο μεσαίο – πιο απότομο -  τμήμα της περιοχής που καταλαμβάνει. Οι μετρήσεις αυτές δίνονται με ακρίβεια της τάξης των 0,015m/y RMS. Τέλος από την παρατήρηση των κινήσεων προκύπτει μία μεταφορά πιέσεων η οποία υποδεικνύει την ύπαρξη πάγου μέσα στο μελετούμενο σώμα που δρα σαν συνδετικό υλικό και κάνει το σώμα να συμπεριφέρεται σαν ένα σύνολο στην κατηφορική κίνησή του.

Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετώνται κατολισθήσεις βράχων χωρίς σημαντικό περιεχόμενο πάγου ο οποίος θα μπορούσε να μετριάσει τις ταχύτητες συνδέοντας τα επιμέρους κομμάτια βράχων μεταξύ τους. Στην προκειμένη περίπτωση προκύπτει καταστροφή του αναγλύφου μεταξύ των διαχρονικών λήψεων η οποία μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στην σύγκριση των διαχρονικών εικόνων. Αναφέρεται ακόμη η ανάμειξη των κατολισθήσεων σε άλλους κινδύνους πέραν του άμεσου καθώς θα μπορούσαν να φράξουν την ροή κάποιου ρέματος δημιουργώντας έτσι πλημμύρες σε περιοχές ανθρώπινης δραστηριοποίησης. Η μελέτη αυτής της περίπτωσης αφορά την περιοχή των ελβετικών Άλπεων και συγκεκριμένα την γλώσσα του παγετώνα Aletsch. Εδώ DEM από αεροφωτογραφίες κλίμακας 1/10.000 από τα έτη 1976 και 1995 δείχνουν αλλαγές στο έδαφος πάχους μέχρι 2m. Η βασική αιτία του φαινομένου είναι η υποχώρηση του παγετώνα από τα τέλη της Μικρής Παγετώδους Περιόδου (περίπου 1850)  η οποία προκάλεσε απώλεια πάγου σε πάχος 200-300m στην περιοχή μελέτης. Η απώλεια του πάγου οδήγησε στην αλλαγή της εσωτερικής δομής των υλικών και στην αποσταθεροποίησή τους.

Εν κατακλείδι ο συγγραφέας αναφέρει την εν γένει χρησιμότητα των ψηφιακών φωτογραμμετρικών μεθόδων για την μελέτη αλλαγών στο έδαφος υψηλών ορέων. Αναφέρει την ιδιαιτερότητα του ορεινού εδάφους σαν βασικό περιοριστικό παράγοντα για την βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων αυτών. Αναφέρεται επίσης η σημαντικότητα της μελέτης των μετακινήσεων αυτών καθώς η μελέτη της μετακίνησης παγετώνων με ηλικία χιλιετιών μπορεί να δώσει στοιχεία για την κλιματική αλλαγή. Οι λόγοι που δεν αναμένεται στο άμεσο μέλλον να εντατικοποιηθούν οι μελέτες με την βοήθεια δορυφόρων είναι η ακρίβεια των δεδομένων, η περιορισμένη πρόσβαση σε στερεοσκοπικά δεδομένα μεγάλης χωρικής ανάλυσης και η δυσκολία στην απόκτηση επαρκών σημείων ελέγχου εδάφους (GCPs).

[Andreas Kaab, Monitoring high-mountain terrain deformation from repeated air- and spaceborne optical data: examples using digital aerial imagery and ASTER data, ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 57 (2002) 39– 52]