Χάρτης Μεταβολών Χρήσεων Γης για το Νομό Άρτας με Αξιοποίηση Μεθόδων και Τεχνικών Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:17, 24 Φεβρουαρίου 2010

5.ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια προσπάθεια αυτόματης ανίχνευσης και εντοπισμού αλλαγών χρήσεων εκμετάλλευσης γης, οι οποίες παρουσιάστηκαν στην γεωγραφική περιοχή του νομού Άρτας την περίοδο 1989 – 2000, με την αξιοποίηση μεθόδων και τεχνικών Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης. Για την εκπόνηση της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακά δορυφορικά τηλεπισκοπικά δεδομένα. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν 3 ψηφιακές δορυφορικές τηλεπισκοπικές απεικονίσεις Landsat 5 TM (17.9.1989), Landsat 7 ETM+ (16.4.2000), Landsat 7 ETM+ (22.8.2000), της υπό μελέτη περιοχής καθώς και τοπογραφικοί χάρτες και ψηφιακό μοντέλο αναγλύφου. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν στατιστικά δεδομένα που αφορούν την οικονομική, κοινωνική, πολιτική και πολιτιστική πραγματικότητα του Νομού με βάση στοιχεία τα οποία διατέθηκαν από την Ε.Σ.Υ.Ε.

Πραγματοποιήθηκαν επίγειοι έλεγχοι με σκοπό την εξακρίβωση της ορθότητας των στατιστικών δεδομένων αλλά και τον ορισμό περιοχών εκπαίδευσης για τους αλγόριθμους ταξινόμησης που χρησιμοποιήθηκαν. Σαν περιοχές εκπαίδευσης ορίστηκαν με συντεταγμένες εκτάσεις ομοιογενούς χρήσης/κάλυψης γης οι οποίες και φωτογραφήθηκαν. Για τον ορισμό των περιοχών εκπαίδευσης αξιοποιήθηκαν επίσης φωτοερμηνευτικά κλειδιά και τα αποτελέσματα μη επιβλεπόμενων ταξινομήσεων.

Ακολούθησαν επιβλεπόμενες ταξινομήσεις τα αποτελέσματα όμως των οποίων δεν κρίθηκαν καθόλου ικανοποιητικά για τις δομημένες περιοχές εξαιτίας της μικρής σε έκταση και άναρχης οικιστικής ανάπτυξης σε συνδυασμό με τη χαμηλή Διακριτική Ικανότητα / Διαχωριστική Δυνατότητα (ΔΙ/ΔΔ) των απεικονίσεων. Πιο συγκεκριμένα υπήρχε σύγχυση σε αρκετές κατηγορίες εξαιτίας της πληθώρας φασματικών υπογραφών που συναντώνται στην πόλη της Άρτας και οι οποίες συγχέονταν με θεματικές κατηγορίες όπως αποθέσεις ποταμών, βράχια, γυμνό έδαφος και αραιή βλάστηση. Επιπλέον, υπήρχε σύγχυση κατηγοριών οι οποίες θα έπρεπε να εμφανίζονται μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές και αφορούν κατά κύριο λόγο κατηγορίες βλάστησης.

Το έντονο ανάγλυφο της περιοχής και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της οδήγησαν, ύστερα από πολλές δοκιμαστικές, επιβλεπόμενες και μη ταξινομήσεις στο να ακολουθηθεί μια μεθοδολογία η οποία βασιζόταν στο διαχωρισμό του Νομού σε ορεινό και πεδινό. Με τη διαδικασία αυτή αποφεύχθηκε η σύγχυση θεματικών κατηγοριών βάσει της φασματικής τους υπογραφής, οι οποίες συναντώνται κατά κύριο λόγο σε ορεινές ή πεδινέςπεριοχές, ενώ παράλληλα, έκανε ευκολότερη και πιο συγκεκριμένη την ανίχνευση θεματικών υποκατηγοριών. Ορίστηκαν νέα ομοιογενή πολύγωνα εκπαίδευσης τα οποία να είναι όσο το δυνατόν πιο διακριτά σε όλες τις εικόνες. Η διαδικασία της επιβλεπόμενης ταξινόμησης έγινε ξεχωριστά για τις ορεινές και πεδινές περιοχές και τα αποτελέσματα που εξήχθησαν κρίνονται ικανοποιητικότερα από τις προηγούμενες διαδικασίες που ακολουθήθηκαν ενώ κατέστη δυνατή και η ανίχνευση και σύγκριση υποκατηγοριών βλάστησης,όπως πορτοκαλεώνες και ελαιώνες.

