Δημιουργία ορθοφωτογραφίας με χρήση εικόνας IKONOS και υψηλής ανάλυσης ΨΜΕ: η περίπτωση του ελέγχου ηφαιστειακού κινδύνου στο νησί Νίσυρος

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 18:24, 31 Ιανουαρίου 2012

Πρωτότυπος τίτλος: Orthophoto generation using IKONOS imagery and high-resolution DEM: a case study on volcanic hazard monitoring of Nisyros Island (Greece)

Συγγραφείς: S. Vassilopoulou, L. Hurni, V. Dietrich, E. Baltsavias, M. Pateraki, E. Lagios, I. Parcharidis

Έτος δημοσίευσης: 2002

Πηγή: Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 57 (2002) 24– 38 (elsevier)

1. Εισαγωγή

Τα νησιά Νίσυρος, Υάλη, Κως, Σαντορίνη, Μήλος, Πόρος, Αίγινα και η χερσόνησος των Μεθάνων αποτελούν το Ελληνικό Νησιωτικό Ηφαιστειακό Τόξο. Η ανατολική πλευρά του τόξου αυτού, που περιλαμβάνει τα νησιά Κως, Υάλη και Νίσυρος, φαίνεται να είναι πολύ ενεργή γεωδυναμικά, καθώς περιέχει το μεγαλύτερο όγκο ηφαιστειακού υλικού και έχει πολύ μεγάλη τεκτονική δραστηριότητα. Τα ενεργά ηφαίστεια κρύβουν πολλούς και σοβαρούς φυσικούς κινδύνους, ειδικά στις κατοικημένες περιοχές. Αυτοί οι κίνδυνοι μπορούν να εμφανιστούν ως συνδυασμοί σεισμών, εκρήξεων αερίων, υδροθερμικών εκρήξεων, ηφαιστειακών εκρήξεων, κατολισθήσεων, πλημμυρών, τσουνάμι κλπ. Για το λόγο αυτό, δημιουργήθηκε το ερευνητικό πρόγραμμα GEOWARN της Ευρωπαϊκής Ένωσης, μέσω του οποίου επιχειρείται ένα συνολικό πληροφοριακό, ηφαιστειολογικό, γεωφυσικό και γεωχημικό έργο για την εκτίμηση των ηφαιστειακών και σεισμικών κινδύνων του πλέον ενεργού τμήματος της Ανατολικής Μεσογείου, με τη βοήθεια μιας βάσης δεδομένων GIS και ενός ολοκληρωμένου πολυμεσικού γεω-χωρικού συστήματος της περιοχής. Τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης περιλαμβάνουν εικόνες από IKONOS, θερμικές εικόνες LANDSAT 7 TM και ETM+, ASTER και ERS SAR εικόνες για αναλύσεις παραμόρφωσεων. Το αποτέλεσμα αυτής της έρευνας είναι ένας χάρτης της Νισύρου, σε κλίμακα 1:10.000 που περιλαμβάνει ενημερωμένα τοπογραφικά αρχεία, χωρισμένα σε κατηγορίες, όπως οδικό δίκτυο, κτίρια και χρήσεις γης. Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιούνται εικόνες IKONOS (ανάλυσης 1μ.) και γίνεται ορθοαναγωγή με ψηφιακό μοντέλο εδάφους (ανάλυσης 2μ.). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται 38 επιλεγμένα σημεία ελέγχου εδάφους και η τελική εικόνα μεταφέρεται σε ΕΓΣΑ 87.

2. Δεδομένα εικόνας και προεπεξεργασία

Τα δεδομένα IKONOS περιλαμβάνουν πανχρωματικές εικόνες ανάλυσης 1μ., πολυφασματικές 4μ. (στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο) και βελτιστοποιημένες πολυφασματικές εικόνες 1μ., που περιλαμβάνουν 3 από τα 4 φασματικά κανάλια (Μπλέ, Πράσινο, Κόκκινο και Εγγύς Υπέρυθρο). Για την παρούσα έρευνα παραγγέλθηκαν φωτογραφίες από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Φωτογραφήσεων Χώρων, που περιλαμβάνουν τα κανάλια Πράσινο, Κόκκινο και Εγγύς Υπέρυθρο, σε ψευδοχρωματικές φωτογραφίες. Η καλυπτόμενη περιοχή είναι έκτασης 9,5x9,7χλμ., με κέντρο 36,59ο Βόρεια και 27,16ο Ανατολικά. Η πρώτη εικόνα είχε περίπου 10% επικάλυψη από σύννεφα, κυρίως στα ανατολικά και κεντρικά του νησιού. Στην εικόνα αυτή χρησιμοποιήθηκε ορθοαναγωγή, είχε σχεδόν ιδανικό αζιμούθιο για αισθητήρες και ακτινοβολία και έτσι οι σκιές σχεδόν ταυτίστηκαν με τις περιορισμένες περιοχές, χωρίς να οδηγηθούμε σε κορεσμό, εξαιτίας της έλλειψης έντονα ανακλαστικών επιφανειών κάθετα στη διεύθυνση της όρασης. Το υψόμετρο ήταν αρκετά καλό, καθώς επίσης και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες (έλλειψη ομίχλης). Οι Γεωεικόνες ήταν σε UTM προβολή (ζώνη 35), με δεδομένα WGS’84 και ονομαστική ακρίβεια 90% στα 50μ. Στη δεύτερη εικόνα υπάρχει μεγαλύτερη επικάλυψη από σύννεφα (περίπου 15%) και χρησιμοποιήθηκε για πιθανή αυτόματη εξαγωγή ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους, μέσω του συνδυασμού εικόνων.

Οι αρχικές εικόνες των 11-bit είχαν ελάχιστες/μέγιστες τιμές: Εγγύς Υπέρυθρο: 0/2008, Κόκκινο: 0/1866, Πράσινο: 87/1838. Έγινε γραμμική μείωση (ελαχίστων, μεγίστων) των τριών RGB καναλιών σε τιμές 0-255 και χωρίστηκαν σε ένα αρχείο ανά κανάλι με το λογισμικό IDL. Η μείωση έγινε ταυτόχρονα σε όλα τα κανάλια, για να μην αλλάξουν οι σχέσεις ανάμεσά τους. Τα κανάλια του Κόκκινου και του Εγγύος Υπερύθρου είχαν οπτικά καλύτερη ποιότητα και έδειξαν περισσότερη λεπτομέρεια, ειδικά το Εγγύς Υπέρυθρο στη βλάστηση. Οι αποτελεσματικές τιμές του γκρι των εικόνων 8-bit (εξαιρώντας τα έντονα σκούρα της θάλασσας) ήταν 30, 40 και 60 για τα κανάλια Πράσινο, Κόκκινο και Εγγύς Υπέρυθρο, αντίστοιχα. Το Εγγύς Υπέρυθρο είχε τη μεγαλύτερη αντίθεση και ήταν φωτεινότερο. Σε αυτό το κανάλι, επίσης, η βλάστηση φαίνεται φωτεινότερη από ότι στο Κόκκινο και στο Πράσινο, όμως οι χωματόδρομοι διακρίνονται δυσκολότερα από ότι στα άλλα δύο κανάλια. Στο Κόκκινο κανάλι διακρίνεται καλύτερα η υφή της βλάστησης. Τα κτήρια φαίνονταν το ίδιο σε όλα τα κανάλια, ενώ οι σκιές τους φαίνονταν καλύτερα στο Εγγύς Υπέρυθρο. Περισσότερη προεπεξεργασία, π.χ. μείωση θορύβου και ενίσχυση αντίθεσης, αποφασίστηκε να δοθεί κατευθείαν στις ορθοφωτογραφίες.

Εικ.1:Εικόνα IKONOS της Νισύρου, με σημεία ελέγχου εδάφους για ορθοαναφορά

Εικ.2:Παραδείγματα σημείων ελέγχου εδάφους και αντίστοιχες ποιότητες: καλή (αριστερά), μέτρια (μέση), κακή (δεξιά)

3. Καθορισμός σημείων ελέγχου εδάφους με χρήση διαφορικών μετρήσεων GPS (DGPS)

