ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΣΤΡΑΦΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ IKONOS ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΕΤΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΗΜΙΑΣ ΤΗΣ ΞΗΡΑΝΣΗΣ ΤΗΣ ΚΕΦΑΛΛΗΝΙΑΚΗΣ ΕΛΑΤΗΣ ΣΤΟΝ ΕΘΝΙΚΟ ΔΡΥΜΟ ΠΑΡΝΗΘΑΣ.

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 22:01, 15 Φεβρουαρίου 2010

Συγγραφείς: Φωτεινή Ι. Κόκλα, Δημήτριος Π. Αργιαλάς, Κωνσταντίνος Κασσιός

Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης, Εργαστήριο Γεωγραφίας & Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων, Σχολή Αγρονόμων Τοπογράφων Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.

Στόχος

Σκοπός της μελέτης είναι η πιλοτική διερεύνηση της κατάστασης stress των ελάτων του δρυμού ανά βαθμίδα προσβολής βάσει της οδηγίας της ΕΟΚ (Ε.Ο.Κ / 1984 “Διάγνωση και κατάσταση ζημιών στα δάση”: έντονο stress: Ι, λιγότερο έντονο stress: ΙΙ, ασθενές stress: ΙΙΙ) χρησιμοποιώντας δύο περιβαλλοντικούς δείκτες, τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI) μέσω της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνων IKONOS, η οποία αποτελεί προχωρημένη μέθοδο τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με την in situ παρατήρηση και την μέτρηση του δείκτη φθορισμού (fluorescence) μέσω του φασματικού οργάνου PEA (Plant Efficiency Analyser).

Eικόνα 1:Τμήμα εικόνας IKONOS όπου σημαίνεται με γαλάζιο χρώμα η κατηγορία βλάστηση stress

Eικόνα 2:Τμήμα της εικόνας μετά την κατάτμηση.

Eικόνα 3: Η ταξινόμησή της.

Είδη δορυφορικών συστημάτων

Αξιοποιήθηκαν δεδομένα από το δορυφορικό σύστημα IKONOS.

Προεπεξεργασίες

Έγινε γεωμετρική διόρθωση των εικόνων με την βοήθεια του λογισμικού προγράμματος ER-Mapper 6.4, όπου για τη διαδικασία αυτή χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό μοντέλο εδάφους 1:20.000, καθώς επίγεια σημεία ελέγχου GCP’ s (Ground Control Points), τα οποία αναφέρονταν στα ζεύγη συντεταγμένων των κέντρων των δοκιμαστικών επιφανειών και των δένδρων ελάτης σε κατάσταση stress.

Ψηφιακές και προχωρημένες επεξεργασίες

• Αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνων IKONOS (έτος 2004), ανάλυσης 1μ, με τη βοήθεια του λογισμικού eCognition.

• Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε το έγχρωμο σύνθετο RGB:432 ώστε να τονιστεί η βλάστηση, όπου κατόπιν φωτοερμηνείας επιλέχθηκαν οι ακόλουθες κατηγορίες: 1. Blastisi no stress, 2. Blastisi stress I, 3. Blastisi stress II , 4. Blastisi stress III, 5. Gaiodi, 6. Skia.

• Η ανάλυσή της εικόνας Ikonos περιέλαβε ένα επίπεδο (Level 1) κατάτμησης (Segmentation). Για τον προσδιορισμό των βαρών των κριτηρίων κατάτμησης (φασματικό και σχήματος), ελήφθη υπόψη ότι η βλάστηση εμφανίζεται σε συγκεντρώσεις συμπαγείς, που διαφοροποιούνται φασματικά έντονα από τα ελάχιστα δομικά στοιχεία του χώρου (δρόμοι). Από τους συνδυασμούς που δοκιμάστηκαν, τα βέλτιστα αποτελέσματα απέδωσε ο συνδυασμός: φασματικό κριτήριο 0,8 και κριτήριο σχήματος 0,2. Το τελευταίο, μοιράστηκε με κατά 0,9 στο λείο της οριογραμμής και κατά 0,1 στο συμπαγές των τμημάτων. Με τη μεγάλη τιμή που δόθηκε στο φασματικό κριτήριο και στο λείο της οριογραμμής εξασφαλίστηκε να εντοπιστούν με ακρίβεια οι συγκεντρώσεις πρασίνου, ενώ ακόμη βοήθησε στο διαχωρισμό τους με άλλες φασματικά παρόμοιες κατηγορίες, όπως είναι η βλάστηση stress II, η βλάστηση stress I, κ.α. Στα κανάλια (4,3,2) δόθηκε η ίδια τιμή βάρους (=1), ώστε να γίνει πιο έντονη η διάκριση της βλάστησης. Η τιμή της παραμέτρου της κλίμακας επιλέχθηκε μικρή 4, με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν πάρα πολλά μικρά και συμπαγή αντικείμενα, τα οποία διευκόλυναν τον εντοπισμό των συγκεντρώσεων του πρασίνου και της σκιασμένης βλάστησης.