Ακολούθως, εφαρμόστηκε η μεθοδολογία, ανίχνευσης και απεικόνισης των μεταβολών χρήσεων γης με παράλληλο έλεγχο της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων, η οποία βασίζεται στη σύγκριση ταξινομήσεων με χρήση πινάκων ανίχνευσης μεταβολών. Η ανίχνευση μεταβολών πραγματοποιήθηκε ξεχωριστά για τις ορεινές και τις πεδινές περιοχές και δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχοι χάρτες μεταβολών στους οποίους παρουσιάζονταν τόσο οι εποχικές μεταβολές όσο και οι ανθρωπογενείς μεταβολές. Με βάση το πού παρατηρούνταν οι περισσότερες μετακινήσεις από μία κατηγορία σε άλλη, εντοπίστηκαν οι περιοχές και σχολιάστηκαν τα αίτια της εκάστοτε μεταβολής.

Τα σφάλματα τα οποία παρουσιάστηκαν ήταν έως ένα βαθμό αναμενόμενα και οφείλονται κατά κύριο λόγο στα ραδιομετρικά προβλήματα των απεικονίσεων τα οποία δεν ήταν δυνατόν να αντιμετωπιστούν, καθώς και στη χαμηλή διακριτική ικανότητα των Ψ.Τ.Α. οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν. Επίσης, το έντονο ανάγλυφο και η μορφολογία της περιοχής, η μεγάλη έκταση του νομού, οι διαφορετικές εποχές λήψης και η ύπαρξη πολλών μεικτών εικονοστοιχείων (εξαιτίας της χαμηλής ΔΙ/ΔΔ των απεικονίσεων) έχριζαν ιδιαίτερης προσοχής στον τρόπο εκπόνησης της μελέτης.

Η μεθοδολογία, η οποία χρησιμοποιήθηκε για τη διαχρονική μελέτη της περιοχής του Νομού Άρτης και την ανίχνευση μεταβολών διαμέσου του χρόνου, κρίνεται πολύ αποδοτική και χρήσιμη. Με την προϋπόθεση ότι υπάρχουν, τα κατάλληλα ποιοτικά και ποσοτικά δεδομένα και σε συνδυασμό με πληρέστερους επίγειους έλεγχους είναι δυνατό να εξαχθούν ακριβέστερα και πιο ορθολογικά αποτελέσματα.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Ο νομός Άρτας έχει έντονη μορφολογία και ανάγλυφο και παρουσιάζει μεγάλες διαφορές μεταξύ των ορεινών και των πεδινών περιοχών τόσο σε χρήσεις όσο και σε κοινωνική, οικιστική και οικονομική ανάπτυξη. Θα μπορούσε εύκολα ένας παρατηρητής να υποθέσει ότι πρόκειται για έναν νομό μεγάλων αντιθέσεων. Η χρησιμοποίηση όλων των διατιθέμενων δεδομένων (χαρτών, στατιστικών, Ψ.Τ.Α.) παράλληλα με την υλοποίηση επίγειων ελέγχων δίνουν χρήσιμα και αρκετά ακριβή αποτελέσματα παρέχοντας μια ολοκληρωμένη εικόνα της φυσικής και κοινωνικοοικονομικής πραγματικότητας ενώ παράλληλα προσφέρουν την δυνατότητα πρόβλεψης του μέλλοντος του νομού.

Πραγματοποιήθηκε παραγωγή μίας σειράς ταξινομήσεων για το Νομό Άρτης. Παρά το γεγονός ότι δεν κατέστη δυνατή η παραγωγή ταξινομήσεων υψηλής αξιοπιστίας, εξαιτίας κυρίως των ραδιομετρικών προβλημάτων αλλά και της χαμηλής ΔΙ/ΔΔ των Ψ.Τ.Α. οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν, πραγματοποιήθηκε η παραγωγή θεματικών χαρτών χρήσεων/καλύψεων γης για το Νομό Άρτης. Ακολούθως, εφαρμόστηκε η μεθοδολογία, ανίχνευσης και απεικόνισης των μεταβολών χρήσεων γης με παράλληλο έλεγχο της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων, η οποία βασίζεται στην σύγκριση ταξινομήσεων. Η μέθοδος αποδίδει πολύ παραστατικά αποτελέσματα και άμεση ποσοτικοποίηση των μεταβολών. Η ακρίβειά της όμως είναι άμεσα εξαρτημένη από την ακρίβεια των συγκρινόμενων ταξινομήσεων και μπορεί να οδηγήσει σε πολύ εσφαλμένα συμπεράσματα εάν αυτή δεν είναι διασφαλισμένη.

Αναφορικά με την μέθοδο που ακολουθήθηκε η χρησιμότητα της είναι αδιαμφισβήτη. Η αξιοπιστία της όμως έγκειται σε λεπτομέρειες οι οποίες εάν δεν πληρούνται μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα κυρίως στατιστικά, τα οποία για έναν μελετητή και γνώστη της περιοχής να είναι ανεπίτρεπτα. Τα σφάλματα τα οποία παρουσιάστηκαν ήταν έως ένα βαθμό αναμενόμενα και οφείλονται κατά κύριο λόγο στα ραδιομετρικά σφάλματα τα οποία δεν ήταν δυνατόν να αντιμετωπιστούν και στις χαμηλής διακριτικής ικανότητα Ψ.Τ.Α. οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν. Επίσης, το έντονο ανάγλυφο και η μορφολογία της περιοχής, η μεγάλη έκταση του νομού, οι διαφορετικές ημερομηνίες λήψης (11 χρόνια διαφορά λήψης) και κυρίως οι εποχικές τους διαφορές ήταν επίσης αναμενόμενο ότι έχριζαν ιδιαίτερης προσοχής στον τρόπο εκπόνησης της μελέτης. Άλλο ένα σημαντικό στοιχείο το οποίο δυσκόλεψε την διαδικασία των ταξινομήσεων ήταν ότι παρουσιάσθηκαν πάρα πολλά μεικτά εικονοστοιχεία (pixels) κάνοντας την κατηγοριοποίηση τους ιδιαίτερα δύσκολη κυρίως θεματικά λόγω χαμηλής ΔΙ/ΔΔ. Χαρακτηριστική περίπτωση αποτελεί η πόλη της Άρτας (Εικόνα 1).

Για την αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων ακολουθήθηκε μια διαφορετική σειρά στον τρόπο των ταξινομήσεων με πολλά δοκιμαστικά στάδια. Αρχικά έγινε φασματική ανίχνευση (μη επιβλεπόμενες ταξινομήσεις) για διαφορετικούς αριθμούς φασματικών κατηγοριών που σε συνδυασμό με τα ψευδέγχρωμα σύνθετα οδήγησαν σε μια προεπιλογή περιοχών εκπαίδευσης βασισμένη καθαρά στην φασματική υπογραφή των κατηγοριών. Τα πολύγωνα τα οποία προέκυψαν αρχικά ονοματίστηκαν σε γενικές θεματικές κατηγορίες ενώ αργότερα, μετά την πραγματοποίηση επιγείων ελέγχων, έγινε προσπάθεια ακριβούς ονοματισμού τους σε πρωτεύουσες και δευτερεύουσες θεματικές κατηγορίες. Παράλληλα εντοπίστηκαν νέες περιοχές, όσο το δυνατόν πιο ομοιογενείς, με σκοπό την χρήση τους ως εναλλακτικά πολύγωνα εκπαίδευσης καθώς και ελέγχου.

Εικ 2 Χωρική κατανομή του PW με βάση καταγραφές του AVHRR. Για κάθε φατνίο 5 x 5 km έχει υπολογιστεί η μέση τιμή για την περίοδο 2001 - 2005 για Ιανουάριο (α), Απρίλιο (β), Ιούλιο (γ) και Οκτώβριο (δ). Είναι εμφανής η χωρική μεταβλητότητα, καθώς και εποχιακή.

