Αξιολόγηση της θεματικής πληροφορίας των διαύλων του LANDSAT-5 ΤΜ για την εκτίμηση παραμέτρων των δασικών συστάδων...

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 11:25, 11 Μαρτίου 2010

Αξιολόγηση της θεματικής πληροφορίας των διαύλων του LANDSAT-5 ΤΜ για την εκτίμηση παραμέτρων των δασικών συστάδων στη Χερσόνησο της Κασσάνδρας

Αντικείμενο: Το αντικείμενο έρευνας της συγκεκριμένης εφαρμογής είναι η δασική διαχείριση και πιο συγκεκριμένα η αξιολόγηση των μέσης-υψηλής ευκρίνειας δορυφορικών δεδομένων του Θεματικoύ Χαρτογράφου του LANDSAT-5 για τον υπολογισμό της πυκνότητας, της κυκλικής επιφάνειας, του ξυλώδες όγκου και της δασικής βιομάζας, ενός δασικού οικοσυστήματος υψηλού βαθμού ετερογένειας στη Βόρεια Ελλάδα.

Στόχος: Στόχος της παρούσας έρευνας είναι η εκτίμηση παραμέτρων των δασικών συστάδων στη Χερσόνησο της Κασσάνδρας μέσα από την αξιολόγηση της θεματικής πληροφορίας των διαύλων του Landsat-5 TM.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων / δέκτες-κανάλια: Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το Θεματικό Χαρτογράφο του LANDSAT-5, με ημερομηνία λήψης το Σεπτέμβριο του 1999. Η εικόνα αντιστοιχεί στο path 183 και row 32 της τροχιάς του δορυφόρου. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε μια δορυφορική εικόνα IKONOS με ημερομηνία λήψης τον Ιούνιο του 2000, και η οποία χρησιμοποιήθηκε κυρίως για τη γεωμετρική προσαρμογή της δορυφορικής εικόνας του LANDSAT όπως επίσης και για φωτοερμηνευτικούς σκοπούς. Τα κανάλια που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα 1, 2, 3, 4, 5 και 7.

Προεπεξεργασίες: Κατά το στάδιο της προεπεξεργασίας η δορυφορική εικόνα του LANDSAT διορθώθηκε ραδιομετρικά και γεωμετρικά. Η ραδιομετρική αναγωγή της εικόνας αναφέρεται καταρχήν στην αφαίρεση από κάθε εικονοστοιχείο των φασματικών διαύλων της τιμής μετατόπισης του ιστογράμματος από την αρχή των αξόνων (offset) λόγω των φαινομένων της σκέδασης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε τοπογραφική ομαλοποίηση της εικόνας. Αξιολογήθηκαν δύο μέθοδοι: η διόρθωση του ημίτονου και η C-διόρθωση (ημι-εμπειρική μέθοδος). Η διόρθωση του ημίτονου είναι μια αυστηρά τριγωνομετρική προσέγγιση, βασισμένη στην υπόθεση ότι τα αντικείμενα παρουσιάζουν φασματική συμπεριφορά σύμφωνα με το νόμο του Lambertian (δηλ. ομοιόμορφη αντανάκλαση τις προσπίπτουσας ακτινοβολίας προς όλες τις κατευθύνσεις), αδιαφορώντας για την επίδραση της ατμόσφαιρας.

Ψηφιακές επεξεργασίες /αλγόριθμοι και αποτελέσματα: Η ομαλοποιημένη εικόνα αξιολογήθηκε τόσο οπτικά όσο και στατιστικά και στη συνέχεια ταξινομήθηκαν η αρχική και η ομαλοποιημένη εικόνα για την επιπρόσθετη αξιολόγησή τους. Έπειτα εφαρμόστηκαν διάφοροι πολυφασματικοί μετασχηματισμοί και δείκτες βλάστησης. Τα μετασχηματισμένα συνθετικά κανάλια ενισχύουν χαρακτηριστικά που δεν είναι ευδιάκριτα στην αρχική εικόνα, διατηρούν σημαντικό ποσό της αρχικής πληροφορίας σε λιγότερες διαστάσεις, συσχετίζονται περισσότερο με ενδογενείς παράγοντες των οικοσυστημάτων και βελτιώνουν την ακρίβεια της ταξινόμησης. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν οι μη τυποποιημένες κύριες συνιστώσες, η συνιστώσα Greeness του μετασχηματισμού Τasseled Cap και κάποιοι δείκτες βλάστησης (PVI, TSAVI, NDVI, RVI). Στη συνέχεια, για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση της ομαλοποιημένης εικόνας εφαρμόστηκαν δυο διαφορετικοί αλγόριθμοι. Ο αλγόριθμος της μεγίστης πιθανοφάνειας, και οι συντελεστές γραμμικής διακριτικής συνάρτησης του Fisher. Η κυριότερη διαφορά μεταξύ αυτών είναι ότι ο αλγόριθμος της μέγιστης πιθανοφάνειας προϋποθέτει κανονικότητα των τιμών των δεδομένων και υπολογίζει την συνδιακύμανση για κάθε τάξη, ενώ αντίθετα η μέθοδος του Fisher δεν προϋποθέτει κάτι αντίστοιχο ενώ υπολογίζει ένα πίνακα συνδιακύμανσης μεταξύ των τάξεων. Ο κανόνας του Fisher, προσπαθεί να δημιουργήσει γραμμικούς συνδυασμούς των ανεξάρτητων μεταβλητών, έτσι ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη μεταξύ τους διακριτότητα σε ένα χώρο δύο διαστάσεων. Όταν η κατανομή των τάξεων είναι άγνωστη ή μη κανονική, είναι αναμενόμενο ο αλγόριθμος του Fisher να παρουσιάζει καλύτερα αποτελέσματα. Τέλος δοκιμάστηκαν διάφοροι συνδυασμοί των αρχικών καναλιών της τοπογραφικά ομαλοποιημένης εικόνας καθώς και συνδυασμοί πολυφασματικών μετασχηματισμών των αρχικών διαύλων για την εκτίμηση των δασικών παραμέτρων. Επιλέχτηκε η ανάλυση της παλινδρόμησης αντί διαφόρων αλγορίθμων ταξινόμησης και δεικτών γειτνίασης διότι είναι μια τεχνική η οποία εκμεταλλεύεται το σύνολο της πληροφορίας η οποία παρέχεται από μια συνεχή μεταβλητή (όπως είναι συνήθως οι δασικές παράμετροι).