• Το επόμενο στάδιο αποτελεί η ταξινόμηση βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης με χρήση του φασματικού κριτηρίου του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (NDVI)(1),

NDVI = (ΝΙR - R)/ ( ΝΙR+ R) (1)

με τη βοήθεια της συνάρτησης ασαφούς συμμετοχής, τραπεζοειδούς μορφής, καθώς και τον λόγο ¼ για την κατηγορία gaiodi, χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση της ασαφούς λογικής, τραπεζοειδούς μορφής. Οι τιμές των εικονοστοιχείων (pixel) που παρουσιάζει ο δείκτης NDVI είναι μεταξύ του -1 έως +1, ενώ οι περιοχές που δεν φέρουν ίχνος βλάστησης δίνουν αρνητική τιμή ή τιμή που αγγίζει την τιμή μηδέν (0). Έτσι, μία αρνητική τιμή ή μία τιμή που αγγίζει το 0, σημαίνει ότι δεν υπάρχει βλάστηση, ενώ μία τιμή που αγγίζει το +1 (0,7-1) αντιπροσωπεύει την καλύτερη κατάσταση υγείας του φυτού. Η τελική επιλογή των ορίων των ασαφών συναρτήσεων που αντιστοιχούν στις ιδιότητες ndvi και το λόγο ¼, ήταν αποτέλεσμα μίας διαδικασίας αλλεπάλληλων δοκιμών, που πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια φωτοερμηνείας των απεικονίσεων των τιμών του γκρι αυτών των δύο μεταβλητών. Τα τελικά όρια που επιλέχθηκαν για τον ndvi είναι stress I: 0,01-0,17, stress II:0,17-0,27, stress III:0,27-0,36, no stress:0,36-0,8, skia: -0,3-0,01 και για τον ¼ είναι από 0,6 έως 1,1.

• Έγινε η ταξινόμηση βάσει της μεθόδου της εγγύτερης γειτνίασης (standard nearest neighbor) ως προς τις μέσες φασματικές τιμές στα τρία κανάλια, όπου διακρίθηκαν τα εξής: δένδρα που δεν παρουσιάζουν stress (NDVI: 0,36- 0,8), δένδρα που έχουν ασθενές stress III (NDVI: 0,27-0,36), δένδρα που έχουν αρκετό stress II (NDVI: 0,17-0,27), σε δένδρα που παρουσιάζουν έντονο stress I (NDVI: 0,01-0,17), ενώ για τον καλύτερο διαχωρισμό τους από τα υγιή δένδρα ελάτης (no stress) διακρίθηκαν και δένδρα που είναι σκιασμένα (skia: NDVI: -0,3-0,01), καθώς και μία επιπλέον κατηγορία: τα γαιώδη υλικά (gaiodi).

Χρήση επιπρόσθετων βάσεων δεδομένων και αποτελέσματα.

Αρχικά εντοπίστηκαν οι είκοσι (20) μόνιμες δοκιμαστικές επιφάνειες στο χώρο, οι οποίες είχαν χρησιμοποιηθεί σε παλαιότερη έρευνα (Τσόπελας, 2000), με σκοπό τη λήψη των δένδρων ελάτης σε κατάσταση stress με τη βοήθεια του ψηφιακού τοπογραφικού οργάνου GPS (GS50).

Από τις 20 δοκιμαστικές επιφάνειες επιλέχθηκαν μόνο 4 δοκιμαστικές επιφάνειες με τα εξής τοπογραφικά χαρακτηριστικά: επικρατούσες κλίσεις ήπιες (10% - 20%) ή μέτριες (>20% & <45%), έκθεση νότια, νοτιοανατολική, νοτιοδυτική, με σκοπό τη λήψη δειγμάτων βελόνων ελάτης για τη μέτρηση του δείκτη φθορισμού (fluorescecnce: Fv/Fm)1 που παρουσιάζουν τα δένδρα ελάτης στις διάφορες καταστάσεις stress ( Ι, ΙΙ, ΙΙΙ).

Τα δείγματα των βελόνων μετρήθηκαν με το φασματικό όργανο ΡΕΑ (Plant Efficiency Analyser), υπό εργαστηριακές συνθήκες και τα όρια των μετρήσεων του δείκτη φθορισμού (Fv/Fm) για τις τρεις κατηγορίες stress (I, II, III) της ελάτης είναι τα εξής.

Στη συνέχεια διερευνήθηκε ο βαθμός συσχέτισης του δείκτη φθορισμού με τους δύο προαναφερθέντες αβιοτικούς παράγοντες του περιβάλλοντος βάσει της εξίσωσης μετασχηματισμού Fischer (1)

z =(1/2) * [ln(1+x)/(1-x)] (1)

όπου z: Fv/Fm, χ: έκθεση ή χ: κλίση.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν πράγματι ότι σε πολύ μεγάλο βαθμό δύναται να χρησιμοποιηθεί ο συνδυασμός των δύο περιβαλλοντικών δεικτών: κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (ndvi) και του δείκτη φθορισμού (fluorescence) για την εκτίμηση της φυτοϋγειονομικής κατάστασης του ελατοδάσους και κατά προέκταση ενός δασικού περιβάλλοντος, με σκοπό την καλύτερη διαχείριση και προστασία του. Μελλοντικά προτείνεται η μελέτη του Κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης (ndvi) με την μέθοδο της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης τονίζοντας τα κριτήρια του σχήματος και όχι τόσο τα φασματικά κριτήρια, ενώ ακόμη προτείνεται η μελέτη του δείκτη φθορισμού (Fv/Fm) σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος.