Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 16:37, 4 Ιανουαρίου 2010

Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ

Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

Αντικείμενο Εφαρμογής: Διαχείριση Παράκτιας Ζώνης

Σκοπός Εφαρμογής: Στην εργασία αυτή διερευνήθηκε και εκτιμήθηκε η δυνατότητα μέτρησης του βάθους, σε ρηχά θαλάσσια νερά, με τη χρήση δορυφορικών πολυφασματικών δεδομένων.

Εισαγωγή

Η μέτρηση βαθών σε περιοχές ρηχών νερών με τον παραδοσιακό τρόπο των ηχοβολιστικών συσκευών είναι αρκετά χρονοβόρα και ακριβή, καθώς απαιτεί πολλές μετρήσεις. Η ανάγκη για τη γρήγορη ενημέρωση των χαρτών πλοήγησης καθώς και για την παρακολούθηση και χαρτογράφηση των παράκτιων περιοχών, που εμφανίζουν κινδύνους για τη ναυσιπλοΐα, οδήγησε πολλούς επιστήμονες στην ανάπτυξη τεχνικών βαθυμετρίας με τηλεπισκόπηση. Οι νέες τηλεπισκοπικές τεχνικές με Laser ή πολυφασματικά δεδομένα φαίνεται να δίνουν καλές προοπτικές για γρήγορη και μαζική μέτρηση και πύκνωση των βαθών καθώς και για την παρακολούθηση των μεταβολών τους. Από τα τέλη της δεκαετίας του ’60, αναπτύχθηκαν πολλοί αλγόριθμοι για τη χαρτογράφηση βαθών νερού σε παράκτιες περιοχές με τη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων. Οι παλαιότεροι από αυτούς στηρίζονται στη θεωρία της ανάκλασης βυθού και εφαρμόζονται σε ρηχές περιοχές με υψηλή ανάκλαση βυθού και καλή ποιότητα νερού. Κατά την τελευταία δεκαετία αναπτύχθηκαν και αλγόριθμοι με δυνατότητες ευρύτερης εφαρμογής, για περιοχές με θολά νερά και βυθό με χαμηλή ανάκλαση. Το ενδιαφέρον για τη βαθυμετρία είναι μεγάλο στην Ελλάδα, που περιβάλλεται από πλήθος ακτών και όπου οικονομικοί παράγοντες, όπως η ναυσιπλοΐα και ο τουρισμός, έχουν σημαντικά οφέλη από τη μέτρηση των βαθών. Παράλληλα, οι περισσότερες ελληνικές ακτές χαρακτηρίζονται από καθαρά νερά και ομαλούς ανοιχτόχρωμους βυθούς, πράγμα που τις καθιστά κατάλληλες για την εφαρμογή των περισσότερων από τους αλγορίθμους βαθυμετρίας με τηλεπισκόπηση. Στην εργασία αυτή έγινε έρευνα για την εφαρμογή ενός μοντέλου μέτρησης βαθών σε ρηχά νερά, στη θαλάσσια περιοχή νότια της Κέρκυρας (εικόνα 1) και στη θαλάσσια περιοχή δυτικά της Αίγινας (εικόνα 2), με τη χρήση πολυφασματικών εικόνων του σαρωτή του Θεματικού Χαρτογράφου (Thematic Mapper ΤΜ) του δορυφόρου Landsat. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε και στις δύο περιπτώσεις με γνωστά βαθυμετρικά σημεία που ελήφθησαν από υπάρχοντες χάρτες των περιοχών. Για την ολοκλήρωση της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πακέτα: Imagine/ERDAS για την επεξεργασία των εικόνων, Minitab για τη βαθμονόμηση και επαλήθευση του βαθυμετρικού μοντέλου, PC/Arcinfo για την ψηφιοποίηση και την αναγωγή των βαθυμετρικών σημείων.

