Δεδομένα γήινης παρατήρησης και τεχνικές ΓΣΠ (GIS) για την αξιολόγηση της σεισμικής διακινδύνευσης στο δυτικό τμήμα του Κορινθιακού κόλπου

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 12:56, 29 Φεβρουαρίου 2012

Δεδομένα γήινης παρατήρησης και τεχνικές γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS) για την αξιολόγηση της σεισμικής διακινδύνευσης στο δυτικό τμήμα του Κορινθιακού κόλπου της Ελλάδας.

Συγγραφείς: Is. Parcharidis, C. Metaxas, and E. Vassilakis

Πηγή: http://pubs.casi.ca/doi/abs/10.5589/m06-019

Περίληψη Αυτή η μελέτη προσπαθεί να καταδείξει τη χρησιμότητα της διαφορικής συμβολομετρίας του ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) και των υψηλής διακριτικής ικανότητας δορυφορικών οπτικών δεδομένων για την αξιολόγηση σεισμικής διακινδύνευσης, χρησιμοποιώντας ένα γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών (GIS), στο δυτικό μέρος του Κορινθιακού Κόλπου, μια σεισμικά ενεργό περιοχή της Ελλάδας που υπέστη τα αποτελέσματα του σεισμού του Αιγίου (με μέγεθος Μ = 6.1) της 15ης Ιουνίου 1995. Κατά τη διάρκεια του προγράμματος, χρησιμοποιήθηκαν ευρωπαϊκά δεδομένα δορυφόρων τηλεπισκόπησης (ERS) , παλαιότερα (από το αρχείο) και πρόσφατα, για να παράξουν τα συμβατικά διαφορικά διαγράμματα κροσσών συμβολής (interferograms) και έναν χάρτη παραμόρφωσης της περιοχής. Μια εικόνα IKONOS-2 χρησιμοποιήθηκε για να δημιουργήσει και να ενημερώσει τις πληροφορίες που αφορούν στις αστικές δομές όπως τα κτίρια, τα οδικά δίκτυα, και τις εγκαταστάσεις όπως τα νοσοκομεία, τις εκκλησίες και τα εργοστάσια. Μια πρώτη προσπάθεια να αξιολογηθεί η συμβολή της γήινης παρατήρησης στην εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου δείχνει ότι, το διαφορικής συμβολομετρίας ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (DInSAR) είναι κατάλληλο μόνο για την παρακολούθηση της συν-σεισμικής παραμόρφωσης, και ότι τα πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας δεδομένα αποδίδουν πολύ καλά στη χαρτογράφηση των αστικών δομών.

