Παρακολούθηση αποκατάστασης περιοχών εξόρυξης μέσω της Τηλεπισκόπησης και του GIS.

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 10:47, 16 Φεβρουαρίου 2018

Παρακολούθηση αποκατάστασης περιοχών εξόρυξης μέσω της Τηλεπισκόπησης και του GIS.

Πρωτότυπος τίτλος: Assessment of the capability of remote sensing and GIS techniques for monitoring reclamation success in coal mine degraded lands

Συγγραφείς: Shivesh Kishore Karan, Sukha Ranjan Samadder, Subodh Kumar Maiti

Πηγή: Journal of Environmental Management, July 2016, 272-283

Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, GIS, Εξόριση άνθρακα, NDVI, NDMI, Ινδία

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αντικείμενο της παρούσας είναι η διαχρονική παρακολούθηση των περιοχών εξόρυξης και η εκτίμηση της αποκατάστασης του χώρου. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι ο συνδυασμός της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την παρακολούθηση τέτοιων περιοχών και την αξιολόγηση ως προς την επαναχρησιμοποίηση τους καθώς αποτελούν κυρίως περιοχές κοντά σε αστικό ιστό.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η χρησιμοποίηση της Τηλεπισκόπησης και του GIS για τον προσδιορισμό των αλλαγών που σημειώθηκαν στο ορυχείο της Jharia στην Ινδία κατά τη διάρκεια 15 χρόνων. Τα ορυχεία ανέκαθεν αποτελούσαν σημαντική οικονομική δραστηριότητα προκαλώντας όμως ταυτόχρονα περιβαλλοντικά προβλήματα όπως ατμοσφαιρική ρύπανση, υποβάθμιση του εδάφους, υποβάθμιση της βλάστησης και δημιουργία μεγάλων χωματερών. Η παρακολούθηση και ανάλυση των χαρακτηριστικών του ορυχείου και των γύρω περιοχών παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατύπωση σωστών στρατηγικών διαχείρισης και αποκατάστασης του χώρου μετά το πέρας της λειτουργίας του. Οι συμβατικοί μέθοδοι παρακολούθησης, όπως εργασίες πεδίου και εργαστηριακές μελέτες, απαιτούν υψηλό εργατικό δυναμικό και χρόνο επομένως κρίνονται ακατάλληλες για μεγάλες περιοχές όπως αυτήν. Γι’ αυτό το λόγο τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές έχουν στραφεί στην Τηλεπισκόπηση και τα GIS για τέτοιες εργασίες και κυρίως για την περιβαλλοντική διαχείριση και τις γεωγραφικές αναλύσεις.

Εικόνα 1. Ο χάρτης της περιοχής μελέτης. Η θέση του ορυχείου σε σχέση με το Jharkhand και το Dhanbad.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Η παρούσα μελέτη χωρίστηκε σε δυο διαφορετικές φάσεις. Στο πρώτο μέρος αξιολογήθηκε η χωρική και χρονική μεταβολή στην κάλυψη της βλάστησης χρησιμοποιώντας τις μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης (SVM) στην τεχνική της επιβλεπόμενης ταξινόμησης, τον δείκτη αναλογικής βλάστησης (RVI), τον βελτιωμένο δείκτης βλάστησης (EVI), το δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI) και το δείκτη υγρασίας κανονικοποιημένης διαφοράς (NDMI). Το δεύτερο μέρος της μελέτης επικεντρώθηκε στην εύρεση της καταλληλότερης τεχνικής για την παρακολούθηση της αλλαγής στην κάλυψης της βλάστησης σε διάστημα 15 ετών.

Περιοχή Μελέτης

Το ορυχείο της Jharia βρίσκεται στην κοιλάδα του ποταμού Damodar και είναι γνωστό ως η αποκλειστική αποθήκη άνθρακα στη χώρα. Στην συγκεκριμένη εργασία μελετάται η περιοχή Block II του ορυχείου. Έχει έκταση περίπου 900 εκτάρια, αποτελείται από πολλαπλούς τύπους χρήσης γης και βρίσκεται βόρεια του ποταμού Damodar και δεξιά του ποταμού Jamunia. Απέχει 40 χλμ από το Dhanbad και βρίσκεται ανάμεσα στα γεωγραφικά πλάτη 23ο 47΄30΄΄ έως 23ο 46΄30΄΄ και γεωγραφικά μήκη 86ο 13΄30΄΄ έως 86ο 10΄30΄΄. Βροχοπτώσεις σημειώνονται κυρίως από Ιούνιο μέχρι Σεπτέμβριο. Το κλίμα της περιοχής είναι μεταβατικό μεταξύ ενός υγρού υποτροπικού κλίματος και ενός τροπικού υγρού και ξηρού κλίματος. Η μέγιστη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού φτάνει μέχρι και 48°C και η ελάχιστη θερμοκρασία φθάνει έως και 10 °C κατά τη χειμερινή περίοδο.

Πίνακας 1. Λεπτομέρειες δορυφορικών δεδομένων.

Συλλογή Δεδομένων

Για αυτή τη μελέτη συλλέχθηκαν δορυφορικά δεδομένα από την ιστοσελίδα της Αμερικάνικης Γεωλογικής Υπηρεσίας [USGS Earth Explorer]. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν πολυφασματικά δεδομένα από τον Landsat 5 TM και τον Landsat 8 OLI/TIRS. Προκειμένου να αποφευχθεί το φαινόμενο της μεταβολής της θερμοκρασίας και των βροχοπτώσεων στην κάλυψη της βλάστησης, αποκτήθηκαν εικοσιτετράωρες εικόνες της περιοχής μελέτης. Τα μετεωρολογικά δεδομένα συλλέχθηκαν από το Ινδικό Μετεωρολογικό Σταθμό στο Νέο Δελχί. Στις δορυφορικές εικόνες έγιναν ραδιομετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις μέσω του προγράμματος ERDAS Imagine και επιλέχθηκε το προβολικό σύστημα WGS 1984 στο ArcGIS 10.2.2 Οι λεπτομέρειες και οι ιδιότητες των δορυφορικών εικόνων, μαζί με τις βροχοπτώσεις και τη θερμοκρασία παρουσιάζονται στον πίνακα 1.

Τηλεπισκόπηση και ανάλυση GIS

ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ NDVI ΔΕΙΚΤΗ: Ένας από τους πιο δημοφιλείς δείκτες βλάστησης που χρησιμοποιεί στα πολυφασματικά δεδομένα είναι ο δείκτης βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Η βλάστηση απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία στην πλήρη φασματική περιοχή (PAR) και ανακλά την ηλιακή ακτινοβολία στη φασματική περιοχή κοντά στο εγγύς υπέρυθρο. Οι τιμές του κυμαίνονται πάντοτε μεταξύ -1 και +1, όπου οι αρνητικές τιμές δηλώνουν την απουσία βλάστησης. Οι τιμές του NDVI για τη βλάστηση είναι γενικά θετικές και κυμαίνονται από 0,2 έως 0,8, καθώς οι υψηλότερες τιμές του δείκτη συνδέονται με μεγαλύτερη έκταση πράσινου φύλλου και βιομάζα. Ο τύπος υπολογισμούς του είναι: NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ RVI ΔΕΙΚΤΗ: Ο δείκτης αναλογικής βλάστησης (RVI) είναι ο παλαιότερος και πρώτος δείκτης βλάστησης που χρησιμοποιήθηκε στην Τηλεπισκόπηση. Χρησιμοποιείται για τη διάκριση της βλάστησης από το γυμνό έδαφος και την απαλοιφή τοπογραφικών σκιών. Η πράσινη βλάστηση έχει μια μοναδική ιδιότητα να αντανακλάται έντονα στην περιοχή της εγγύς υπερύθρου, ενώ απορροφάται στην κόκκινη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Γι’ αυτό το λόγο το εικονοστοιχείο που έχει φωτεινό χρώμα, μετά τον υπολογισμό του συγκεκριμένου δείκτη, υποδηλώνει υγιής βλάστηση. Το RVI υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο: RVI=NIR/Red.

ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ EVI ΔΕΙΚΤΗ: Για τη βελτιστοποίηση της ένδειξης της βλάστησης σε περιοχές με υψηλή βιομάζα και τη γενικότερη παρακολούθηση της βλάστησης, αναπτύχθηκε ένας βελτιωμένος δείκτης βλάστησης (EVI) μέσω της αποσύνδεσης του σήματος και της μείωσης των ατμοσφαιρικών σφαλμάτων. Οι δύο δείκτες βλάστησης, NDVI και EVI, αλληλοσυμπληρώνονται στις μελέτες της παγκόσμιας βλάστησης και βελτιώνουν την ανίχνευση της αλλαγής της βλάστησης και την εξαγωγή των βιοφυσικών παραμέτρων. Ο τύπος υπολογισμούς του είναι: EVI= G* ((NIR-Red)/(NIR+C1*Red-C2*Blue+L))

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΧΡΗΣΗΣ ΓΗΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΙΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΩΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ (SVM): Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία για την ταξινόμηση των χρήσεων γης στις δορυφορικές εικόνες από το 2000 έως το 2015 είναι αυτή που χρησιμοποιεί τις μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης. Τα κύρια πλεονεκτήματα του SVM έναντι άλλων συμβατικών τεχνικών ταξινόμησης είναι ότι μπορεί να χειριστεί αρκετά σημαντικά, πολύπλευρα και κατακερματισμένα δεδομένα με σχετική ευκολία. Η βασική αρχή που χρησιμοποιεί ο SVM είναι η μεταφορά των δεδομένων στο «χώρο των χαρακτηριστικών», στον οποίο τα δεδομένα είναι γραμμικά διαχωριζόμενα και έχουν μεγαλύτερες διαστάσεις, όπου γίνεται ο υπολογισμός ενός πολυεπιπέδου μέγιστου διαχωρισμού των δύο τάξεων.

ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ NDMI ΔΕΙΚΤΗ: Ο τελευταίος δείκτης που υπολογίστηκε είναι ο δείκτης υγρασίας κανονικοποιήμενης διαφορας (NDMI). Έχει ανακαλυφθεί ότι η υγρασία συσχετίζεται άμεσα με τη βλάστηση και την κατανομή της στο χώρο. Αποτελεί δηλαδή μια ευαίσθητη παράμετρος για τη δομή και την υγεία της βλάστησης. Ο δείκτης NDMI υπολογίζεται από τον εξής τύπο: NDMI=(NIR-SWIR)/(NIR+SWIR).

ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΦΥΤΩΝ ΣΤΟ ΧΩΡΟ: Για τον υπολογισμό των παραπάνω στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν τρείς υπό-περιοχές έκτασης 10x10m, που περιείχαν 75 δένδρα η καθεμία. Η σχετική πυκνότητα όλων των διαφορετικών ειδών εντός των περιοχών καταγράφηκε στο πρόγραμμα. Στο ανώτερο έδαφος εφαρμόστηκε λάκκος φυτεύσεων μεγέθους 45x45x30 cm. Κατά το στάδιο της αποκατάστασης φυτεύτηκαν φυτά 3 έως 6 μηνών και χρησιμοποιήθηκαν πρόσθετα εργαλεία όπως κοπριά. Μετά από 3 χρόνια πραγματοποιήθηκε τακτικό κλάδεμα για την προώθηση της κάθετης ανάπτυξης της βλάστησης. Όλες οι εργασίες αποκατάστασης πραγματοποιήθηκαν κατά την έναρξη του μουσώνα (Ιούνιος Ιούλιος).