Περιοχή Μελέτης

Δεδομένα περιοχής μελέτης στην Κέρκυρα Η βαθμονόμηση του μοντέλου έγινε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στην εικόνα 1 και η οποία περιλαμβάνει βάθη μέχρι 20 m. Τα πολυφασματικά δεδομένα ελήφθησαν από δορυφορική εικόνα ΤΜ του Landsat-4, λήψης 17/7/1984. Τα βαθυμετρικά σημεία, που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τη βαθμονόμηση όσο και για την επαλήθευση του μοντέλου, ψηφιοποιήθηκαν από το φύλλο "Λευκίμη" κλίμακας 1:50.000 της Γ.Υ.Σ., προβολής UTM και κατασκευής 1972. Η μέση απόσταση ανάμεσα στα ψηφιοποιηθέντα σημεία ήταν περίπου 500 m και η αναγωγή τους στο σύστημα UTM του χάρτη έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού Τα βαθυμετρικά δεδομένα του φύλλου "Λευκίμη" προήλθαν από μετρήσεις του 1958. Παρατηρείται ότι η χρονική περίοδος, που μεσολάβησε ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών δεδομένων του χάρτη και των πολυφασματικών εικόνων, είναι αρκετά μεγάλη (26 χρόνια). Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής, είναι δυνατόν να επήλθαν μεταβολές στο ανάγλυφο του βυθού και τις οπτικές ιδιότητες του νερού, με αποτέλεσμα τα δεδομένα χάρτη και εικόνας να μην περιγράφουν την ίδια κατάσταση. Η χρονική διαφορά των δεδομένων αποτελεί μειονέκτημα για την εφαρμογή της μεθοδολογίας, αλλά δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί λόγω έλλειψης ενημερωμένων βαθυμετρικών στοιχείων τόσο στο συγκεκριμένο φύλλο της Γ.Υ.Σ., όσο και στον αντίστοιχο υδρογραφικό χάρτη κλίμακας 1:100.000 της Υ.Υ.Π.Ν. Ο βυθός στην περιοχή μελέτης δημιουργείται από την αποσάθρωση πετρωμάτων που είναι τα ίδια κατά μήκος όλης της ακτής και περιλαμβάνουν μάργες, μαργαϊκούς ασβεστόλιθους, αργιλούχες μάργες, άργιλο, άμμο και ψαμμίτες. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω γεωλογικά χαρακτηριστικά, μπορεί σε γενικές γραμμές να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σε όλη την περιοχή σχετική χρωματική ομοιογένεια. Τέλος, το θαλάσσιο νερό είναι καθαρό.

Εικόνα 1. Περιοχή Μελέτης Κέρκυρας.Πηγή:Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

Δεδομένα περιοχής μελέτης στην Αίγινα

Το βαθυμετρικό μοντέλο βαθμονομήθηκε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στην εικόνα 2, και για βάθη μέχρι 20 m. Τα πολυφασματικά δεδομένα ελήφθησαν από εικόνα ΤΜ του Landsat-5, λήψης 28/1/1988. Τα σημεία για τη βαθμονόμηση και την επαλήθευση του μοντέλου προήλθαν από ψηφιοποίηση του χάρτη "Πρόσγεια και λιμήν Αίγινας-Στενό Μετώπης", κλίμακας 1:12.500, προβολής UTM της Υ.Υ.Π.Ν. Η μέση απόσταση των ψηφιοποιηθέντων σημείων ήταν περίπου 125 m και η αναγωγή τους στο σύστημα του χάρτη έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού. Τα βαθυμετρικά δεδομένα του χάρτη προήλθαν από μετρήσεις του 1969 και κατά τη χρονική περίοδο των 19 χρόνων, που μεσολάβησαν ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών και των πολυφασματικών δεδομένων, ενδέχεται να επήλθαν και στην περιοχή αυτή αλλαγές στο βυθό και τα οπτικά χαρακτηριστικά του νερού. Ο βυθός δημιουργείται από την αποσάθρωση πετρωμάτων, που κατά μήκος της νοτιοδυτικής ακτής της νήσου Αίγινας και των ακτών της νήσου Μονής είναι γρανίτες, διορίτες, ρυόλιθοι και τραχείτες και κατά μήκος των ακτών της νήσου Μετώπης και Αγκιστρίου είναι ασβεστόλιθοι και δολομίτες της πελαγονικής ζώνης, και κατά μήκος των βορειοδυτικών ακτών της νήσου Αίγινας είναι μάργες, άργιλοι, άμμος και ψαμμίτες. Και στην περίπτωση αυτή, με βάση τα παραπάνω γεωλογικά χαρακτηριστικά, μπορεί σε γενικές γραμμές να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σε όλη την περιοχή σχετική χρωματική ομοιογένεια. Και εδώ το θαλάσσιο νερό είναι καθαρό.

Εικόνα 2. Περιοχή Μελέτης Αίγινας.Πηγή:Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

Επεξεργασία των Εικόνων ΤM

Η αναγωγή των εικόνων στο σύστημα UTM έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού με τη χρήση 14 σημείων ελέγχου και με ακρίβεια μισής ψηφίδας. Η επαναδειγματοληψία των εικόνων έγινε με τη δικυβική παρεμβολή. Και οι δύο εικόνες στη θαλάσσια περιοχή παρουσίαζαν πολύ έντονη λωριδοποίηση. Δοκιμάστηκαν πολλές από τις υπάρχουσες μεθόδους μείωσης της λωριδοποίησης. Η επιλογή της καλύτερης μεθόδου έγινε με κριτήριο την ικανοποιητικότερη βαθμονόμηση του μοντέλου. Την αποτελεσματικότερη μείωση έδωσε η εφαρμογή του συνελικτικού χωρικού χαμηλοπερατού φίλτρου μέσης τιμής 7x7. Το συγκεκριμένο φίλτρο είναι ένα μητρώο με διαστάσεις 7Χ7 και όλα τα στοιχεία του ίσα με τη μονάδα. Στην εικόνα 3 φαίνεται σε τομή κάθετη στις λωρίδες, η μείωση της λωριδοποίησης μετά την εφαρμογή του φίλτρου. Τόσο στην εικόνα της Κέρκυρας όσο και της Αίγινας, η μείωση του θορύβου ήταν μεγαλύτερη κοντά στην ακτή. Δηλαδή η ποιότητα της ραδιομετρικής διόρθωσης σε κάποιο σημείο φάνηκε να είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασής του από την ξηρά. Η χαμηλή τιμή (<0.9) του δείκτη συσχετισμού ανάμεσα στις τιμές έντασης πάνω από τα βαθιά νερά στους διάφόρους διαύλους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι εικόνες ήταν απαλλαγμένες από επιδράσεις του λαμπιρίσματος της θαλάσσιας επιφάνειας.

Εικόνα 3. Τομή του διαύλου 1 της εικόνας Landsat-4 πριν (γκρι χρώμα) και μετά (μαύρο χρώμα) την εφαρμογή του συνελικτικού χαμηλοπερατού φίλτρου 7Χ7.Πηγή:Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