Χρήση επιπρόσθετων χαρτών, βάσεων δεδομένων, GIS: Χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικοί χάρτες της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) , κλίμακας 1:5000.

Αιτιολόγηση αναγκαιότητά τους: Οι τοπογραφικοί χάρτες της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) κλίμακας 1:5000 που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα έρευνα, ήταν αναγκαίοι για τη ψηφιοποίηση των χωροσταθμικών καμπυλών ισοδιάστασης 20 μέτρων, με στόχο τη δημιουργία του τρισδιάστατου μοντέλου εδάφους της περιοχής έρευνας. Το τρισδιάστατο μοντέλο εδάφους (DTM), χωρικής διακριτικής ανάλυσης 30 μέτρων προέκυψε με τη μέθοδο ψηφιοποίησης TIN.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων: Για τις ανάγκες της έρευνας εγκαταστάθηκαν συνολικά 34 δειγματοληπτικές επιφάνειες με στρωματωποιημένη τυχαία δειγματοληψία για τη μέτρηση των πρωτογενών δασικών παραμέτρων βάση των οποίων εκτιμήθηκαν και οι υπόλοιπες. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι τα εξής (Πίνακας 1):

Πίνακας 1: Δασικές παράμετροι που μετρήθηκαν και εκτιμήθηκαν στις δειγματοληπτικές επιφάνειες

Όσον αφορά στη τοπογραφική ομαλοποίηση που πραγματοποιήθηκε στη δορυφορική εικόνα LANDSAT-5, αυτή ήταν επιτυχημένη και αναγκαία, εξαιτίας του έντονου ανάγλυφου της περιοχής μελέτης. Επίσης η ταξινόμηση που πραγματοποιήθηκε με τη χρήση των συντελεστών διακριτικής συνάρτησης του Fisher, βελτίωσε τη συνολική ακρίβεια ταξινόμησης όπως διαπιστώθηκε με τα σχετικά στατιστικά μέτρα (Πίνακας 2).

Πίνακας 2: Μήτρα σημαντικότητας για την αρχική και την τοπογραφικά ομαλοποιημένη εικόνα με τη χρήση του αλγόριθμου της μέγιστης πιθανοφάνειας και των συντελεστών του Fisher

Παρά το γεγονός ότι σε κάποια μοντέλα (π.χ. κυκλική επιφάνεια), η συσχέτιση κυμάνθηκε σε ικανοποιητικά επίπεδα, ένα μεγάλο ποσό της διακύμανσης των εξαρτημένων μεταβλητών, έμεινε ανεξήγητο κατά την εκτίμηση των δασικών παραμέτρων από τα μοντέλα της παλινδρόμησης. Όπως μπορεί να διαπιστωθεί σε όλους τους διαύλους πλην των ΤΜ4-5, το εύρος των τιμών είναι ιδιαίτερα μικρό (Σχήμα 1). Εντύπωση προκάλεσε το γεγονός, ότι ο δίαυλος ΤΜ5, δεν παρουσίασε αρνητική συσχέτιση, γεγονός όμως που ίσως εξηγείται από το στοιχείο ότι οι παράγοντες που ασκούν τη μεγαλύτερη επίδραση στις τιμές φωτεινότητας που καταγράφει ο φασματικός δίαυλος ΤΜ5, είναι οι σκιές και η περιεχόμενη στην κομοστέγη υγρασία. Ιδιαίτερα ο πρώτος παράγοντας στην περιοχή μελέτης παρουσίαζε πολύ μεγάλη μεταβλητότητα.

Σχήμα 1: Εύρος των ψηφιακών τιμών των εικονοστοιχείων, τα οποία αντιστοιχούν σε περιοχές καλυπτόμενες από χαλέπιο πεύκη. Διακρίνονται οι μέγιστες και οι ελάχιστες τιμές, καθώς και οι μέσες τιμές