Εισαγωγή Η παρούσα εργασία περιγράφει τα αποτελέσματα του προγράμματος Ε.Κ (σύντομος τίτλος ΄SNAP’) και αφορά στην επίδειξη της χρησιμότητας του διαφορικού ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (DInSAR) και των υψηλής ευκρίνειας οπτικών δεδομένων για την αξιολόγηση σεισμικής διακινδύνευσης, σε μια σεισμικά ενεργό περιοχή της Ελλάδας. Στη φάση μετριασμού των συνεπειών, η παρατήρηση της γης είναι χρήσιμη ως προς τη βασική χαρτογράφηση για την μέριμνα έκτακτης ανθρωπιστικής βοήθειας και για την εκτίμηση της τρωτότητας των εγκαταστάσεων και των κατασκευών (π.χ. σχεδιασμός κτηρίων). Στη φάση ανταπόκρισης η βελτιωτική συμβολή της γήινης παρατήρησης στη χαρτογράφηση καταστροφών είναι ένα ζήτημα πρωταρχικής σημασίας για τις υπηρεσίες ανθρωπιστικής βοήθειας, που πρέπει να εντοπίσουν τα πιθανά θύματα και τις υποδομές σε κίνδυνο, αλλά και για την ασφαλιστική βιομηχανία η οποία πρέπει να αξιολογήσει τις απώλειες. Το DInSAR είναι μια τεχνική που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της παραμόρφωσης του γήινου φλοιού, χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα ζευγάρια των εικόνων των ραντάρ συνθετικών ανοιγμάτων (SAR). Το DInSAR μπορεί να δώσει θεαματικές μετρήσεις των μεγάλης κλίμακας επίγειων παραμορφώσεων που συνδέονται με τα κύρια σεισμικά γεγονότα ,υπό τον όρο ότι η χρονική διαφορά και η οριζόντια γραμμή βάσης μεταξύ των δύο εικόνων SAR κρατιούνται μέσα στα κατάλληλα όρια. Πολλά παραδείγματα υπάρχουν, και τέτοια αποτελέσματα από μόνα τους προσφέρουν μοναδική εισαγωγή δεδομένων στα μοντέλα παραμορφώσεων, υποστηρίζουν την κατανόηση των λάθος μηχανισμών, και έχουν ακόμη επιτυχώς χρησιμοποιηθεί για την επαλήθευση των ασφαλιστικών αξιώσεων. Αν και συνήθως εφαρμόσιμη για το κύριο σεισμικό γεγονός, και ως εκ τούτου ίσως ως μια τεχνική αντιμετώπισης, η πληροφορία παραμόρφωσης μπορεί να παρέχει πολύτιμη κατανόηση του μηχανισμού λαθών και να αποτελέσει εισαγωγή στα μοντέλα πρόβλεψης στη φάση μετριασμού των συνεπειών. Η τεχνική ανάλυσης των μετατοπίσεων υποβιβάζεται από παραμέτρους όπως (ι) η απώλεια συνοχής, (ii) ατμοσφαιρικές επιδράσεις, (iii) αστάθμητη τοπογραφία, και (iv) περιορισμοί των οργάνων. Ο Κορινθιακός Κόλπος βρίσκεται στη Κεντρική Ελλάδα και χωρίζει την Πελοπόννησο από τη Στερεά Ελλάδα (εικόνα 1). Στη διάρκεια της δεκαετίας 1990-2000, η περιοχή επηρεάστηκε από δύο καταστρεπτικούς σεισμούς, έναν την 14 Ιουλίου 1993 ( M = 5.4) και έναν την 15 Ιουνίου 1995 (Μ=6.1).Έχει υπάρξει αξιοσημείωτο γεωλογικό και σεισμολογικό ενδιαφέρον στη περιοχή, από έναν μεγάλο αριθμό ερευνητών. Η Πάτρα είναι η μεγαλύτερη πόλη στη περιοχή μελέτης κι ένα από τα μεγαλύτερα οικονομικά και διοικητικά κέντρα της Δυτικής Ελλάδας.Οι κοινωνικές υποδομές της Πάτρας είναι υψηλής σημασίας για την ευρύτερη περιοχή και αποτελεί μεγάλο μεταφορικό κέντρο που είναι πιθανό να εξελιχθεί μετά τη κατασκευή νέων έργων υποδομών όπως η γέφυρα Ρίου-Αντιρίου και του νέου νοσοκομείου της.

Εικόνα 1. Δορυφορική εικόνα της Ελλάδας όπου φαίνεται το δυτικό τμήμα του Κορινθιακού Κόλπου (εικόνα μεσαίας ανάλυσης φασμαραδιόμετρου MERIS από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος.

Συλλογή οπτικών δεδομένων και δεδομένων SAR και επεξεργασία τους.

Δεδομένα SAR και επεξεργασία

Η αρχική συμβατική στρατηγική επεξεργασίας InSAR ήταν να επεξεργαστούν τα ζεύγη δεδομένων SAR με βάση τα στοιχεία inter-Bperp (το Bperp είναι μία συνιστώσα του ανύσματος βάσης, κάθετο στη κατεύθυνση της αντένας SAR του δορυφόρου) για αρχείο 4μηνης περιόδου λειτουργίας του δορυφόρου ERS. Αυτή η στρατηγική όμως βασίστηκε στην αξιοπιστία αρκετών δεδομένων με πολύ «αυστηρές» (<50m) διακυμάνσεις των Bperp. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των διαθέσιμων εικόνων ήταν κατώτερος του ιδανικού και οι Bperps ήταν έτσι αρκετά μεταβαλλόμενες. Αυτή η στρατηγική κατέστησε τη λύση των ατμοσφαιρικών ασαφειών/επιδράσεων δύσκολη λόγω της χρήσης των κοινών εικόνων που είχαν συγκεκριμένα επιλεγεί για να διαμορφώσουν μια αλυσίδα δεδομένων που εκτείνεται στο αρχείο. Ως εκ τούτου, τα ενός έτους ανεξάρτητα ζεύγη με μια χρονική επικάλυψη χρησιμοποιήθηκαν έτσι ώστε οι παρόμοιες περίοδοι καλύφθηκαν από τα ατμοσφαιρικά-ανεξάρτητα δεδομένα. Συνολικά παρήχθησαν 10 διαγράμματα κροσσών συμβολής (εικόνα 2). Η εικόνα συνοχής βελτιώθηκε οπτικά σε κάθε ζευγάρι εικόνας μετά από φιλτράρισμα, αλλά παρέμεινε χαμηλή σε πολλές περιπτώσεις. Όπως ήταν αναμενόμενο οι περιοχές με λίγη βλάστηση, όπως αυτή κοντά στη χερσόνησο της Ιτέας στα βορειοανατολικά ήταν πιο συνεχείς από τις μεγαλύτερου μέρους γεωργικές περιοχές στα νοτιοδυτικά των εικόνων. Πυκνά pattern κροσσών εμφανίστηκαν στη βορειοανατολική γωνία των περισσότερων διαγραμμάτων κροσσών συμβολής και ακολούθησαν τις σημαντικότερες κοιλάδες στην περιοχή. Δεν είναι σαφές κατά πόσον οι παρατηρούμενοι κροσσοί (που αντιστοιχούν σε μετατόπιση του εδάφους) έχουν τεκτονικά προκληθεί ή αν υπάρχουν ατμοσφαιρικές επιδράσεις που εμφανίζονται συστηματικά σε κάθε διάγραμμα , π.χ. λόγω της τοπογραφίας. Παρόλα αυτά υπάρχει ένας ξεχωριστός συσχετισμός μεταξύ τοπογραφίας και διακύμανσης φάσης. Το διαφορικό διάγραμμα κροσσών συμβολής του σεισμού του Αιγίου (εικόνα 2) της 15ης Ιουνίου 1995 (Μ=6.1) δείχνει οκτώ κροσσούς στη βορειότερη ακτή του Κορινθιακού Κόλπου που αντιστοιχούν σε 22 εκ. μετατόπισης εδάφους(κάθε κροσσός αντιστοιχεί σε 28 χιλιοστά μετατόπισης κατά μήκος της οπτικής επαφής της δέσμης του ραντάρ).

Οπτικά δεδομένα

Μία πολύ υψηλής ανάλυσης εικόνα του IKONOS-2 χρησιμοποιήθηκε για να ενσωματώσει πληροφορίες που αφορούν αστικές δομές, όπως κτίρια, οδικό δίκτυο και υποδομές όπως νοσοκομεία, εκκλησίες και εργοστάσια. Επιπρόσθετα δεδομένα ενσωματώθηκαν στο Γ.Σ.Π. όπως η ταξινόμηση κάλυψης γης χρησιμοποιώντας δεδομένα του θεματικού χαρτογράφου LANDSAT ΤΜ, υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας ένα επαναληπτικό μίγμα φασματικών και χειροκίνητων τεχνικών ταξινόμησης και, σεισμικά , έδωσαν το έναυσμα για την εκτίμηση του κινδύνου κατολισθήσεων λόγω σεισμικής δραστηριότητας, που αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό κίνδυνο για τους ανθρώπους που ζουν σε σεισμογενείς περιοχές.

Εικόνα 2. Διαγράμματα κροσσών συμβολής και διαφορικό διάγραμμα συμβολομετρίας .Στη βορειότερη ζώνη ακτογραμμής , οι κροσσοί που αντιπροσωπεύουν τις σχετικές μετακινήσεις είναι καθαρά ορατοί. Κάθε κύκλος RGB χρωμάτων, αντιστοιχεί σε 28χιλ. παραμόρφωσης κατά μήκος της οπτικής επαφής της δέσμης του ραντάρ.

Εικόνα 3. Πυκνότητα πληθυσμού (αριθμός κατοίκων ανά τετράγωνο) και υποδομές στη πόλη της Πάτρας , επικαλύπτουσες την δορυφορική εικόνα IKONOS.

Ανάπτυξη συστήματος διαχείρισης σεισμικής διακινδύνευσης

Μια βάση δεδομένων GIS συγκεντρώθηκε για την υποστήριξη της έρευνας καιτην ανάπτυξη ενός συστήματος διαχείρισης σεισμικής διακινδύνευσης. Το σύστημα χωρικά συμπίπτει με τα στοιχεία της ολικής σεισμικής διακινδύνευσης η οποία αποτελείται από τον κίνδυνο (γεωφυσικές παράμετροι), την έκθεση (πληθυσμός και ανάπτυξη) και την τρωτότητα (ικανότητα του πληθυσμού και της ανάπτυξης για να αντέχει τον κίνδυνο). Ειδικότερα, το σύστημα αυτό θα μπορούσε να επιδείξει έναν τρόπο καλύτερης κατανόησης των χωρικών παραμέτρων στις φάσεις ετοιμότητας και μετριασμού των συνεπειών μιας σεισμικής καταστροφής. Τα Γ.Σ.Π περιείχαν πληροφόρηση σε δύο κλίμακες, σε περιφερειακή και σε λεπτομερή, γύρω από τη πόλη της Πάτρας στη νοτιότερη ακτή του Κορινθιακού. Τα διαφορετικά επίπεδα του Γ.Σ.Π. , περιέχουν χάρτες σεισμικού κινδύνου, επίκεντρα σεισμών , κατολισθήσεις που προκλήθηκαν από σεισμούς, πυκνότητα πληθυσμού, κρίσιμες και άλλες εγκαταστάσεις, ταξινόμηση μεταφορών και κάλυψης γης, ηλικία κατασκευών και υλικά κατασκευής οικισμών, και ευαίσθητες-ευπαθείς κατασκευές (εικόνα 3). Το Γ.Σ.Π αποτέλεσε το βασικό αποθετήριο του μεγάλου ποσού χωρικών δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την έρευνα και εξελίχθηκε σε ένα σύστημα διαχείρισης σεισμικού κινδύνου, υπό την έννοια ότι επέτρεψε την ενσωμάτωση διαφόρων κινδύνων, της έκθεσης και της τρωτότητας για τη δημιουργία νέων χαρτών που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές πτυχές της σεισμικής διακινδύνευσης (εικόνα 4).

Εικόνα 4.Τρωτότητα οικισμών βασισμένη στους Αντισεισμικούς Κανονισμούς και τη γεωλογία της περιοχής της Πάτρας.

Συμπεράσματα

Σε αυτή την έρευνα η εφαρμογή του DInSAR είχε ως στόχο τη μέτρηση της συν-σεισμικής και δια-σεισμικής δραστηριότητας επειδή τα αποτελέσματα μπορούν να έχουν μεγάλο όφελος στη συναρμολόγηση ενός Γ.Π.Σ. Με την ενσωμάτωση αυτών των στοιχείων με άλλα σχετικά χωρικά δεδομένα, μπορεί να υλοποιηθεί ένα προηγμένο εργαλείο, χρήσιμο για την εκτίμηση των ζημιών και τη διαχείριση της αποκατάστασής τους, και που θα επιτρέπει τη στρατηγική χαρτογράφηση τονίζοντας τις περιοχές των μεγαλύτερων εδαφικών παραμορφώσεων.

Τα σημαντικότερα συμπεράσματα της μελέτης είναι:

(1)Οι μεγάλης κλίμακας μετατοπίσεις που σχετίζονται με τα κύρια σεισμικά γεγονότα μπορούν να παρατηρηθούν από τα συμβατικά ραντάρ DInSAR. Τα αποτελέσματα από μόνα τους μπορούν να εισαχθούν στα μοντέλα παραμορφώσεων και να μας παρέχουν κατανόηση του μηχανισμού λαθών. Το DInSAR, ωστόσο, δεν θεωρείται εργαλείο μέτρησης κινήσεων της κλίμακας χιλιοστών που συνδέονται με την ετήσια δια-σεισμική δραστηριότητα η οποία είναι μια κρίσιμη παράμετρος της σεισμικής διακινδύνευσης. Η υποβαθμισμένη διακριτική ικανότητα του συμβατικού InSAR καθιστά τη τεχνική καταλληλότερη για μεγαλύτερης κλίμακας μετακινήσεις όσον αφορά το μέγεθος και την κάλυψη, κι έτσι είναι πιο κατάλληλη για την μέτρηση του κυρίως γεγονότος του σεισμού.

(2) Η υψηλή ανάλυση των δεδομένων της γήινης παρατήρησης παρουσιάζει υψηλές επιδόσεις είτε ως προς την ενημέρωση και βελτίωση των υπαρχόντων δεδομένων είτε ως προς το να αποτελέσει τη βασική πηγή πληροφοριών για τις χρήσεις γης, τη κάλυψη γης και τη χαρτογράφηση αστικών δομών.