Το επόμενο βήμα ήταν η αφαίρεση των τμημάτων περιοχών από τους γύρω νομούς. Η επίδραση τους ήταν κυρίως στατιστική και δεν ήταν δυνατή η εξακρίβωσή τους με επιπλέον επίγειους ελέγχους. Ακολούθησε διαχωρισμός στις Ψ.Τ.Α. με στόχο να απομονώσει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που παρουσιάζονται στις ορεινές και πεδινές περιοχές για την αποφυγή συγχύσεων των κατηγοριών μεταξύ τους. Το τελευταίο στάδιο ήταν η παραγωγή και σύγκριση των ταξινομήσεων για κάθε τμήμα του νομού. Παρόλες τις προσπάθειες πολλά προβλήματα τα οποία οφείλονταν στην χαμηλή διακριτική ικανότητα και την ανάλυση των εικονοστοιχείων εξακολούθησαν να υφίστανται. Η διαδικασία όμως που ακολουθήθηκε μείωσε αισθητά αλλά όχι ολοκληρωτικά την επιρροή τους. Σε αυτό το σημείο η φωτοερμηνεία μπόρεσε να απομονώσει τις πηγές σφαλμάτων και να κρατήσει την πληροφορία η οποία θεματικά ήταν εξακριβωμένη. Η παραγωγή χαρτών μεταβολών για έναν γνώστη της περιοχής κρίνεται αρκετά ικανοποιητική ενώ η μέθοδος που ακολουθήθηκε, με χρήση καταλληλότερων και ακριβέστερων τηλεπισκοπικών δεδομένων, θα ήταν εξαιρετικά ακριβής. Η συνεργασία διεπιστημονικής ομάδας μελέτης με επιστήμονες και μηχανικούς έμπειρους σε τομείς επιστημών όπως γεωπονική, γεωλογία, τοπογραφία, υδρογραφία, στατιστική, οικονομία και σε συνδυασμό με ακριβέστερα δεδομένα Ψ.Τ.Α. θα έδινε πληρέστερα και καλύτερα αποτελέσματα σε ένα παρόμοιο εγχείρημα.

Συνοψίζοντας: • Η συμβολή των πληροφοριών της ΕΣΥΕ και των λοιπών δεδομένων (χαρτών, ατλάντων) βοήθησε στην πρόβλεψη και κατανόηση των ιδιαίτερων συνθηκών της περιοχής

• Τα δεδομένα εκπαίδευσης δεν ήταν πάντα αντιπροσωπευτικά των κατηγοριών εξαιτίας της χρονικής απόστασης των επίγειων ελέγχων (2007) από τη λήψη των Ψ.Τ.Α. (1989 και 2000)

• Με τον διαχωρισμό ορεινών και πεδινών περιοχών επιτεύχθηκαν καλύτερα αποτελέσματα στις ταξινομήσεις

• Παρά το γεγονός ότι οι ελλείψεις σφάλματος ήταν παραπάνω από ικανοποιητικές, λόγω ραδιομετρικών διαφορών και διαφορετικών ημερομηνιών λήψης των Ψ.Τ.Α., η σύγκριση των ταξινομήσεων δεν οδήγησε στην αναμενόμενη αξιοπιστία των αποτελεσμάτων

• Σε πολλές περιπτώσεις οι πίνακες μεταβολών παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές οι οποίες οφείλονται κυρίως στις διαφορετικές φασματικές υπογραφές των κατηγοριών, σε λάθη των ταξινομήσεων και ραδιομετρικό θόρυβο

• Η μέθοδος υπό ιδανικές συνθήκες θα ήταν πολύ πιο αποδοτική (με χρήση ραδιομετρικών διορθώσεων, μικρή χρονική απόσταση επιγείων ελέγχων από τις λήψεις κλπ)

• Η διαχρονική μελέτη της εξέλιξης των οικισμών της περιοχής θα παρουσίαζε μεγάλο ενδιαφέρον αλλά αυτό είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί με χρήση αυτόματων ταξινομήσεων ή ακόμα και φωτοερμηνείας LANDSAT TM απεικονίσεων εξαιτίας της μικρής έκτασης των οικισμών καθώς και της αραιής δόμησής τους.

• Παρόλες τις δυσκολίες τα αποτελέσματα της ανίχνευσης μεταβολών ήταν ενθαρρυντικά και η οπτικοποίησή τους πολύ παραστατική και χρήσιμη

• Για ολοκληρωμένη απόδοση και ασφαλέστερα συμπεράσματα η παρουσία διεπιστημονικής ομάδας κρίνεται απαραίτητη

Η μεθοδολογία, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την διαχρονική μελέτη της περιοχής του Νομού Άρτης και την ανίχνευση μεταβολών διαμέσου του χρόνου, κρίνεται πολύ αποδοτική και χρήσιμη και αν υπάρχουν, οι κατάλληλοι, επαρκείς, αξιόπιστοι και ορθολογικά χωρικά και χρονικά διαρθρωμένοι επίγειοι έλεγχοι (περιοχές εκπαίδευσης των ταξινομήσεων) σε συνδυασμό με πιο αξιόπιστα και λεπτομερέστερα τηλεπισκοπικά δεδομένα θα μπορεί να δίνει, αντίστοιχα, ακριβέστερα, πληρέστερα και συνεχώς πλέον αξιόπιστα αποτελέσματα.

Πηγή:Δημήτρης Χαριλόγης, Χάρτης Μεταβολών Χρήσεων Γης για το Νομό Άρτας με Αξιοποίηση Μεθόδων και Τεχνικών Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης