Χαρτογράφηση και χαρακτηρισμός των χιονοστιβάδων στους ορεινούς παγετώνες με δορυφορικές εικόνες Sentinel-1.
Από RemoteSensing Wiki
| Γραμμή 23: | Γραμμή 23: | ||
<h2>Επικύρωση και βαθμονόμηση:</h2> Η αυτοματοποιημένη μέθοδος βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας χειροκίνητα παραγόμενα περιγράμματα χιονοστιβάδων από εικόνες Sentinel-1. Η βαθμονόμηση περιλάμβανε τη βελτιστοποίηση έξι παραμέτρων για τη μεγιστοποίηση της βαθμολογίας F1, η οποία εξισορροπεί τα αληθώς θετικά, τα ψευδώς θετικά και τα ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα. | <h2>Επικύρωση και βαθμονόμηση:</h2> Η αυτοματοποιημένη μέθοδος βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας χειροκίνητα παραγόμενα περιγράμματα χιονοστιβάδων από εικόνες Sentinel-1. Η βαθμονόμηση περιλάμβανε τη βελτιστοποίηση έξι παραμέτρων για τη μεγιστοποίηση της βαθμολογίας F1, η οποία εξισορροπεί τα αληθώς θετικά, τα ψευδώς θετικά και τα ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα. | ||
| - | [[Αρχείο:F1.png]] | + | [[Αρχείο:F1.png | '''Εικόνα 1''' Dice coefficient]] |
Όπου TP : ο αριθμός pixel ταξινομημένος ως αληθώς θετικά | Όπου TP : ο αριθμός pixel ταξινομημένος ως αληθώς θετικά | ||
| Γραμμή 33: | Γραμμή 33: | ||
| - | [[Αρχείο:Sentinel-1 Avalanche.png|thumb|right|]] | + | [[Αρχείο:Sentinel-1 Avalanche.png|thumb|right|'''Εικόνα 2''' : Παραδείγματα χειροκίνητης ανίχνευσης χιονοστιβάδων]] |
<h2>Εφαρμογή σε ολόκληρη τη χρονοσειρά:</h2> Τα σφάλματα που βρέθηκαν στους χάρτες (ψευδώς θετικά και αρνητικά) διορθώθηκαν χειροκίνητα, και τα περιγράμματα των χιονοστιβάδων προσαρμόστηκαν στους τοπικούς ρυθμούς μεταβολής του υψομέτρου των παγετώνων. Τα τελικά διορθωμένα περιγράμματα συγκεντρώθηκαν σε χάρτες που υποδεικνύουν τη συχνότητα των χιονοστιβάδων και δείχνουν τη χωροχρονική κατανομή της δραστηριότητας των χιονοστιβάδων. | <h2>Εφαρμογή σε ολόκληρη τη χρονοσειρά:</h2> Τα σφάλματα που βρέθηκαν στους χάρτες (ψευδώς θετικά και αρνητικά) διορθώθηκαν χειροκίνητα, και τα περιγράμματα των χιονοστιβάδων προσαρμόστηκαν στους τοπικούς ρυθμούς μεταβολής του υψομέτρου των παγετώνων. Τα τελικά διορθωμένα περιγράμματα συγκεντρώθηκαν σε χάρτες που υποδεικνύουν τη συχνότητα των χιονοστιβάδων και δείχνουν τη χωροχρονική κατανομή της δραστηριότητας των χιονοστιβάδων. | ||
| Γραμμή 60: | Γραμμή 60: | ||
Hispar: Οι χιονοστιβάδες ήταν πιο συχνές το καλοκαίρι, παρά τις βροχοπτώσεις όλο το χρόνο, γεγονός που υποδηλώνει σύνδεση με τις εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. | Hispar: Οι χιονοστιβάδες ήταν πιο συχνές το καλοκαίρι, παρά τις βροχοπτώσεις όλο το χρόνο, γεγονός που υποδηλώνει σύνδεση με τις εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. | ||
| - | [[Αρχείο:Total Size.png|thumb|right|]] | + | [[Αρχείο:Total Size.png|thumb|right|'''Εικόνα 3''' : Συνολικό μέγεθος και αριθμός χειροκίνητα και αυτόματα ανιχνευθέντων χιονοστιβάδων]] |
Παρούσα αναθεώρηση της 10:05, 22 Ιανουαρίου 2025
Πρότυπος Τίτλος : Mapping and characterization of avalanches on mountain glaciers with Sentinel-1 satellite imagery
