Συνδυασμένη χρήση τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών για την υποστήριξη της ενιαίας διαχείρισης υδατικών πόρων

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 12:49, 10 Φεβρουαρίου 2010

Πρωτότυπος Τίτλος: Συνδυασμένη χρήση τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών για την υποστήριξη της ενιαίας διαχείρισης υδατικών πόρων: Το έργο REALDEMS

Συγγραφείς: Χρυσουλάκης Ν. (Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Υπολογιστικών Μαθηματικών), Φείδας Χ. (Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Τμήμα Γεωγραφίας), Βελιανίτης Δ. (ΠΛΑΝΟ Α.Ε.)

Πηγή: Ινστιτούτο Υπολογιστικών Μαθηματικών (ΙΥΜ), http://www.iacm.forth.gr/index_main.php?l=gr&group=4&page=publications

1. Εισαγωγή

Η ορθολογική εκμετάλλευση και η ενιαία διαχείριση των υδατικών πόρων επιβάλλει την αντιμετώπιση του νερού συνολικά ως φυσικού πόρου και ως φυσικού αγαθού. Για το λόγο αυτό θεσπίστηκε πλαίσιο κοινοτικής δράσης στο πεδίο της πολιτικής υδάτων (Οδηγία 2000/60/EΚ). Η οδηγία αυτή καθιερώνει την διαχείριση σε επίπεδο λεκάνης απορροής ποταμού και ορίζει ότι εντός της λεκάνης θα εξασφαλίζεται η διοικητική διάρθρωση, απαιτώντας τη συνολική διαχείριση των υδάτων που ανήκουν στο ίδιο οικολογικό και υδρογεωλογικό σύστημα, είτε τα ύδατα αυτά είναι παρόντα ως υπόγεια, είτε ως επιφανειακά. Συνεπώς, η οδηγία απαιτεί ολοκληρωμένο υδατικό σχεδιασμό ανά ποτάμια λεκάνη. Η δημιουργία βάσεων δεδομένων που είναι απαραίτητες για την εφαρμογή της Οδηγίας απαιτεί τη χρήση σύγχρονων τεχνικών για την εκτίμηση χωρικών κατανομών φυσικών παραμέτρων καθώς και εργαστηριακών αναλύσεων για τον εντοπισμό χημικών ουσιών σε νερό και έδαφος. Στην πρώτη κατεύθυνση έρχεται να συμβάλλει το έργο REALDEMS (REmote sensing Application for Land cover and Digital Elevation Models Service), το οποίο εκπονήθηκε με χρηματοδότηση της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας από το Ίδρυμα Τεχνολογίας, το Jet Propulsion Laboratory της NASA, το Πανεπιστήμιο Αιγαίου και την εταιρεία PLANO A.E. Στόχος του έργου ήταν να εισάγει και να διαχύσει στην ελληνική επιστημονική κοινότητα τεχνογνωσία σχετική με την εφαρμογή σύγχρονων δορυφορικών τεχνικών για την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DEM: Digital Elevation Model) και θεματικών χαρτών κάλυψης γης σε τοπικό επίπεδο για την υποστήριξη τόσο του χαρακτηρισμού λεκανών απορροής, όσο και της εφαρμογής υδρολογικών μοντέλων, εφόσον για το χαρακτηρισμό, απαιτείται η γνώση της τοπογραφίας (DEM) και της κάλυψης του εδάφους (land cover), ενώ και τα δύο αυτά προϊόντα αποτελούν δεδομένα εισαγωγής για τα υδρολογικά μοντέλα.

2. Μεθοδολογία

Για τη δημιουργία των DEM από στερεοζεύγη εικόνων ASTER χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις φωτοσταθερών σημείων στο πεδίο (GCPs: Ground Control Points) με τη βοήθεια διαφορικού GPS (Global Positioning System). Για τη συλλογή των GCPs αρχικά έγινε η επιλογή των περιοχών στις οποίες θα λαμβάνονταν οι μετρήσεις. Στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν οι περιοχές αυτές στις εικόνες ASTER και εντοπίστηκαν σε αυτές διακριτά και εμφανή σημεία. Τα σημεία αυτά θα έπρεπε να είναι προσεχτικά επιλεγμένα έτσι ώστε αργότερα να μπορούν να προσδιοριστούν στην εικόνα με ακρίβεια ενός εικονοστοιχείου. Παραδείγματα τέτοιων σημείων είναι: διασταυρώσεις δρόμων, φάροι, λιμενοβραχίονες, γέφυρες ποταμών, απότομες στροφές κ.α.

Η εξαγωγή του DEM βασίστηκε στην αρχή του υπολογισμού του υψομέτρου μέσω της στερεοσκοπικής παράλλαξης. Για τον έλεγχο αξιοπιστίας του παραγόμενου DEM χρησιμοποιήθηκαν τριγωνομετρικά σημεία. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν το Orthoengine της PCI Geomatics (PCI, 2003) το οποίο διαθέτει φυσικό μοντέλο για το σύστημα ASTER. Το μοντέλο αυτό που χρησιμοποιείται για την αντιστοίχηση - σύνδεση των εικονοστοιχείων των εικόνων με τα αντίστοιχα σημεία στο έδαφος (υπολογισμός εσωτερικού και εξωτερικού προσανατολισμού), είναι ένα αυστηρό τροχιακό μοντέλο για την εξισορρόπηση και διόρθωση παραμορφώσεων της εικόνας που οφείλονται στη γεωμετρία των αισθητήρων, στην τροχιά του δορυφόρου, και στις μεταβολές του ύψους, του σχήματος της γης, της στροφής και του ανάγλυφου. Το μοντέλο επιλύθηκε αριθμητικά για κάθε προβολικό κέντρο, κάθε σκηνής ASTER με τη χρήση οριακών συνθηκών που προέκυψαν από τα GCPs.

Για την αξιολόγηση των παραγόμενων DEM χρησιμοποιήθηκαν τριγωνομετρικά σημεία της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού από χάρτες 1:5000, καθώς και σημεία ελέγχου που συλλέχθηκαν στο πεδίο και δεν χρησιμοποιήθηκαν ως GCPs. Η αξιολόγηση στηρίχθηκε στην σύγκριση των υψών των τριγωνομετρικών σημείων με τα ύψη των αντίστοιχων σημείων του DEM. Λόγω της μεθοδολογίας στερεοταύτισης (cross correlation) το σφάλμα ως προς το οριζόντιο επίπεδο ήταν της τάξης μεγέθους του ενός εικονοστοιχείου (15 m). Συνεπώς, για τη σύγκριση των υψών ήταν αναγκαίο εξαλειφθεί το οριζόντιο (plannimetric) σφάλμα. Αυτό πραγματοποιήθηκε με τη δημιουργία κυκλικών ζωνών επέκτασης (buffers) ακτίνας 15 m γύρω από κάθε τριγωνομετρικό σημείο. Σε κάθε ζώνη επέκτασης με τον τρόπο αυτό αντιστοιχήθηκε ένα πολύγωνο (κυκλικός δίσκος) ακτίνας 15 m. Παρήχθη ένα σύνολο ζωνών επέκτασης σε 1:1 αντιστοιχία με τα τριγωνομετρικά σημεία και υπολογίστηκε για καθένα η μέση τιμή του υψομέτρου των εικονοστοιχείων τα οποία περιλαμβάνονταν σε κάθε ζώνη επέκτασης. Κατόπιν, η τιμή αυτή συγκρίθηκε με την τιμή υψομέτρου του αντίστοιχου τριγωνομετρικού σημείου από το οποίο δημιουργήθηκε αρχικά το πολύγωνο ως ζώνη επέκτασης. Από τη σύγκριση αυτή προέκυψε το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE: Root Mean Square Error) το οποίο αποτελεί μέτρο της διαφοράς των δύο πηγών υψομέτρων.

Το παραχθέν DEM κάθε επιμέρους σκηνής ASTER χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια, σε συνδυασμό με τα διαθέσιμα GCPs, για την ορθοκανονικοποίηση των εικόνων των καναλιών του ορατού, του εγγύς υπερύθρου και του υπερύθρου μικρού μήκους κύματος της σκηνής (9 φασματικά κανάλια). Οι πολυφασματικές ορθοεικόνες που δημιουργήθηκαν από τις επιμέρους σκηνές, συνενώθηκαν κατόπιν σε μωσαικό ορθοεικόνων για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου και οι αντίστοιχοι χάρτες κάλυψης γης παρήχθησαν με φασματική ταξινόμηση στα μωσαϊκά αυτά. Λόγω των διαφορετικών συνθηκών λήψης (π.χ θέση του ήλιου, ημερομηνία λήψης, κατάσταση ατμόσφαιρας) των επιμέρους σκηνών ASTER υπήρχαν διαφορές στα φασματικά χαρακτηριστικά τους, με συνέπεια να πραγματοποιηθεί κανονικοποίηση των φασματικών χαρακτηριστικών των εικόνων πριν τη συνένωσή τους σε μωσαϊκό. Κατόπιν εφαρμόστηκε στα μωσαϊκά των εικόνων η μέθοδος της επιβλεπόμενης ταξινόμησης, με βάση την ικανότητα αναγνώρισης πεδίων και την a priori γνώση των στοιχείων ώστε ο αλγόριθμος ταξινόμησης να καθορίσει τα στατιστικά κριτήρια (φασματικές υπογραφές) για την ταξινόμηση των εικονοστοιχείων. Χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος της μέγιστης πιθανοφάνειας (Leica, 2002). Η επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση έγινε με βάση τη γνώση των δεδομένων της περιοχής (π.χ. υπάρχουσα βλάστηση) και των προς εξαγωγή τάξεων και καταγραφή των σημείων στο πεδίο με τη χρήση GPS. Για τον υπολογισμό της διαχωριστικότητας (separability) τάξεων με βάση τις φασματικές υπογραφές των περιοχών εκπαίδευσης, ελήφθησαν υπόψη αφενός η διακύμανση των υπογραφών στα 9 φασματικά κανάλια του ASTER και αφετέρου τα μέσα διανύσματα των υπογραφών.

3. Αποτελέσματα

Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται το παραγόμενο DEM για την περιοχή της Κρήτης, ως αποτέλεσμα της συνένωσης των DEM που παρήχθησαν από τις 12 επιμέρους σκηνές ASTER. Στην ίδια εικόνα παρατίθεται επίσης μια ψευδόχρωμη κωδικοποίησή του DEM της Κρήτης με το λευκό και τα σκούρα χρώματα να αντιστοιχούν σε μεγάλα υψόμετρα. Η ακτογραμμή έχει προστεθεί και στις δύο περιπτώσεις για λόγους εποπτείας. Για το σύνολο των σκηνών ASTER της περιοχής της Κρήτης το RMSE βρέθηκε στην πλειοψηφία των περιπτώσεων κάτω των 20 m, γεγονός που αποδεικνύει την αξιοπιστία της μεθόδου παραγωγής DEM και την καταλληλότητα των τελικών προϊόντων για εφαρμογές τοπικού χαρακτήρα, όπως ο χαρακτηρισμός λεκανών απορροής. Η πολύ καλή συσχέτιση μεταξύ των υψομέτρων των δύο αυτών πηγών για την Κρήτη συνολικά παρουσιάζεται στην εικόνα 2. Το μέγιστο υψόμετρο του παραχθέντος DEM είναι 2460 m, ο αριθμός των τριγωνομετρικών σημείων που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύγκριση ήταν 1854 και το RMSE που υπολογίστηκε είναι 18,7 m.

Εικόνα 1: Αποτέλεσμα της συνένωσης των παραγομένων DEM από κάθε σκηνή ASTER για την περιοχή της Κρήτης (άνω). Ψευδόχρωμη κωδικοποίηση. Το λευκό και τα σκούρα χρώματα να αντιστοιχούν σε μεγάλα υψόμετρα (κάτω).

Εικόνα 2: Συσχέτιση μεταξύ των υψομέτρων των τριγωνομετρικών σημείων και των υψομέτρων που προκύπτουν από το παραχθέν DEM για της Κρήτης συνολικά.

Επίσης, όπως φαίνεται στην εικόνα 3, λόγω της ομοιόμορφης κατανομής της διαφοράς των υψομέτρων μεταξύ τριγωνομετρικών και DEM σε σχέση με το πραγματικό υψόμετρο (τριγωνομετρικά), γίνεται φανερό ότι δεν υπάρχει συστηματικό σφάλμα της μεθόδου το οποίο να εξαρτάται από το υψόμετρο.

Εικόνα 3: Κατανομή της διαφοράς των υψομέτρων μεταξύ τριγωνομετρικών και DEM σε σχέση με το πραγματικό υψόμετρο για την περιοχή της Κρήτης συνολικά.

