Οι ζημιές των σιτηρών από ξηρασία στο Νομό Λάρισας και η εκτίμηση τους με τη χρήση τηλεπισκόπησης και GIS

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 16:20, 19 Φεβρουαρίου 2013

Συγγραφείς: Nικόλαος Συλλαίος, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης,Τμήμα Γεωπονίας - Γεώργιος Πετσάνης, Ελληνικές Γεωργικές Ασφαλίσεις (ΕΛ.Γ.Α)

Πηγή: Toμέας Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής Σχολή Γεωπονίας, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

Εισαγωγή

Εικόνα 1 :Διάγραμμα κάλυψης του Ν. Λάρισας από τις δορυφορικές εικόνες οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες του έργου

Το φαινόμενο της ξηρασίας έπληξε σε μεγάλη έκταση τα σιτηρά του Ν. Λάρισας την άνοιξη του 2001, με αποτέλεσμα να σημειωθούν εκτεταμένες ζημιές στην παραγωγή. Οι απαιτήσεις του Υπουργείου Γεωργίας και του ΕΛ.Γ.Α. ήταν να γίνει αρχικά ποιοτική εκτίμηση της ζημιάς στα σιτηρά με τη χρήση των δορυφορικών εικόνων σε επίπεδο δημοτικών διαμερισμάτων και στη συνέχεια ποσοτικοποίηση της ζημιάς αυτής με βάση τις συλλεχθείσες πληροφορίες των γεωπόνων του ΕΛ.Γ.Α. και της Διεύθυνσης Γεωργίας του νομού Στην περίπτωση αυτή νέες μέθοδοι έπρεπε να δημιουργηθούν και να αξιολογηθούν στη βάση της διαχρονικότητας των δεδομένων και του Δείκτη Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς (NDVI). Τα δεδομένα που έπρεπε να μελετηθούν και να συνεκτιμηθούν με τη χρήση των δορυφορικών εικόνων αρχείου ήταν : 1)Τα συμπτώματα στη φυλλική επιφάνεια των καλλιεργουμένων με σιτηρά αγροτεμαχίων λόγω του φαινομένου της ξηρασίας 2)Τα σιτηρά αποτελούν την κύρια καλλιέργεια για το νομό Λάρισας 3)Σε ορισμένα Δ.Δ. οι παραγωγοί αναγκάστηκαν να ποτίσουν 4)Οι υπόλοιπες καλλιέργειες που συνυπήρχαν στην περιοχή και το έντονο ανάγλυφο στην περιοχή 5)Δεν υπάρχουν αξιοποιήσιμα κτηματολογικά δεδομένα 6)Οι απαιτήσεις του Υπουργείου Γεωργίας και του ΕΛ.Γ.Α. Η καθιερωμένη πρακτική διαδικασία για τη μελέτη ανάλογων φαινομένων με τη χρήση Δ.Τ. και Γ.Σ.Π. ακολουθεί τα εξής στάδια :

• Επιλογή κατάλληλων χρονικά δορυφορικών εικόνων.
• Επεξεργασία των εικόνων και αναγωγή τους σε επιθυμητό γεωγραφικό σύστημα αναφοράς.
• Λήψη φασματικών ταυτοτήτων’ από δειγματοληπτικές περιοχές
• Εφαρμογή τεχνικών ανάλυσης, μοντέλων και αλγορίθμων και δημιουργία τροποποιημένων εικόνων (π.χ. εικόνες δείκτη βλάστησης, σύνθετες εικόνες διαφορετικών χρονικών περιόδων).
• Εφαρμογή τεχνικών ταξινόμησης για την εξαγωγή ποιοτικά διαφοροποιημένων κλάσεων με βάση επιθυμητά κριτήρια.
• Υπέρθεση ορίων ‘γεωγραφικών μονάδων’ (π.χ. όρια δημοτικών διαμερισμάτων) με χρήση Γ.Σ.Π και εφαρμογή τεχνικών εκτατικής ποσόστωσης (% αναλογία) των κλάσεων ανά γεωγραφική μονάδα.
• Ποσοτικοποίηση των κλάσεων και αναγωγή σε τελικό ποσοστό ζημιάς με επιλογή ενιαίου συντελεστή ‘ολικής ζημιάς’ ανά κλάση.
• Στατιστικός και συγκριτικός έλεγχος της ακρίβειας των αποτελεσμάτων.

Εικόνα 2 :Δορυφορικές εικόνες SP1(a), SP2 (β), IR1 (γ), IR2 (δ) και SP3 (ε

Υλικά – Μέθοδοι

Με βάση την ημερομηνιακή εξέλιξη του φαινομένου της ξηρασίας στα σιτηρά έγινε προμήθεια και χρήση των εξής Δορυφορικών Εικόνων :

• Δύο πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Spot-2 διακριτικής ικανότητας 20 μέτρων, με ημερομηνίες λήψης 25-04-01 (SP1) και 06-07-01 (SP2) (εικόνα 2) που καλύπτουν το νότιο τμήμα του νομού Λάρισας (προϋπάρχουσες εικόνες). Τα όρια που καλύπτουν αυτές οι Δ.Ε σε σχέση με τα όρια του νομού Λάρισας, φαίνονται στην εικόνα 1.
• Μια πολυφασματική δορυφορική εικόνα Spot-1 (20 μ) με ημερομηνία λήψης 25-04-01 (SP3) (εικόνα 2) που καλύπτει το βόρειο-ανατολικό τμήμα του νομού Λάρισας
• Δύο πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες του δορυφόρου IRS-1C (Liss III) διακριτικής ικανότητας 25 μέτρων, με ημερομηνίες λήψης 23-03-02 (IR1) και 16-04-02 (IR2) (εικόνα 2) και κάλυψη όλου του νομού Λάρισας

Τα Ψηφιακά Διανυσματικά δεδομένα των ορίων δήμων Καποδίστρια και των δημοτικών διαμερισμάτων (Δ.Δ.) όλης της επικράτειας με γεωγραφικό σύστημα αναφοράς Ε.Γ.Σ.Α 87, χρησιμοποιήθηκαν για την απομόνωση των αντίστοιχων ορίων δήμων και Δ.Δ. του νομού Λάρισας.

Εικόνα 3 :Παράγωγες εικόνες συνδυασμένου ΝDVI SPOT Απριλίου-Ιουλίου 2001 (κόκκινο : κανάλι Απριλίου, Πράσινο: κανάλι Ιουλίου) και η ίδια εικόνα ταξινομημένη ως προς τον Δείκτη Βλάστησης (NDVI)

Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων

Η επεξεργασία όλων των δορυφορικών εικόνων (Δ.Ε.) έγιναν με το λογισμικό Erdas Imagine (8.5) Οι δορυφορικές εικόνες ‘επαναπροβλήθηκαν’ (re-projection) από το αρχικό ‘ενσωματωμένο’ σύστημα αναφοράς τους (U.T.M) σε Ε.Γ.Σ.Α. 87 και στη συνέχεια διορθώθηκαν γεωμετρικά (geometric correction) και έτσι προήλθαν οι παράγωγες εικόνες οι οποίες και χρησιμοποιήθηκαν για την τελική ανάλυση. Σε όλες τις παράγωγες εικόνες εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος του Δείκτη Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς (Normalized Difference Vegetation Index – NDVI) με ‘ομαλοποίηση σε ακέραιες τιμές’ (integer stretching). Με χρήση του Profile Tools (point, line, surface) του Erdas Imagine έγινε στις κατάλληλες παράγωγες εικόνες επισταμένη μελέτη σε όλη την ‘έκτασή’ τους, με στόχο την καταγραφή των ορίων τιμών NDVI οι οποίες θα διέκριναν κυρίως το σύνολο της βλάστησης από τις υπόλοιπες κλάσεις. Από τα ζεύγη των εικόνων NDVI του SPOT και του IRS δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχες παράγωγες εικόνες ‘διαχρονικά συνδυασμένου NDVI (temporal combined NDVI- tc_NDVI)’ οι οποίες αποτελούνται από δύο ‘κανάλια’ (layers) ΝDVI , που αντιστοιχούν στις δύο χρονικές περιόδους του κάθε ζεύγος εικόνων και αναφέρονται στην ίδια ακριβώς περιοχή (ανά ζεύγος).

Ταξινόμηση επεξεργασμένων δορυφορικών εικόνων σε κλάσεις

Ο δείκτης NDVI, συσχετίζεται άμεσα με την κατάσταση ή τα επίπεδα υγιούς ανάπτυξης και απόδοσης στις καλλιέργειες σιτηρών ή κατ’ επέκταση με τα επίπεδα ζημιάς που προκαλούνται από φυσικά φαινόμενα στις καλλιέργειες αυτές. Με κριτήριο τις χρονικές περιόδους λήψης των δορυφορικών εικόνων και την αναμενόμενη ‘συμπεριφορά’ της καλλιέργειας των σιτηρών σε συσχέτιση με το φαινόμενο της ξηρασίας, αναπτύχθηκαν δύο βασικές μεθοδολογίες ταξινόμησης που αφορούσαν τις παράγωγες εικόνες του σταδίου ‘διαχρονικά συνδυασμένου NDVI” (εικόνες 3 και 4), οι οποίες αποτελούνται από δύο ‘κανάλια’ (layers) ΝDVI , που αντιστοιχούν στις δύο χρονικές περιόδους του κάθε ζεύγος εικόνων και αναφέρονται στην ίδια ακριβώς περιοχή (ανά ζεύγος). Αυτό είχε ως στόχο την απομόνωση της καλλιέργειας των σιτηρών και την ποιοτική διαφοροποίηση των ζημιωθέντων σιτηρών σε κλάσεις.

Εικόνα 4 :Παράγωγες εικόνες ΝDVI IRS Απριλίου-Μαρτίου 2001 (κόκκινο : κανάλι Μαρτίου, Πράσινο: κανάλι Απριλίου) και η ίδια εικόνα ταξινομημένη ως προς τον Δείκτη Βλάστησης (NDVI)

Επεξεργασία ταξινομημένων εικόνων Γ.Σ.Π

Με σκοπό την ‘κατάτμηση’ των τριών ‘τελικών ταξινομημένων εικόνων’, ως προς τα όρια των ‘μονάδων αναλυτικού ενδιαφέροντος’ που ήταν τα δημοτικά διαμερίσματα, αλλά και την περαιτέρω ‘ποσοστικοποίηση’ των κλάσεων ταξινόμησης ανά Δ.Δ., χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Γ.Σ.Π. ArcView.

Συμπεράσματα

Η ανάλυση δορυφορικών εικόνων σε συνδυασμό με τις μεθοδολογίες των Γ.Σ.Π. δίνει τη δυνατότητα ταξινόμησης των επιπέδων ζημιάς σιτηρών σε ποιοτικές κλάσεις ζημιάς. Η ανάλυση αυτή απαιτεί τη χρήση εικόνων αρχείου ή εικόνων προγραμματισμένης λήψης σε κατάλληλες χρονικές περιόδους ανάλογα με το εξέλιξη των επιπτώσεων του ζημιογόνου αιτίου, ενώ παράλληλα κατά τη φυσιολογική ροή εργασιών, είναι απαραίτητη η λήψη δεδομένων υπαίθρου, που χρησιμοποιούνται ως ‘περιοχές εκπαίδευσης’ (training sites) κατά την επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Στην περίπτωση που δεν υπάρχουν κατάλληλες δειγματοληπτικές ‘περιοχές εκπαίδευσης’, απαιτείται η επιλογή και προμήθεια περισσότερων δορυφορικών εικόνων και η αναζήτηση και εφαρμογή εξειδικευμένων μεθοδολογίων που εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα της συγκριτικής διαχρονικής ανάλυσης. Η χρήση του τυπικού μοντέλου βλάστησης αποτελεί μια πρόσθετη τεχνική που μεγιστοποιεί την ακρίβεια του αναλυόμενου στατιστικού δείγματος βλάστησης. Η χρήση του χρονικά συνδυασμένου δείκτη βλάστησης (tc_NDVI) αποτελεί μια πρωτότυπη μεθοδολογία που βοηθάει καταλυτικά στην απομόνωση ή διαφοροποίηση των κλάσεων σιτηρών και στην τελική ποιοτική ταξινόμηση της ζημιάς αυτών. .Η συγκριτική ανάλυση των αποτελεσμάτων ταξινομήσεων υποδυκνύει τη σχετική ακρίβεια των εφαρμοσμένων μεθοδολογιών ταξινόμησης. Εξειδικευμένες τεχνικές Γ.Σ.Π. είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό της ποσοστιαίας σύνθεσης των κλάσεων ταξινόμησης ανά μονάδα (Δ.Δ.) μελέτης. Η μετατροπή των ποιοτικών κλάσεων ζημιάς σε ποσοτικές κλάσεις επιτυγχάνεται με επιλογή κατάλληλων συντελεστών μετατροπής (ποσοτικοποίηση). Με ανάλογο τρόπο και εφαρμογή των μεθοδολογίων, μπορούμε να έχουμε αποτελέσματα σε επίπεδο αγροτεμαχίου, με την προϋπόθεση της ύπαρξης ψηφιακών δεδομένων ορίων αγροτεμαχίων. Οι ‘παράπλευρες’ πληροφορίες της ανάλυσης (π.χ. δυνατότητα προσδιορισμού κλάσης καλλιέργειας βάμβακος), μπορεί να έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε σχετικές εργασίες.