Χρησιμοποιήθηκαν δύο γεωδαιτικοί δέκτες GPS (WILD SR 299). Οι συντεταγμένες υπολογίστηκαν με δεσμούς σε μόνιμους σταθμούς GPS στο δίκτυο της Νισύρου, που αναφέρεται σε ένα στύλο στο νησί της Κω, περίπου 33χλμ. ΒΑ της Νισύρου. Ο στύλος αυτός έχει συντεταγμένες Χ=792,708.63μ., Υ=4,087,832.75μ. και ύψος=32.320μ. (σε ΕΓΣΑ ’87). Η ανάλυση και επεξεργασία των μετρήσεων του GPS έγιναν με το λογισμικό SKI Pro της Leica, και το τελικό αποτέλεσμα είχε απόκλιση στις συντεταγμένες 1-3χιλ. στο οριζόντιο επίπεδο και 2-5χιλ. στο κάθετο. Τα pixels των εικόνων IKONOS επαληθεύτηκαν επί τόπου με τη χρήση laptop και του λογισμικού ERDAS. Στην (Εικ.1) φαίνονται τα σημεία λήψης μέτρησης GPS, που καλύπτουν μια γκάμα υψομέτρων από 0μ. έως 400μ.. Η ακρίβεια των συντεταγμένων σε pixels υπολογίστηκε μεταξύ 0,5 και 2, με μέση τιμή το 1 pixel. Η (Εικ.2) δείχνει μερικά τυπικά παραδείγματα σημείων ελέγχου εδάφους και την οπτική τους ποιότητα. 4. Παραγωγή υψηλής ανάλυσης ψηφιακού μοντέλου εδάφους από τοπογραφικούς χάρτες 1:5000

Χρειάστηκε να παραχθεί ένα υψηλής ανάλυσης ψηφιακό μοντέλο εδάφους, καθώς δεν υπήρχε κάτι αντίστοιχο για το συγκεκριμένο νησί, ειδικά με ακρίβεια 2μ.. Για τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν αρκετά στοιχεία των τοπογραφικών χαρτών (ισοϋψείς, υψόμετρα, αποχετευτικό δίκτυο), τα στοιχεία αυτά ψηφιοποιήθηκαν και οργανώθηκαν σε επίπεδα με το πρόγραμμα Arc Info και το τελικό ψηφιακό μοντέλο είχε χωρική ανάλυση 2μ.

Τα βασικά δεδομένα εισόδου για την παραγωγή του ψηφιακού μοντέλου εδάφους ήταν ισοϋψείς με καλή πυκνότητα (ανά 10μ. και σε μερικές συγκεκριμένες περιοχές ανά 2-4μ.) σε συνδυασμό με υψόμετρα και αποχετευτικό δίκτυο. Στη συνέχεια, στα στοιχεία αυτά εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος Topogrid του προγράμματος Arc Info 8.2.

Για την επεξεργασία των τοπογραφικών και μορφολογικών δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το Arc Info 8.02 και το Arc View 3.2. Η επεξεργασία των δεδομένων αυτών μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα στάδια:

I.Εισαγωγή δεδομένων και σύνταξη επιπέδων

Ο χάρτης του νησιού από τη Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού (ΓΥΣ), σε κλίμακα 1:5000, σαρώθηκε από σαρωτή Optronics 5040 σε ανάλυση 254-dpi και κατόπιν γεωαναφέρθηκε σε ΕΓΣΑ ’87. Τα δεδομένα ψηφιοποιήθηκαν στην οθόνη με το Arc Scan και δημιουργήθηκαν θεματικά επίπεδα.

II.Μεταφορά των συντεταγμένων σε προβολικό σύστημα

Έγινε γεωαναφορά σε ΕΓΣΑ ’87, όπως προαναφέρθηκε.

III.Επιπλέον επεξεργασία

Εικ.3:Το υψηλής ανάλυσης ψηφιακό μοντέλο εδάφους της Νισύρου (πηγή: ΕΓΣΑ 1987, προβολή: ΤΜ)

Σε αυτό το στάδιο περιλαμβάνονται:

• Διόρθωση του προσανατολισμού των ποταμών, έτσι ώστε όλοι να καταλήγουν στην κατάντη
• Προσθήκη σημειακών υψομέτρων σε συγκεκριμένες περιοχές (π.χ. δίπλα στις ισοϋψείς, σε τριγωνομετρικά σημεία και σε σημειακά υψόμετρα), για καλύτερο προσδιορισμό συγκεκριμένων επίπεδων επιφανειών με κλίση 0-5%.
• Δημιουργία ενός πολυγώνου για να περιγραφεί η ακτογραμμή, με υψόμετρο 0.

IV.Αλγόριθμος Topogrid Ο αλγόριθμος Topogrid είναι μια μέθοδος παρεμβολής, ειδικά σχεδιασμένη για την δημιουργία υδρολογικά σωστών ψηφιακών μοντέλων εδάφους, βασισμένος στο λογισμικό ANUDEM. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους υψηλής ανάλυσης (μέγεθος κελιού=2μ.), σε κάναβο με 4118 σειρές και 4575 στήλες. Για να εκτιμηθεί η ποιότητα του ψηφιακού αυτού μοντέλου, δημιουργήθηκαν νέες ισοϋψείς και συγκρίθηκαν με τις αρχικές. Η απόκλιση ήταν της τάξης του 0.2-1μ. (Εικ.3)

5. Ορθοαναγωγή

Εικ.4:Η ορθοφωτογραφία της Νισύρου

Για τη διαδικασία της ορθοαναγωγής εξετάσθηκαν δύο μοντέλα αισθητήρων. Το πρώτο βασίστηκε σε πολυωνυμικές λειτουργίες χαρτογράφησης του Kratky και χρησιμοποίησε για τη μετατροπή πολυώνυμα αντικειμένου-εικόνας τετάρτου βαθμού. Όμως, ανάλογα με τον αριθμό και τη διανομή των σημείων ελέγχου εδάφους η μετατροπή μπορεί να είναι αδύναμη ή μη προσδιορισμένη. Αυτό συνέβη στην περίπτωση της συγκεκριμένης μελέτης, όπου η σύγκριση των στοιχείων της ορθοφωτογραφίας σε σχέση με το μοντέλο οδήγησε σε εντελώς παραμορφωμένα αποτελέσματα, με εξαίρεση το κεντρικό τμήμα του νησιού που περικλείονταν από σημεία ελέγχου εδάφους. Το δεύτερο μοντέλο χρησιμοποίησε εξευγενισμένο μετασχηματιαμό, με διορθώσεις στο ανάγλυφο. Καταρχήν, οι συντεταγμένες των σημείων ελέγχου εδάφους, μειώθηκαν με αναφορά σε ένα υψομετρικό επίπεδο (χωρίς να παίζει ρόλο η επιλογή του ύψους) και κατόπιν έγινε μετασχηματισμός αυτών των σημείων και των ισότιμών τους pixels, με υπολογισμό ελαχίστων τετραγώνων. Το δεύτερο μοντέλο έχει πολλά πλεονεκτήματα, σε σύγκριση με το πρώτο: ο χρόνος επεξεργασίας των δεδομένων στον υπολογιστή είναι μικρότερος, δεν χρειάζονται τόσο αυστηρά κριτήρια χωρικής διανομής των σημείων ελέγχου εδάφους και οι κατά προσέγγιση υπολογισμοί δεν οδηγούν σε λάθη. Επιπλέον, αυτό το μοντέλο οδηγεί σε μεγαλύτερη ακρίβεια της ορθοφωτογραφίας. Στο πρώτο μοντέλο, τη μια φορά χρησιμοποιήθηκαν και τα 38 σημεία ελέγχου εδάφους, ενώ την επόμενη χρησιμοποιήθηκαν τα 28 και τα υπόλοιπα 10 χρησιμοποιήθηκαν για επαλήθευση. Στο δεύτερο μοντέλο, αντίθετα, χρησιμοποιήθηκαν μόλις 4 σημεία. (Εικ.4)

6. Μετεπεξεργασία ορθοφωτογραφίας και οπτικοποίηση

Εικ.5:Η Φωτογραφία από το video που παρήχθη από την ορθοφωτογραφία και το ψηφιακό μοντέλο εδάφους, με το λογισμικό Erdas Virtual GIS

Καταρχήν εφαρμόστηκαν διάφορα φίλτρα και στα 3 κανάλια, για μείωση του θορύβου της εικόνας. Οι αρχικές και η μετεπεξεργασμένες ορθοφωτογραφίες κάθε καναλιού συγκρίθηκαν με RGB εικόνα στο Photoshop και οι τελευταίες ήταν πολύ πιο λεπτομερείς. Η μετεπεξεργασμένη εικόνα RGB μοιάζει περισσότερο με ασπρόμαυρη (εξαιτίας των εφαρμοσμένων φίλτρων Wallis), οπότε, για λόγους οπτικοποίησης, τα κανάλια αλλάζονται χειροκίνητα στο Photoshop. Καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται όμως αν στην εικόνα των 11-bits (πριν την παραγωγή ορθοφωτογραφίας) εφαρμοστεί τοπική δυναμική μείωση θορύβου και διάφορες βελτιστοποιημένες μειώσεις από τα 11-bits στα 8-bits. (Εικ.5)

7. Λοιπές εργασίες

Εικ.6:Ο ορθοαναφερμένη δορυφορική εικόνα IKONOS, με το επίπεδο των τοπογραφικών πληροφοριών (δρόμοι, κτήρια κλπ.)

Εικ.7:Ο ορθοαναφερμένη δορυφορική εικόνα IKONOS, με το επίπεδο των τεκτονικών χαρακτηριστικών (ρήγματα) και τις θέσεις του GPS

Χρησιμοποιώντας τις δύο εικόνες IKONOS που αναφέρθηκαν στην αρχή, με διαφορετικές τεχνικές και παραμέτρους συσχετισμών, χωρίς χειροκίνητη επεξεργασία παρά μόνο τον καθαρισμό από τα σύννεφα, η καλύτερη εκδοχή αποτελέσματος έδωσε τις ακόλουθες τιμές: Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα (RMS)=3,2μ., Μέση Τιμή=1,4μ., Μέγιστη Τυπική Απόκλιση=97,4μ.. Η τελική ορθοαναγωγή της εικόνας IKONOS αποδείχτηκε χρήσιμο εργαλείο για υψηλής ανάλυσης ορθοφωτογραφικούς χάρτες. Έτσι, με την αναπροσαρμογή του τοπογραφικού χάρτη της Νισύρου σε κλίμακα 1:10000, έγινε η αρχή για παραγωγή χαρτών με λεπτομερείς πληροφορίες σχετικές με όλα τα επίπεδα των τοπογραφικών δεδομένων. Με την μετεπεξεργασία, η ορθοφωτογραφία χρησιμοποιήθηκε για την αναπροσαρμογή του δικτύου των δρόμων και μονοπατιών του νησιού, ενώ για την καταγραφή οικιστικών συνόλων και την ταξινόμηση χρήσεων γης χρησιμοποιήθηκε η εικόνα χωρίς μετεπεξεργασία. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν η εκτύπωση της ορθοφωτογραφίας σε ink-jet εκτυπωτή με περασμένα πάνω τα διανυσματικά δεδομένα του τοπογραφικού χάρτη. Ο τελικός χάρτης περιελάμβανε όλα τα τοπογραφικά δεδομένα, ξανασχεδιασμένα χαρτογραφικά και ταξινομημένα στις κατηγορίες που προαναφέρθηκαν. Επιπρόσθετα, σχεδιάζεται ο συνδυασμός συγκεκριμένων επιπέδων με επιπρόσθετες θεματικές πληροφορίες, όπως γεωλογία, τεκτονική, σεισμικότητα κλπ, και με τις ορθοφωτογραφίες, για τη δημιουργία νέων χαρτών, βασισμένων σε φωτογραφίες. (Εικ.6,7)

8. Συμπεράσματα

Οι ορθοφωτογραφίες υψηλής ανάλυσης και ειδικότερα οι IKONOS (ανάλυσης 1μ.) μπορούν να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες όσον αφορά στη γεωλογία και τη γεωδυναμική μιας περιοχής, καθώς επίσης και να συμβάλλουν σε διάφορες γεω-περιβαλλοντικές εφαρμογές τόσο σε επίπεδο εργαστηρίου, όσο και στην επιτόπου μελέτη. Αυτές οι διορθωμένες δορυφορικές εικόνες, μπορούν:

• Να βοηθήσουν στην παραγωγή διαφόρων ορθοχαρτών, που έχουν σχέση με την τοπογραφία, τις χρήσεις γης, την τεκτονική, τη νεοτεκτονική, τη μορφοτεκτονική, τη γεωλογία και τη γεωμορφολογία
• Να αποτελέσουν σημείο αναφοράς για τη χωροθέτηση μετρήσεων ή σταθμών GPS σε εφαρμοσμένες αρχές γεωεπιστημών (γεωφυσική, σεισμολογία, θεωθερμία, γεωχημεία, υδρογεωλογία)

Συμπερασματικά, αυτές οι φωτογραφίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διαχειριστικά εργαλεία σε περιπτώσεις εκτάκτων σχεδιασμών, σε διαχείριση κρίσεων και σε διαδικασίες αξιολόγησης κατεστραμμένων περιοχών εξαιτίας φυσικών καταστροφών (πλημμύρες, πυρκαγιές, σεισμοί, ηφαιστειακές εκρήξεις), καθώς επίσης και ως χρήσιμα εργαλεία για απρόσιτες περιοχές, για τις οποίες δεν υπάρχει χαρτογράφηση. Συγκεκριμένα, η ορθοφωτογραφία IKONOS 2 του νησιού της Νισύρου και τα παράγωγά της (όπως αυτά αναλύθηκαν παραπάνω), θα χρησιμεύσει ως πολύτιμο εργαλείο για την Έγκαιρη Προειδοποίηση και το Σχεδιασμό Έκτακτης Ανάγκης όσον αφορά στο Ηφαίστειο της Νισύρου.