Η φασματική ταξινόμηση για την εξαγωγή της κάλυψης γης για Κρήτη και Λέσβο πραγματοποιήθηκε με χρήση των μωσαϊκών ορθοεικόνων της κάθε περιοχής. Για την περίπτωση της Λέσβου το σχήμα ταξινόμησης περιλάμβανε 10 τάξεις (υδάτινες περιοχές, αλυκές, αστικό περιβάλλον, γυμνό έδαφος, καλλιέργειες, κωνοφόρα, πλατύφυλλα, θαμνότοποι, ελαιώνες, χορτολίβαδα), αριθμός που θεωρήθηκε αντιπροσωπευτικός αφενός για την αποφυγή ασήμαντων (περισσότερων) τάξεων (με μικρή φασματική κάλυψη) και αφετέρου για την αποφυγή δημιουργίας λιγότερων τάξεων στις οποίες θα χάνονταν σημαντικό τμήμα πληροφορίας. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται ο θεματικός χάρτης κάλυψης γης για την περιοχή της Λέσβου. Στην ταξινομημένη αυτή εικόνα οι 10 τάξεις μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές ως προς την ομοιογένεια για κάθε είδος που έχει καταγραφεί. Το ανατολικό τμήμα της Λέσβου καλύπτεται κυρίως από δασικές εκτάσεις και ελαιώνες, ενώ το δυτικό τμήμα έχει χαμηλή ή καθόλου βλάστηση. Το μεγαλύτερο μέρος του νησιού καλύπτεται από ελαιώνες. Σημαντική έκταση κωνοφόρου δάσους εμφανίζεται στην κεντρική νήσο, ενώ στα νότιο-ανατολικά καταλήγει σε δάσος πλατύφυλλων. Το βόρειο τμήμα της νήσου περιλαμβάνει όλα τα είδη κάλυψης σε σχετικά ίδιες εκτάσεις. Για την εκτίμηση της ακρίβειας της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε χάρτης κάλυψης γης σε κλίμακα 1:10000 που είχε παραχθεί από το Πανεπιστήμιο Αιγαίου με βάση δορυφορικές εικόνες πολύ υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας. Χρησιμοποιήθηκαν 167 τυχαία κατανεμημένα σημεία ελέγχου στην εικόνα με μοναδικό κριτήριο η κάθε κατηγορία να περιλαμβάνει τουλάχιστον 5. Για να ελαχιστοποιηθούν κατά το δυνατόν τα σφάλματα λόγω μεγάλης διαφοράς στην κλίμακα των δύο χαρτών, επιλέχθηκε κάνναβος 3x3 εικονοστοιχείων γύρω από κάθε σημείο και αναγνωρίστηκε η τάξη με την απόλυτη πλειοψηφία. Με τα στοιχεία αυτά υπολογίζεται ο πίνακας σφαλμάτων (πίνακας 1) ο οποίος περιγράφει τις εμφανίσεις εικονοστοιχείων που ανήκουν σε κάθε τάξη από τις δύο εικόνες και υπολογίζει την ακρίβεια του χρήστη. Όπως φαίνεται από τα στοιχεία, στις έξι από τις δέκα περιπτώσεις η ακρίβεια του χρήστη είναι μικρότερη από την ακρίβεια του παραγωγού. Η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης κυμάνθηκε στο 61% που κρίνεται ικανοποιητικό για το είδος των διαθέσιμων δεδομένων.

Εικόνα 4: Χάρτης κάλυψης γης για την περιοχή της Λέσβου.

Πίνακας 1: Συγκεντρωτικός πίνακας ακρίβειας αποτελεσμάτων της ταξινόμησης.

4. Συμπεράσματα

Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκαν η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την δημιουργία DEM, ορθοεικόνων και θεματικών χαρτών κάλυψης γης με βάση στερεοσκοπικά και πολυφασματικά δεδομένα του ραδιομέτρου ASTER για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου, στα πλαίσια του έργου REALDEMS. Παρουσιάστηκαν επίσης κάποια από τα προϊόντα του έργου, καθώς τα αποτελέσματα της αξιολόγησής τους. Τα DEM προέκυψαν με εφαρμογή φωτογραμμετρικών μεθόδων σε στερεοζεύγη εικόνων ASTER που καλύπτουν τις περιοχές ενδιαφέροντος. Οι θεματικοί χάρτες κάλυψης γης παρήχθησαν με εφαρμογή μεθόδων επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε πολυφασματικά δεδομένα ASTER. Επιτόπιες παρατηρήσεις με τη βοήθεια GPS καθόρισαν τις φασματικές υπογραφές σε δεδομένες περιοχές εκπαίδευσης για την πραγματοποίηση της επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Συνοπτικά, τα μέχρι στιγμής προϊόντα του έργου, για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου είναι:

• DEM με ±15 - 20 m ακρίβεια σε οριζόντιο και κατακόρυφο επίπεδο.
• Ορθοκανονικές πολυφασματικές εικόνες ASTER (9 κανάλια) με χωρική διακριτική ικανότητα 15 m και ακρίβεια ± 15 m.
• Θεματικοί χάρτες κάλυψης γης.

Τα προϊόντα αυτά χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια, στα πλαίσια του έργου για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής (κλίσεις και προσανατολισμοί των επιφανειών, όρια των λεκανών απορροής, όρια των υπολεκανών κάθε λεκάνης, υδρογραφικό δίκτυο, καμπυλότητα επιφανειών κλπ.) με εφαρμογή τεχνικών ΓΣΠ σε συγκεκριμένες περιοχές εφαρμογής σε Κρήτη και Λέσβο. Αναλυτική περιγραφή του έργου REALDEMS υπάρχει στο δικτυακό τόπο: http://www.realdems.gr.