Χρήση Δορυφορικών Εικόνων Landsat – TM και AVHRR για τη Μελέτη του Θαλάσσιου Περιβάλλοντος

Από RemoteSensing Wiki

(Διαφορές μεταξύ αναθεωρήσεων)
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
(New page: '''Περίληψη''' Τα κύρια προβλήματα που σχετίζονται με τις υπάρχουσες μεθοδολογίες αφορούν την παραγόμε...)
 
(6 ενδιάμεσες αναθεωρήσεις δεν εμφανίζονται.)
Γραμμή 1: Γραμμή 1:
-
'''Περίληψη'''
+
<big>'''Περίληψη'''</big>
-
Τα κύρια προβλήματα που σχετίζονται με τις υπάρχουσες μεθοδολογίες αφορούν την παραγόμενη πληροφορία η οποία συχνά είναι μόνο ποιοτική αλλά και δεν είναι διαθέσιμη ακόμα και μήνες μετά την πυρκαγιά με αποτέλεσμα να μην μπορεί να γίνει εκτίμηση της ανάκτηση βλάστησης. Υπάρχει μια σειρά από ερευνητικές εργασίες στις οποίες διερευνάται η προοπτική ανάπτυξης εναλλακτικών μεθόδων καταγραφής των καμένων εκτάσεων μέτρηση δορυφορικών εικόνων.
+
Η ανάπτυξη των παράκτιων περιοχών είναι γνωστό ότι δημιουργεί περιβαλλοντικά προβλήματα. Όμως, η παράκτια ζώνη είναι ζωτικής σημασίας από οικονομικής απόψεως και κατά συνέπεια απαιτείται συστηματική παρακολούθηση για την ταχύτατη και αποτελεσματική εκτίμησης της ποιότητας του παράκτιου περιβάλλοντος και της προστασίας του. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη τηλεπισκοπικών μεθόδων είχε και σαν πεδίο εφαρμογής τις μελέτες θαλάσσιας ρύπανσης. Ειδικότερα δεδομένα από τους δείκτες AVHRR και LANDSAT-TM χωρικής διακριτικής ικανότητας 1.1 km και 30m αντίστοιχα, έχουν συμβάλει σημαντικά στην προσέγγιση του φαινομένου της θαλάσσιας ρύπανσης σε μεγάλη έκταση, διαδικασία δύσκολη, χρονοβόρα και συχνά αδύνατη με χρήση των κλασσικών ωκεανογραφικών μεθόδων.  
-
Σκοπός αυτής της εργασίας είναι να διερευνήσει την δυνατότητα χρήσης εικόνων χαμηλής (AVHRR), μέσης – υψηλής (LANDSAT TM) και πολύ υψηλής (IKONOS) ευκρίνειας στην ακριβή χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων στη Θάσο. Οι επιμέρους σκοποί είναι:
+
Στην παρούσα εργασία επιχειρήθηκε αρχικά η ανάπτυξη θεματικών χαρτών που απεικονίζουν την χωρική κατανομή της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α στην ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου βάσει των δεδομένων του δέκτη LANDSAT-TM και στη συνέχεια θεματικού χάρτη απεικόνισης της χωρικής κατανομής των θερμοκρασιών στο ΒΑ Αιγαίο βάσει των δεδομένων του δέκτη AVHRR. Στις περιοχές μελέτης διεξήχθησαν δειγματοληψίες σε ημερομηνίες κοντά με εκείνες της λήψης των αντίστοιχων δορυφορικών εικόνων, βάσει των οποίων αναπτύχθηκε αλγόριθμος/μοντέλο ικανό να περιγράψει τη σχέση ανάμεσα στην εξεταζόμενη παράμετρο και τις μετρούμενες τιμές στα διάφορα κανάλια του δέκτη. Η χωρική κατανομή κάθε παραμέτρου προέκυψε με την εφαρμογή αυτών των αλγορίθμων στις αντίστοιχες δορυφορικές εικόνες. η κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων που ακολούθησε, οδήγησε στην παραγωγή θεματικών χαρτών όπου τα όρια των χωρικών διακυμάνσεων της χλωροφύλλης-α και των θερμοκρασιών είναι σαφώς καθορισμένα.  Απεικονίσεις τέτοιου είδους αποδεικνύονται πολύ χρήσιμες στην παράκτια διαχείριση όπου απαιτείται εκτίμηση της ποιότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε ευρεία χωρική κλίμακα συμπεριλαμβανομένων περιοχών όπου δεν είναι εύκολη η συλλογή δεδομένων πεδίου, όπως είναι η περιοχή του Αιγαίου Πελάγους με το σύμπλεγμα των νησιών.
-
• Η βελτίωση μεθόδων που ήδη χρησιμοποιούνται στην χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων με την χρήση εικόνων AVHRR και LANDSAT TM,
 