Το βαθυμετρικό μοντέλο στην Κέρκυρα

Για τη βαθμονόμηση χρησιμοποιήθηκαν αρχικά 216 βαθυμετρικά σημεία με βάθη που κυμαίνονταν από 1.5 m έως 20 m. Λόγω του περιορισμένου αριθμού βαθυμετρικών στον εν χρήσει χάρτη, για την πληρέστερη κάλυψη της περιοχής χρησιμοποιήθηκαν και επιπλέον σημεία που προήλθαν από τις υπάρχουσες στο χάρτη ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 66 σημεία από ισοβαθείς (30 από την ισοβαθή των 5 m και 36 από την ισοβαθή των 10 m), τα οποία αποτέλεσαν το 30% του συνόλου. Τα σημεία αυτά ελήφθησαν τυχαία πάνω στις καμπύλες, σε μια μέση απόσταση 500 περίπου μέτρων, όση δηλαδή ήταν και η μέση απόσταση των υπαρχόντων βαθυμετρικών. Η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης στα 216 σημεία βρέθηκε ίση με 3,1 m, ενώ η συσχέτιση r ανάμεσα στα γνωστά βάθη και τις αντίστοιχες τιμές των μεταβλητών Xi ίση με 73%. Παρατηρήθηκε ότι η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης βελτιωνόταν σημαντικά, όσο περιοριζόταν η συμμετοχή βαθυμετρικών σημείων με μεγάλα βάθη. Παράλληλα, μια μικρή βελτίωση παρουσίαζε και η συσχέτιση r. Το s απέκτησε ικανοποιητική τιμή, όταν κανένα από τα χρησιμοποιούμενα σημεία δεν είχε βάθος μεγαλύτερο από 11 m. Έτσι, η περιοχή μελέτης περιορίστηκε μέχρι το βάθος αυτό. H διαδικασία της βαθμονόμησης ξεκίνησε με 159 σημεία που τα βάθη τους κυμαίνονταν από 1,5 m έως 10,8 m (εικόνα 4). Τα χαρακτηριστικά της παλινδρόμησης φαίνονται στον πίνακα 1. Μετά την απομάκρυνση των σημείων, στα οποία τα γνωστά βάθη τους παρουσίαζαν μεγάλη διαφορά από τα αντίστοιχα προβλεφθέντα από το μοντέλο, η τελική βαθμονόμηση προέκυψε από την εφαρμογή της παλινδρόμησης σε 119 σημεία (75% των αρχικών) με βάθη που κυμαίνονταν από 1,5 m έως 10 m και έδωσε s =0,98 m και r = 92,3%. Το μοντέλο που προέκυψε είχε τη μορφή: z = 14,1 + 1,46ln(L1-96) – 8,14ln(L2-26) + 2,38ln(L3-22). Στην εικόνα 5 δίνεται η σχέση των προβλεφθέντων, μέσω του μοντέλου βαθών, με τα αντίστοιχα βάθη του χάρτη. Είναι εμφανής ο καλός συσχετισμός τους. Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 10 βαθυμετρικά σημεία που δεν συμμετείχαν στη βαθμονόμησή του και τα οποία ελήφθησαν αναγκαστικά από τις ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων, λόγω της προαναφερθείσας έλλειψης βαθυμετρικών στο χάρτη. Στον πίνακα 2 φαίνονται για κάθε σημείο ελέγχου οι τιμές βάθους στο χάρτη, οι τιμές βάθους που προέκυψαν από το μοντέλο, η απόλυτη τιμή της διαφοράς των δύο προηγούμενων βαθών και το διάστημα εμπιστοσύνης 95% για κάθε προβλεπόμενο βάθος. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών των διαφορών όλων των σημείων ελέγχου είναι 1,3 m. Στην εικόνα 6 φαίνεται ο τρόπος που κατανέμονται οι διαφορές αυτές. Θεωρήθηκε ικανοποιητική η πρόβλεψη του βάθους για τα σημεία, στα οποία το αρχικό βάθος και το προβλεπόμενο βάθος δεν διέφεραν περισσότερο από 1 m (πίνακας 2), λαμβανομένης υπόψη και της ακρίβειας, με την οποία μετρήθηκαν τα βάθη των σημείων του χάρτη που χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση. Από τον πίνακα 2 προκύπτει ότι τα σημεία ελέγχου, που έχουν ικανοποιητική πρόβλεψη βάθους (συμβολίζονται με (*)), αποτελούν το 60%. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών των διαφορών των βαθών στα σημεία αυτά είναι 0,75 m. Στον πίνακα 2 φαίνεται ότι το 33% των ικανοποιητικών σημείων έχει διαφορά βάθους κάτω από 1 m και το 67% έχει διαφορά ίση με 1 m. Στην εικόνα 7 είναι εμφανές ότι οι μικρότερες απόλυτες διαφορές αντιστοιχούν στα σημεία με βάθος 5 m.

Εικόνα 4. Βαθμονόμηση Βαθών.Εικόνα 5. Σχέση Βαθών Μοντέλου και Χάρτη. Πίνακας 1. Στατιστικά Χαρακτηριστικά Παλινδρόμησης.Πίνακας 2. Διαφορά Βαθών.Πηγή:Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.