Χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων με τη χρήση δορυφορικών εικόνων χαμηλής, μέσης – υψηλής και πολύ υψηλής ευκρίνειας

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 20:03, 3 Μαρτίου 2010

Περίληψη

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.

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:

• 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,

• Η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων της χρήσης εικόνων από τους τρεις απεικονιστές στην χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων

Εισαγωγή

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:

• Τις αλλαγές στις παραδοσιακές χρήσεις της γης που έχουν ως αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση καύσιμης ύλης, και

• Την παγκόσμια κλιματική αλλαγή

Σχήμα 1: Από το 1960 μέχρι σήμερα παρατηρείται μεγάλη αύξηση στον αριθμό των πυρκαγιών

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.

Εικόνα 1: Θεματικός Χάρτης περιμέτρου πυρκαγιάς

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).

Εικόνα 2: Εναλλακτικές μορφές καταγραφής καμένων εκτάσεων

Υλικά και Μέθοδοι

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

• Μία εικόνα LANDSAT TM μετά την πυρκαγιά (19 Σεπτεμβρίου 1989)

• Μία IKONOS μετά την πυρκαγιά (17 Ιουλίου 2000)

• Οι περίμετροι των πυρκαγιών όπως αποτυπώθηκαν από τη Δασική υπηρεσία

• Ένα ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (ανάλυσης 10 μέτρων)

• Στοιχεία που συλλέχθηκαν μέσα στην έκταση που κάηκε το 2000 με τη χρήση GPS

• 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:

• 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%.

• 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

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.

• 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

• 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.

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.

Πηγή: Γήτας Ι.Ζ., Rishmawi K.N. Χαρτογράφηση Καμένων Εκτάσεων με τη Χρήση Δορυφορικών Εικόνων Μέσης-Υψηλής και Πολύ Υψηλής Ευκρίνειας