-
• Η ανάπτυξη μεθόδου με τη χρήση των εικόνων IKONOS,
+
<big>'''Περιοχή Μελέτης και Πηγή Δεδομένων'''</big>
-
• Η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων της χρήσης εικόνων από τους τρεις απεικονιστές στην χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων
+
Το πεδίο μελέτης είναι η θαλάσσια περιοχή των νησιών του ΒΑ Αιγαίου και ιδιαίτερα η ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου (Σχήμα 1).
-
'''Εισαγωγή'''
+
[[εικόνα:kitsiou_1.jpg|center|400px|]]
 +
'''Σχήμα 1: ''' Οι σταθμοί δειγματοληψίας στα ανατολικά παράλια της Ν. Λέσβου
-
Οι φυσικές πυρκαγιές είναι αναπόσπαστο μέρος πολλών χερσαίων οικοσυστημάτων όπως είναι τα εύκρατα δάση, οι σαβάνες και τα μεσογειακά οικοσυστήματα μεταξύ άλλων. Όμως από το 1960 μέχρι σήμερα παρατηρείται, στις Ευρωπαϊκές Μεσογειακές χώρες εκθετική αύξηση τόσο στον αριθμό των πυρκαγιών όσο και στην συνολική καμένη έκταση (Σχήμα 1). Αυτή η αύξηση σχετίζεται με:  
+
[[εικόνα:kitsiou_2.jpg|center|400px|]]
 +
'''Σχήμα 2: '''Οι σταθμοί δειγματοληψίας στην ευρύτερη περιοχή της πόλης της Μυτιλήνης.
-
• Τις αλλαγές στις παραδοσιακές χρήσεις της γης που έχουν ως αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση καύσιμης ύλης, και
 
-
• Την παγκόσμια κλιματική αλλαγή
+
Τα δεδομένα πεδίου προέρχονται από δειγματοληψίες που διεξήχθησαν σε δίκτυο 37 σταθμών δειγματοληψίας στην ευρύτερη περιοχή του λιμένα της πόλης της Μυτιλήνης (Σχήμα 2). Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από δύο mini-σκηνές εικόνων του δέκτη LANDSAT-TM (1/7/1994 και 2/8/1994) και μιας δορυφορικής εικόνας του δέκτη AVHRR-NOAA/14 (14/10/1995), η οποία λήφθηκε από του δορυφορικό σταθμό του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Οι ημερομηνίες των εικόνων βρίσκονται κοντά σε εκείνες που έγιναν δειγματοληψίες πεδίου.
-
Οι μέθοδοι που ακολουθούνται από τη Δασική Υπηρεσία στην Ελλάδα για τη χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων και την εκτίμηση του βαθμού καταστροφής της βλάστησης βασίζονται σε εκτενείς επισκέψεις στην καμένη περιοχή και σε οπτικές παρατηρήσεις των επιπτώσεων της πυρκαγιάς. Το σύνηθες αποτέλεσμα των επισκέψεων αυτών είναι η δημιουργία ενός πρόχειρου χάρτη της περιμέτρου της πυρκαγιάς επάνω στον τοπογραφικό χάρτη της περιοχής (Εικόνα 1) και η παραγωγή μιας δήλωσης αυτοψίας και μια αναφοράς της πυρκαγιάς. Πρέπει να σημειωθεί ότι πρόσφατα άρχισε να γίνεται χρήση του Παγκόσμιου Συστήματος Εντοπισμού Θέσης (GPS) από την υπηρεσία στην καταγραφή καμένων εκτάσεων.
 
-
Οι μικρές πυρκαγιές μπορούν να χαρτογραφούνται με τις υπάρχουσες μεθόδους αλλά σε περιπτώσεις μεγάλων πυρκαγιών οι συγκεκριμένες μέθοδοι είναι δύσκολο να εφαρμοστούν. Σύμφωνα με τον Chuvieco (1997) μια εναλλακτική λύση στις υπάρχουσες μεθόδους καταγραφής των καμένων εκτάσεων αποτελεί η τηλεπισκόπιση (Εικόνα 2). 
+
<big>'''Επεξεργασία Δορυφορικών Εικόνων'''</big>
-
'''Υλικά και Μέθοδοι'''
+
'''1. Γεωμετρική διόρθωση των εικόνων'''  
 +
Η γεωμετρική διόρθωση έχει σαν σκοπό την μετατροπή των εικονοσυντεταγμένων σε πραγματικές συντεταγμένες εδάφους. Για να επιτευχθεί αυτό, επιλέχθηκαν σημεία εμφανή τόσο στην εικόνα όσο και στον αντίστοιχο χάρτη της περιοχής μελέτης (Επίγεια Σημεία Ελέγχου – Ground Control Points) με γνωστές συντεταγμένες εδάφους.
-
Τρείς πυρκαγιές, την δεκαετία του 80 είχαν ως αποτέλεσμα να καούν περισσότερα από 20.000 εκτάρια δάσους, δηλαδή μια έκταση μεγαλύτερη από το μισό της συνολικής έκτασης του νησιού. Επιπλέον, τον Ιούλιο του 2000, μια μεικτή δασική πυρκαγιά έκαψε 165 εκτάρια τραχείας πεύκης.
 
-
Για την μελέτη χρησιμοποιήθηκαν:
 
-
• Δύο εικόνες NOAA/AVHRR. Πιο συγκεκριμένα μία πριν (11Αυγούστου 1989) και μία εικόνα μετά (20 Αυγούστου 1989) την πυρκαγιά
+
'''2. Αποκοπή των pixels της εικόνας που αντιστοιχούν στην ξηρά'''
 +
Δεδομένου ότι η μελέτη επιγκεντρώνεται στο θαλάσσιο περιβάλλον, στα pixels που αντιστοιχούν στην ξηρά δόθηκε η ραδιομετρική τιμή μηδέν, ώστε αυτά να μην λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία.  
-
• Μία εικόνα LANDSAT TM μετά την πυρκαγιά (19 Σεπτεμβρίου 1989).
 
-
• Μία IKONOS μετά την πυρκαγιά (17 Ιουλίου 2000)
+
'''3. Μετατροπή των ψηφιακών τιμών (Digital Numbers-DN) σε λαμπρότητα (Radiance)'''
 +
Για την μετατροπή των ψηφιακών εικόνων LANDSAT-TM  σε λαπρότητα, χρησιμοποιήθηκε η σχέση, R (Watt/m2str) = Ao + A1 (DN),όπου οι τιμές των συντελεστών Ao και  A1 για το κάθε κανάλι δίνονται στον πίνακα 1. για την επεξεργασία της εικόνας AVHRR χρησιμοποιήθηκαν οι ψηφιακές τιμές (DN) των pixels.
-
• Οι περίμετροι των πυρκαγιών όπως αποτυπώθηκαν από τη Δασική υπηρεσία.
+
[[εικόνα:kitsiou_3.jpg|center|400px|]]
 +
'''Πίνακας 1: ''' Συντελεστές Αο και Α1 για την μετατροπή των ψηφιακών τιμών των εικόνων LANDSAT-TM σε λαμπρότητα
-
• Ένα ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (ανάλυσης 10 μέτρων)
 
-
• Στοιχεία που συλλέχθηκαν μέσα στην έκταση που κάηκε το 2000 με τη χρήση GPS
+
[[εικόνα:kitsiou_4.jpg|center|400px|]]
 +
'''Πίνακας 2: ''' Κατηγοριοποίηση αποτελεσμάτων χλωροφύλλης-α (chl-a) και θερμοκρασιών
-
• Τοπογραφικοί και θεματικοί χάρτες.
 
-
Πριν από την ανάλυση έγινε προεπεξεργασία των εικόνων που περιελάμβανε την ατμοσφαιρική, ραδιομετρική και γεωμετρική τους διόρθωση. Κατόπιν ακολουθήθηκε ειδική επεξεργασία ανάλογα με τον τύπο της εικόνας και τέλος έγινε σύγκριση με τις περιμέτρους των πυρκαγιών όπως αποτυπώθηκαν από τη Δασική υπηρεσία. Συγκεκριμένα:
+
'''4. Προσδιορισμός των σταθμών δειγματοληψίας στην εικόνα και υπολογισμός της λαμπρότητας που αντιστοιχεί στις θέσεις αυτές'''
 +
Ο προσδιορισμός της θέσης των σταθμών δειγματοληψίας πάνω στην εικόνα, είναι εύκολος δεδομένου ότι είναι γνωστές οι ακριβείς συντεταγμένες τους και οι συντεταγμένες της εικόνας ανήκουν στο Γεωγραφικό Σύστημα Συντεταγμένων.  
-
• Στις εικόνες AVHRR έγινε σχετική διόρθωση με εικόνα αναφοράς την εικόνα μετά την πυρκαγιά και με την βοήθεια της μεθόδου γραμμικής παλινδρόμησης. Κατόπιν υπολογίστηκε ο NDVI για κάθε μια από τις δύο εικόνες. Η τελική εικόνα προέκυψε από την αφαίρεση του NDVI την εικόνας πριν την πυρκαγιά από τον NDVI της εικόνας πριν την πυρκαγιά. Η ακρίβεια που επιτεύχθηκε (μετά από σύγκριση με την περίμετρο της πυρκαγιάς όπως αποτυπώθηκε από την δασική υπηρεσία) ήταν της τάξης του 88%.
 
-
• Στις εικόνες LANDSAT TM στο στάδιο της προεπεξεργασία έγινε και τοπογραφική διόρθωση ώστε να αφαιρεθούν οι σκιές που οφείλονται στο ανάγλυφο. Εφαρμόστηκε η τεχνική του δυαδικού εφοδιαστικού μοντέλου παλινδρόμησης το οποίο παράγει δυαδικό αποτέλεσμα δηλαδή καμένη έκταση και μη καμένη έκταση. Συγκεκριμένα όλα τα εικονοστοιχεία με τιμή μικρότερη από 0.5 χαρακτηρίστηκαν ως καμένα και τα εικονοστοιχεία με τιμή μεγαλύτερη του 0.5 χαρακτηρίστηκαν ως μη καμένα. Η ακρίβεια που επιτεύχθηκε ήταν της τάξης του 97.4%.  
+
'''5. Ανάπτυξη μοντέλων υπολογισμού των υπό μελέτη παραμέτρων απ δεδομένα των δορυφορικών εικόνων'''
 +
Για την ανάπτυξη των μοντέλων μέτρησης των υπο μελέτη παραμέτρων έγινε στατιστική επεξεργασία (ανάλυση απλής ή πολλαπλής παλιδρόμησης) των ωκεανογραφικών και τηλεπισκοπικών δεδομένων. Όσον αφορά την συγκέντρωση χλωροφύλλης-α, ο αλγόριθμος που έδωσε τον καλύτερο συντελεστή συσχέτισης είναι ο εξής:
 +
                                logC = 0.62 + 0.176 (Band 2) - 3.445 (Band 1 / Band 2)
 +
όπου C: οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α που μετρήθηκαν στις 20/21-7-1994 και Band 1 και Band 2: οι λαμπρότητες των καναλιών 1 και 2 αντίστοιχα του δέκτη LANDSAT TM (2/8/1994) της Μυτιλήνης. Ο αλγόριθμος αυτός εφαρμόστηκε στην συνέχεια και στη δορυφορική εικόνα της Μυτιλήνης της 1/7/1994.  
 +
Όσον αφορά την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας, ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση είναι ο εξής:
 +
                                temp = 43.1 - 3.35 (Band 4 - Band 5) + 0.125 (Band 4 - Band 5)2
 +
όπου temp: οι θερμοκρασίες που μετρήθηκαν στις 6/10/1995 και Band 4 και Band 5, οι DN των κανελιών 4 και 5 αντίστοιχα του δέκτη AVHRR.
 +
 +
'''6. Εφαρμογή των μοντέλων στις εικόνες'''
-
• Τέλος στις εικόνες IKONOS λόγω του περιορισμένου αριθμού διαύλων (το φασματικό προφίλ της καμένης έκτασης, του νερού καθώς και των σκιαζόμενων περιοχών είναι παρόμοιο) παρατηρήθηκε δυσκολία στο διαχωρισμό της καμένης έκτασης από τις σκιαζόμενες περιοχές. Έτσι αναπτύχθηκε μια πολύπλοκη μεθοδολογία πολλών βημάτων που περιελάμβανε τη σύγκριση των φασματικών υπογραφών, την παραγωγή χρωματικών μοντέλων έντασης-απόχρωσης-κορεσμού (IHS),την παραγωγή NDVI, την επιλογή των διαύλων και των παραγώγων που φαίνεται να διαχωρίζουν καλύτερα την καμένη έκταση από άλλες κατηγορίες, την επιλογή δειγματοληπτικών περιοχών αντιπροσωπευτικών για την κάθε κατηγορία, τη χρήση της κανονικής ανάλυσης διάκρισης (CDA) και παραγωγή σκόρ διάκρισης και τέλος την χρήση επιβλεπόμενης ταξινόμησης με την χρήση των σκορ διάκρισης. Η ακρίβεια που επιτεύχθηκε ήταν της τάξης του 92.5%.
 
-
'''Αποτελέσματα'''
+
'''7. Κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων'''
 +
Για να γίνει πιο κατανοητή η χωρική κατανομή των υπό εξέταση παραμέτρων, οι τιμές που προέκυψαν από την εφαρμογή των μοντέλων κατηγοριοποιήθηκαν βάσει του πίνακα 2. Η κατηγοριοποίηση έγινε με τις διαδικασίες που περιγράφονται από τους Karydis & Tsirtsis. Οι τέσσερις κατηγορίες που προέκυψαν βάσει των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α αντιστοιχούν στα διάφορα ευτροφικά πεδία (1: εύτροφο, 2: βεβαρημένο μεσότροφο, 3: ελαφρώς μεσότροφο, 4: ολιγότροφο).
-
Η χρήση του κάθε τύπου εικόνας έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα:
 
-
• Αν και ο απεικονιστής AVHRR δεν δίνει την δυνατότητα εντοπισμού των περιοχών υγιούς βλάστησης μέσα στην περίμετρο της πυρκαγιάς είναι ο μοναδικός απεικονιστής με καθημερινή κάλυψη και με δεδομένα που διανέμονται ελεύθερα στο διαδίκτυο.  
+
<big>'''Αποτελέσματα και Συζήτηση'''</big>
 +
 +
Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων δίνονται υπο μορφή θεματικών χαρτών στο σχήμα 3. στο σχήμα 3α φαίνεται ότι υπάρχουν υψηλές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α στην παράκτια ζώνη της Ν. Λέσβου και ιδιαίτερα κοντά στο λιμάνι της πόλης της Μυτιλήνης, στην περιοχή της Θέρμης και στον κόλπο της Γέρας. Σημειώνεται εδώ ότι οι πολύ υψηλές τιμές κοντά στις ακτές δεν είναι αποτέλεσμα μόνο του φαινομένου του ευτροφισμού που παρατηρείται στις περιοχές αυτές κατά την θερινή περίοδο. Συμβάλλει ιδιαίτερα και το γεγονός ότι τα νερά είναι ρηχά με αποτέλεσμα η Η/Μ ακτινοβολία να σκεδάζεται στον βυθό και τα αντίστοιχα pixels των δορυφορικών εικόνων να δίνουν υψηλές ραδιομετρικές τιμές. Είναι εμφανές από το σχήμα 3β ότι τον μήνα Αύγουστο οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α έχουν μειωθεί αισθητά. Τέλος, όσον αφορά την κατανομή των θερμοκρασιών (σχήμα 3γ) παρατηρείται ότι διαμορφώνονται δύο πεδία. Το πρώτο βορείως της Μυτιλήνης που χαρακτηρίζεται από χαμηλές θερμοκρασίες και το δεύτερο νοτίως της Χίου που χαρακτηρίζεται από υψηλές θερμοκρασίες. Στην περιοχή που βρίσκεται μεταξύ Μυτιλήνης και Χίου παρατηρείται η παρουσία θερμού επιφανειακού στρώματος. Επίσης, υψηλές θερμοκρασίες παρατηρούνται στον Κόλπο της Καλλονής.
-
• Η χρήση των εικόνων LANDSAT TM έχει ως αποτέλεσμα τον ακριβή εντοπισμό αλλά και την παροχή λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με την καμένη έκταση αλλά είναι πολύ μεγάλος ο χρόνος κάλυψης ολόκληρου του πλανήτη
+
[[εικόνα:kitsiou_5.jpg|center|400px|]]
 +
'''Σχήμα 3: ''' (α) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (1-7-1994)
 +
(β) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (2-8-1994)(γ) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (14-10-1995)(Επεξήγηση κατηγοριών 1-4 στον Πίνακα 2)
-
• Η χρήση των εικόνων IKONOS έχει επίσης ως αποτέλεσμα τον ακριβή εντοπισμό αλλά και την παροχή πληροφοριών σχετικά με την καμένη έκταση όπως επίσης και την ικανότητα διαχωρισμού μεταξύ επικόρυφης και πυρκαγιάς εδάφους. Άλλα εισάγονται καινούργιοι τύποι θορύβου στην εικόνα (π.χ. οι σκιές των μεμονομένων υψηλών δέντρων εισάγουν θόρυβο που μπορεί να αποτελέσει πηγή σύγχησης με την καμένη έκταση).
 
-
'''Συμπεράσματα'''
 
-
Η ακριβής και λεπτομερής χαρτογράφηση της καμένης έκτασης, του βαθμού καταστροφής της βλάστησης, καθώς και η χαρτογράφηση της υγιούς βλάστησης μέσα στην περίμετρο της πυρκαγιάς αποτελούν σημαντικές πληροφορίες που βοηθούν στην καλύτερη διαχείριση της περιοχής που κάηκε. Οι πληροφορίες αυτές χρησιμοποιούνται μεταξύ άλλων για να εκτιμηθούν οι οικονομικές ζημιές και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις, να καταγραφούν οι αλλαγές στην χρήση και κάλυψη γης και να μοντελοποιηθούν οι ατμοσφαιρικές και κλιματικές επιπτώσεις από την καύση της βιομάζας.
+
<small>'''Πηγή: Κίτσιου Δ., Χατζόπουλος Ι., Καρύδης Μ.. Χρήση Δορυφορικών Εικόνων Landsat-TM και AVHRR για τη Μελέτη του Θαλάσσιου Περιβάλλοντος'''</small>
-
Στα πλαίσια της εργασίας βελτιώθηκαν υπάρχουσες τεχνικές ανάλυσης εικόνων AVHRR και TM με αποτέλεσμα τον διαχωρισμό των καμένων εκτάσεων από τις άλλες κατηγορίες κάλυψης γης με μεγαλύτερη ακρίβεια. Επιπλέον αναπτύχθηκαν καινούργιες τεχνικές ανάλυσης δορυφορικών δεδομένων IKONOS που είχαν επίσης σαν αποτέλεσμα τον ακριβή διαχωρισμό των καμένων εκτάσεων από τις άλλες κατηγορίες κάλυψης γης.
+

Παρούσα αναθεώρηση της 19:41, 3 Μαρτίου 2010

Περίληψη

Η ανάπτυξη των παράκτιων περιοχών είναι γνωστό ότι δημιουργεί περιβαλλοντικά προβλήματα. Όμως, η παράκτια ζώνη είναι ζωτικής σημασίας από οικονομικής απόψεως και κατά συνέπεια απαιτείται συστηματική παρακολούθηση για την ταχύτατη και αποτελεσματική εκτίμησης της ποιότητας του παράκτιου περιβάλλοντος και της προστασίας του. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη τηλεπισκοπικών μεθόδων είχε και σαν πεδίο εφαρμογής τις μελέτες θαλάσσιας ρύπανσης. Ειδικότερα δεδομένα από τους δείκτες AVHRR και LANDSAT-TM χωρικής διακριτικής ικανότητας 1.1 km και 30m αντίστοιχα, έχουν συμβάλει σημαντικά στην προσέγγιση του φαινομένου της θαλάσσιας ρύπανσης σε μεγάλη έκταση, διαδικασία δύσκολη, χρονοβόρα και συχνά αδύνατη με χρήση των κλασσικών ωκεανογραφικών μεθόδων.

Στην παρούσα εργασία επιχειρήθηκε αρχικά η ανάπτυξη θεματικών χαρτών που απεικονίζουν την χωρική κατανομή της συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α στην ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου βάσει των δεδομένων του δέκτη LANDSAT-TM και στη συνέχεια θεματικού χάρτη απεικόνισης της χωρικής κατανομής των θερμοκρασιών στο ΒΑ Αιγαίο βάσει των δεδομένων του δέκτη AVHRR. Στις περιοχές μελέτης διεξήχθησαν δειγματοληψίες σε ημερομηνίες κοντά με εκείνες της λήψης των αντίστοιχων δορυφορικών εικόνων, βάσει των οποίων αναπτύχθηκε αλγόριθμος/μοντέλο ικανό να περιγράψει τη σχέση ανάμεσα στην εξεταζόμενη παράμετρο και τις μετρούμενες τιμές στα διάφορα κανάλια του δέκτη. Η χωρική κατανομή κάθε παραμέτρου προέκυψε με την εφαρμογή αυτών των αλγορίθμων στις αντίστοιχες δορυφορικές εικόνες. η κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων που ακολούθησε, οδήγησε στην παραγωγή θεματικών χαρτών όπου τα όρια των χωρικών διακυμάνσεων της χλωροφύλλης-α και των θερμοκρασιών είναι σαφώς καθορισμένα. Απεικονίσεις τέτοιου είδους αποδεικνύονται πολύ χρήσιμες στην παράκτια διαχείριση όπου απαιτείται εκτίμηση της ποιότητας του θαλάσσιου περιβάλλοντος σε ευρεία χωρική κλίμακα συμπεριλαμβανομένων περιοχών όπου δεν είναι εύκολη η συλλογή δεδομένων πεδίου, όπως είναι η περιοχή του Αιγαίου Πελάγους με το σύμπλεγμα των νησιών.


Περιοχή Μελέτης και Πηγή Δεδομένων

Το πεδίο μελέτης είναι η θαλάσσια περιοχή των νησιών του ΒΑ Αιγαίου και ιδιαίτερα η ευρύτερη θαλάσσια περιοχή της Νήσου Λέσβου (Σχήμα 1).

Kitsiou 1.jpg

Σχήμα 1: Οι σταθμοί δειγματοληψίας στα ανατολικά παράλια της Ν. Λέσβου

Kitsiou 2.jpg

Σχήμα 2: Οι σταθμοί δειγματοληψίας στην ευρύτερη περιοχή της πόλης της Μυτιλήνης.


Τα δεδομένα πεδίου προέρχονται από δειγματοληψίες που διεξήχθησαν σε δίκτυο 37 σταθμών δειγματοληψίας στην ευρύτερη περιοχή του λιμένα της πόλης της Μυτιλήνης (Σχήμα 2). Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από δύο mini-σκηνές εικόνων του δέκτη LANDSAT-TM (1/7/1994 και 2/8/1994) και μιας δορυφορικής εικόνας του δέκτη AVHRR-NOAA/14 (14/10/1995), η οποία λήφθηκε από του δορυφορικό σταθμό του Πανεπιστημίου Αιγαίου. Οι ημερομηνίες των εικόνων βρίσκονται κοντά σε εκείνες που έγιναν δειγματοληψίες πεδίου.


Επεξεργασία Δορυφορικών Εικόνων

1. Γεωμετρική διόρθωση των εικόνων Η γεωμετρική διόρθωση έχει σαν σκοπό την μετατροπή των εικονοσυντεταγμένων σε πραγματικές συντεταγμένες εδάφους. Για να επιτευχθεί αυτό, επιλέχθηκαν σημεία εμφανή τόσο στην εικόνα όσο και στον αντίστοιχο χάρτη της περιοχής μελέτης (Επίγεια Σημεία Ελέγχου – Ground Control Points) με γνωστές συντεταγμένες εδάφους.


2. Αποκοπή των pixels της εικόνας που αντιστοιχούν στην ξηρά Δεδομένου ότι η μελέτη επιγκεντρώνεται στο θαλάσσιο περιβάλλον, στα pixels που αντιστοιχούν στην ξηρά δόθηκε η ραδιομετρική τιμή μηδέν, ώστε αυτά να μην λαμβάνονται υπόψη σε οποιαδήποτε περαιτέρω επεξεργασία.


3. Μετατροπή των ψηφιακών τιμών (Digital Numbers-DN) σε λαμπρότητα (Radiance) Για την μετατροπή των ψηφιακών εικόνων LANDSAT-TM σε λαπρότητα, χρησιμοποιήθηκε η σχέση, R (Watt/m2str) = Ao + A1 (DN),όπου οι τιμές των συντελεστών Ao και A1 για το κάθε κανάλι δίνονται στον πίνακα 1. για την επεξεργασία της εικόνας AVHRR χρησιμοποιήθηκαν οι ψηφιακές τιμές (DN) των pixels.

Kitsiou 3.jpg

Πίνακας 1: Συντελεστές Αο και Α1 για την μετατροπή των ψηφιακών τιμών των εικόνων LANDSAT-TM σε λαμπρότητα


Kitsiou 4.jpg

Πίνακας 2: Κατηγοριοποίηση αποτελεσμάτων χλωροφύλλης-α (chl-a) και θερμοκρασιών


4. Προσδιορισμός των σταθμών δειγματοληψίας στην εικόνα και υπολογισμός της λαμπρότητας που αντιστοιχεί στις θέσεις αυτές Ο προσδιορισμός της θέσης των σταθμών δειγματοληψίας πάνω στην εικόνα, είναι εύκολος δεδομένου ότι είναι γνωστές οι ακριβείς συντεταγμένες τους και οι συντεταγμένες της εικόνας ανήκουν στο Γεωγραφικό Σύστημα Συντεταγμένων.


5. Ανάπτυξη μοντέλων υπολογισμού των υπό μελέτη παραμέτρων απ δεδομένα των δορυφορικών εικόνων Για την ανάπτυξη των μοντέλων μέτρησης των υπο μελέτη παραμέτρων έγινε στατιστική επεξεργασία (ανάλυση απλής ή πολλαπλής παλιδρόμησης) των ωκεανογραφικών και τηλεπισκοπικών δεδομένων. Όσον αφορά την συγκέντρωση χλωροφύλλης-α, ο αλγόριθμος που έδωσε τον καλύτερο συντελεστή συσχέτισης είναι ο εξής: 

                                logC = 0.62 + 0.176 (Band 2) - 3.445 (Band 1 / Band 2)

όπου C: οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α που μετρήθηκαν στις 20/21-7-1994 και Band 1 και Band 2: οι λαμπρότητες των καναλιών 1 και 2 αντίστοιχα του δέκτη LANDSAT TM (2/8/1994) της Μυτιλήνης. Ο αλγόριθμος αυτός εφαρμόστηκε στην συνέχεια και στη δορυφορική εικόνα της Μυτιλήνης της 1/7/1994. Όσον αφορά την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας, ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση είναι ο εξής: 

                               temp = 43.1 - 3.35 (Band 4 - Band 5) + 0.125 (Band 4 - Band 5)2

όπου temp: οι θερμοκρασίες που μετρήθηκαν στις 6/10/1995 και Band 4 και Band 5, οι DN των κανελιών 4 και 5 αντίστοιχα του δέκτη AVHRR.

6. Εφαρμογή των μοντέλων στις εικόνες


7. Κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων Για να γίνει πιο κατανοητή η χωρική κατανομή των υπό εξέταση παραμέτρων, οι τιμές που προέκυψαν από την εφαρμογή των μοντέλων κατηγοριοποιήθηκαν βάσει του πίνακα 2. Η κατηγοριοποίηση έγινε με τις διαδικασίες που περιγράφονται από τους Karydis & Tsirtsis. Οι τέσσερις κατηγορίες που προέκυψαν βάσει των συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α αντιστοιχούν στα διάφορα ευτροφικά πεδία (1: εύτροφο, 2: βεβαρημένο μεσότροφο, 3: ελαφρώς μεσότροφο, 4: ολιγότροφο).


Αποτελέσματα και Συζήτηση

Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων δίνονται υπο μορφή θεματικών χαρτών στο σχήμα 3. στο σχήμα 3α φαίνεται ότι υπάρχουν υψηλές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α στην παράκτια ζώνη της Ν. Λέσβου και ιδιαίτερα κοντά στο λιμάνι της πόλης της Μυτιλήνης, στην περιοχή της Θέρμης και στον κόλπο της Γέρας. Σημειώνεται εδώ ότι οι πολύ υψηλές τιμές κοντά στις ακτές δεν είναι αποτέλεσμα μόνο του φαινομένου του ευτροφισμού που παρατηρείται στις περιοχές αυτές κατά την θερινή περίοδο. Συμβάλλει ιδιαίτερα και το γεγονός ότι τα νερά είναι ρηχά με αποτέλεσμα η Η/Μ ακτινοβολία να σκεδάζεται στον βυθό και τα αντίστοιχα pixels των δορυφορικών εικόνων να δίνουν υψηλές ραδιομετρικές τιμές. Είναι εμφανές από το σχήμα 3β ότι τον μήνα Αύγουστο οι συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α έχουν μειωθεί αισθητά. Τέλος, όσον αφορά την κατανομή των θερμοκρασιών (σχήμα 3γ) παρατηρείται ότι διαμορφώνονται δύο πεδία. Το πρώτο βορείως της Μυτιλήνης που χαρακτηρίζεται από χαμηλές θερμοκρασίες και το δεύτερο νοτίως της Χίου που χαρακτηρίζεται από υψηλές θερμοκρασίες. Στην περιοχή που βρίσκεται μεταξύ Μυτιλήνης και Χίου παρατηρείται η παρουσία θερμού επιφανειακού στρώματος. Επίσης, υψηλές θερμοκρασίες παρατηρούνται στον Κόλπο της Καλλονής.

Kitsiou 5.jpg

Σχήμα 3: (α) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (1-7-1994) (β) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (2-8-1994)(γ) Χωρική κατανομή της χλωροφύλλης-α βάσει δορυφορικών δεδομένων LANDSAT-TM (14-10-1995)(Επεξήγηση κατηγοριών 1-4 στον Πίνακα 2)


Πηγή: Κίτσιου Δ., Χατζόπουλος Ι., Καρύδης Μ.. Χρήση Δορυφορικών Εικόνων Landsat-TM και AVHRR για τη Μελέτη του Θαλάσσιου Περιβάλλοντος

Ανακτήθηκε από το "http://147.102.106.44/rs/wiki/index.php/%CE%A7%CF%81%CE%AE%CF%83%CE%B7_%CE%94%CE%BF%CF%81%CF%85%CF%86%CE%BF%CF%81%CE%B9%CE%BA%CF%8E%CE%BD_%CE%95%CE%B9%CE%BA%CF%8C%CE%BD%CF%89%CE%BD_Landsat_%E2%80%93_TM_%CE%BA%CE%B1%CE%B9_AVHRR_%CE%B3%CE%B9%CE%B1_%CF%84%CE%B7_%CE%9C%CE%B5%CE%BB%CE%AD%CF%84%CE%B7_%CF%84%CE%BF%CF%85_%CE%98%CE%B1%CE%BB%CE%AC%CF%83%CF%83%CE%B9%CE%BF%CF%85_%CE%A0%CE%B5%CF%81%CE%B9%CE%B2%CE%AC%CE%BB%CE%BB%CE%BF%CE%BD%CF%84%CE%BF%CF%82".
Προσωπικά εργαλεία