Συγγραφείς : Marin Kneib, Amaury Dehecq, Fanny Brun, Fatima Karbou, Laurane Charrier, Silvan Leinss, Patrick Wagnon, and Fabien Maussion
Πηγή : Copernicus
Πίνακας περιεχομένων |
Εισαγωγή
Οι χιονοστιβάδες διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ισορροπία μάζας των ορεινών παγετώνων, ιδίως σε περιοχές με απότομη τοπογραφία. Οι χιονοστιβάδες συμβάλλουν στην τοπική υπερσυσσώρευση χιονιού και πάγου, η οποία συχνά δεν λαμβάνεται υπόψη στα μοντέλα παγετώνων λόγω της δυσκολίας εντοπισμού και ποσοτικοποίησης αυτών των γεγονότων σε απομακρυσμένες περιοχές. Στόχος της μελέτης ήταν η ανάπτυξη μιας ημιαυτόματης προσέγγισης για τη χαρτογράφηση των αποθέσεων χιονοστιβάδων σε μεγάλες χρονικές περιόδους και μεγάλες κλίμακες με τη χρήση εικόνων ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR Synthetic-aperture radar) Sentinel-1. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε σε τρεις περιοχές με διαφορετικές κλιματικές συνθήκες: στον ορεινό όγκο Mt Blanc στις Ευρωπαϊκές Άλπεις, στην περιοχή Everest στα κεντρικά Ιμαλάια και στην περιοχή Hispar στο Καρακοράμ. Οι περιοχές αυτές χαρακτηρίζονται από απότομες ορεινές πλαγιές και διαφορετικά πρότυπα βροχόπτωσης, παρέχοντας ένα ποικίλο σύνολο συνθηκών για την αξιολόγηση της τεχνικής χαρτογράφησης.
Μεθοδολογία
Συλλογή δεδομένων:
Η μελέτη χρησιμοποίησε εικόνες Sentinel-1 SAR που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια πέντε ετών (για το Mt Blanc από Νοέμβριο 2016 - Οκτώβριο 2021, για το Everest και Hispar Νοέμβριο 2017 - Οκτώβριο 2022). Οι εικόνες συλλέχθηκαν σε διαστήματα 6 έως 12 ημερών, όπου χρησιμοποιήθηκαν καθοδικές αλλά και ανοδικές τροχιές. Για τα χαρακτηριστικά των αποθεμάτων της χιονοστιβάδας (μέγεθος, υψόμετρο, κλίση) χρησιμοποιήθηκε το παγκόσμιο AW3D30 30 m DEM.Προ επεξεργασία:
Οι εικόνες επεξεργάστηκαν με τη χρήση του Google Earth Engine. Τα στάδια επεξεργασίας περιλάμβαναν την εφαρμογή ενός φίλτρου υψηλής διέλευσης 500 μέτρων για τη μείωση της επιρροής των αλλαγών που προκαλεί η μεγάλης κλίμακας υγρασίας του χιονιού. Καθώς και τον υπολογισμό του μέσου όρου των πολώσεων VV και VH για τη μείωση του θορύβου (speckle interference). Στη συνέχεια, οι εικόνες μετατράπηκαν σε RGB σύνθετα για την ανάδειξη των αλλαγών στην τραχύτητα της επιφάνειας. Όπου στο πράσινο σύνθετο προστέθηκε η ημέρα ενδιαφέροντος (D) ενώ στα κόκκινα και μπλε σύνθετα προστέθηκε η προηγούμενη χρονικά εικόνα (6 ή 12 μέρες πριν ανάλογα την περιοχή).Αυτοματοποιημένη χαρτογράφηση:
Τα χρωματικά σύνθετα RGB μετατράπηκαν σε HSV σύνθετα (απόχρωση, κορεσμός, τιμή) όπου μέσω αυτής της μεθόδου χρησιμοποιήθηκε το ελάχιστο όριο τιμής και απόχρωσης ώστε να προσδιοριστούν τα πράσινα στοιχεία. Στις κλίσεις άνω των 35° η αύξηση στην οπισθοσκέδαση δεν θεωρήθηκε απόθεμα χιονοστιβάδας, ταυτόχρονα ανιχνεύσεις μικρότερες των 40 pixel (4000 m2) αφαιρέθηκαν για την αποφυγή εμφάνισης ψευδώς θετικών αποτελεσμάτων εξαιτίας αλλαγών που δεν οφείλονται σε χιονοστιβάδες.
Επικύρωση και βαθμονόμηση:
Η αυτοματοποιημένη μέθοδος βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας χειροκίνητα παραγόμενα περιγράμματα χιονοστιβάδων από εικόνες Sentinel-1. Η βαθμονόμηση περιλάμβανε τη βελτιστοποίηση έξι παραμέτρων για τη μεγιστοποίηση της βαθμολογίας F1, η οποία εξισορροπεί τα αληθώς θετικά, τα ψευδώς θετικά και τα ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα.
Όπου TP : ο αριθμός pixel ταξινομημένος ως αληθώς θετικά FP : ο αριθμός pixel ταξινομημένος ως ψευδώς θετικά FN : ο αριθμός pixel ταξινομημένος ως ψευδώς αρνητικά
Σύγκριση με οπτικές εικόνες:
Τα περιγράμματα των χιονοστιβάδων του Sentinel-1 συγκρίθηκαν με εικόνες υψηλής ανάλυσης (0.5m) Pléiades για την περιοχή του Mt Blanc. Η σύγκριση αυτή βοήθησε στην αξιολόγηση της ακρίβειας και των περιορισμών της αυτοματοποιημένης μεθόδου, ιδίως όσον αφορά την ανίχνευση μικρότερων και λιγότερο τραχειών αποθέσεων. Η σύγκριση δεν έγινε στις περιοχές του Έβερεστ και Hispar καθώς οι εικόνες υψηλότερης ευκρίνειας που ήταν διαθέσιμες (Venus multispectral images, 5m) δεν ήταν ικανοποιητικές για τον σχηματισμό του περιγράμματος.
Εφαρμογή σε ολόκληρη τη χρονοσειρά:
Τα σφάλματα που βρέθηκαν στους χάρτες (ψευδώς θετικά και αρνητικά) διορθώθηκαν χειροκίνητα, και τα περιγράμματα των χιονοστιβάδων προσαρμόστηκαν στους τοπικούς ρυθμούς μεταβολής του υψομέτρου των παγετώνων. Τα τελικά διορθωμένα περιγράμματα συγκεντρώθηκαν σε χάρτες που υποδεικνύουν τη συχνότητα των χιονοστιβάδων και δείχνουν τη χωροχρονική κατανομή της δραστηριότητας των χιονοστιβάδων.
Χαρακτηρισμός δραστηριότητας χιονοστιβάδας:
Υπολογίστηκε ως ο αριθμός των χιονοστιβάδων που επηρέασε ένα συγκεκριμένο pixel κατά τη διάρκεια μιας συγκεκριμένης χρονικής περιόδου.
Αποτελέσματα
Ακρίβεια ανίχνευσης:
Η αυτοματοποιημένη μέθοδος πέτυχε βαθμολογίες F1 που κυμαίνονταν από 0,29 έως 0,78, υποδεικνύοντας έτσι ότι η ακρίβεια εξαρτάται από εποχή και τον χρόνο λήψης. Οι καθοδικές (πρωινές) εικόνες είχαν γενικά υψηλότερη ακρίβεια λόγω των λιγότερων αλλαγών στην υγρασία του χιονιού.
Χαρακτηριστικά χιονοστιβάδων:
Κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης, χαρτογραφήθηκαν σύνολο 16.302 αποθέσεις χιονοστιβάδων (7.316 στην ανοδική πορεία και 8.986 στην καθοδική πορεία). Η κατανομή μεγέθους παρουσίασε εκθετική μείωση, με τα περισσότερα συμβάντα να είναι μεγαλύτερα από 4000 m². Τα μεγαλύτερα γεγονότα που έφτασαν έως και το 1.000.000 m², εντοπίστηκαν στην περιοχή Hispar.Χωρικά μοτίβα:
Οι χιονοστιβάδες εντοπίστηκαν κυρίως σε χαμηλότερα υψόμετρα σε σχέση με τις παγετώδεις λεκάνες απορροής, με τη μεγαλύτερη συχνότητα να απαντάται στις απότομες πλαγιές. Το υψομετρικό εύρος των εντοπισμένων χιονοστιβάδων ήταν στενότερο στις περιοχές του Everest και του Hispar σε σύγκριση με τον ορεινό όγκο του Mt Blanc, όπου οι χιονοστιβάδες εμφανίστηκαν επίσης σε χαμηλότερα υψόμετρα.
Χρονικά πρότυπα:
Mont Blanc: Η δραστηριότητα των χιονοστιβάδων κορυφώθηκε το χειμώνα και την άνοιξη, που αντιστοιχούν σε γεγονότα υψηλής βροχόπτωσης. Η δραστηριότητα μειώθηκε το καλοκαίρι, με τις χιονοστιβάδες να εμφανίζονται σε μεγαλύτερα υψόμετρα.
Everest: Η υψηλότερη δραστηριότητα παρατηρήθηκε κατά την περίοδο των μουσώνων (Ιούνιος έως Σεπτέμβριος), με χρονική υστέρηση 1-2 μηνών μεταξύ των βροχοπτώσεων και των εκδηλώσεων χιονοστιβάδων. Οι χιονοστιβάδες εμφανίζονταν σε μεγαλύτερα υψόμετρα κατά τη διάρκεια των μουσώνων.
Hispar: Οι χιονοστιβάδες ήταν πιο συχνές το καλοκαίρι, παρά τις βροχοπτώσεις όλο το χρόνο, γεγονός που υποδηλώνει σύνδεση με τις εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.
Συμπεράσματα
Η ημιαυτόματη χαρτογράφηση με τη χρήση εικόνων του Sentinel-1 SAR προσδιορίζει και χαρακτηρίζει αποτελεσματικά τις αποθέσεις χιονοστιβάδων σε μεγάλες περιοχές και κατά εκτεταμένες περιόδους. Η μέθοδος αυτή, επέδειξε υψηλές δυνατότητες για τον εντοπισμό σημαντικών χιονοστιβάδων, αλλά απαιτούσε χειροκίνητη επαλήθευση για την απομάκρυνση των ψευδώς θετικών αποτελεσμάτων και την προσθήκη των ανιχνεύσεων που δεν έγιναν αντιληπτές. Η μελέτη υπογράμμισε τη σημασία των χιονοστιβάδων στην ανακατανομή του χιονιού και του πάγου στους παγετώνες, επηρεάζοντας το ισοζύγιο μάζας τους. Τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη χωρική και χρονική μεταβλητότητα της δραστηριότητας των χιονοστιβάδων σε διαφορετικά κλιματικά περιβάλλοντα. Οι μελλοντικές βελτιώσεις στην τεχνολογία SAR και στη μηχανική μάθηση θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ακρίβεια και τη δυνατότητα εφαρμογής της χαρτογράφησης των χιονοστιβάδων, βοηθώντας τις μελέτες για το ισοζύγιο μάζας των παγετώνων και την εκτίμηση της επικινδυνότητας στις ορεινές περιοχές.
