Η συνδυασμένη χρήση τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών πληροφοριών για την υποστήριξη της ενιαίας διαχείρισης υδάτινων πόρων:το έργο REALBEMS

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 10:51, 6 Ιανουαρίου 2018

Αντικείμενο Εφαρμογής: Συνδυασμένη χρήση τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών για την υποστήριξη της ενιαίας διαχείρισης υδατικών πόρων: το έργο REALDEMS

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

Συγγραφείς: Χρυσουλάκης Νεκτάριος, Φείδας Χαράλαμπος, Βελιανίτης Δημήτρης

Λέξεις Κλειδιά:: ASTER, Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους, Θεµατικός Χάρτης Κάλυψης Εδάφους, Υδρολογικές Εφαρµογές.

ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Σε αυτή την μελέτη παρουσιάζονται η µεθοδολογία και τα αποτελέσµατα του έργου REALDEMS, στα πλαίσια του οποίου παρήχθησαν ψηφιακά µοντέλα εδάφους και θεµατικοί χάρτες κάλυψης γης για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου. Τα συγκεκριμένα προϊόντα παρήχθησαν µε χρήση δορυφορικής τεχνολογίας και συγκεκριµένα µε τηλεπισκοπικά δεδοµένα του ραδιοµέτρου ASTER (Advance Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer), δεδοµένα του παγκόσµιου συστήµατος προσδιορισµού θέσης, καθώς και επιτόπιων παρατηρήσεων. Τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους προέκυψαν μετά την εφαρµογή των φωτογραµµετρικών µεθόδων σε στερεοζεύγη εικόνων ASTER. Η ακρίβεια των ψηφιακών µοντέλων εδάφους που παρήχθησαν είναι της τάξης των 15 – 20 m. Οι θεµατικοί χάρτες κάλυψης του εδάφους παρήχθηκαν µε εφαρµογή µεθόδων επιβλεπόµενης ταξινόµησης σε πολυφασµατικά δεδοµένα ASTER. Επιτόπιες παρατηρήσεις καθόρισαν τις φασµατικές υπογραφές σε δεδοµένες περιοχές εκπαίδευσης για την πραγµατοποίηση της επιβλεπόµενης ταξινόµησης. Τα προϊόντα του έργου πρόκειται να χρησιµοποιηθούν στη συνέχεια για το χαρακτηρισµό λεκανών απορροής στις παραπάνω περιοχές µε χρήση Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών. Συνεπώς, αναµένεται να αποτελέσουν πολύτιµο εργαλείο για την υποστήριξη της διαχείρισης των υδάτινων πόρων στις περιοχές εφαρµογής.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η δηµιουργία βάσεων δεδοµένων 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). Στόχος του έργου είναι 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.

Το ραδιόµετρο ASTER (Advance Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer) , καλύπτει µία ευρεία φασµατική περιοχή από το ορατό µέχρι το θερµικό υπέρυθρο µε 14 φασµατικές ζώνες υψηλής χωρικής διακριτικής και ραδιοµετρικής ικανότητας. Το υποσύστηµα ορατού – εγγύς υπέρυθρου του ASTER, το οποίο αποτελείται από 3 φασµατικές ζώνες που κατοπτεύουν στο ναδίρ και µία επιπλέον η οποία κατοπτεύει προς τα πίσω, παρέχει στερεοσκοπική κάλυψη κατά µήκος της τροχιάς (along track). Στην διανυσµατική απεικόνιση (push broom), την οποία χρησιµοποιεί το σύστηµα ASTER, κάθε γραµµή της εικόνας έχει το δικό της προοπτικό σηµείο. Η θέση και ο προσανατολισµός της πλατφόρµας λήψης µπορεί να προσδιοριστεί και να περιγραφεί από 6 παραµέτρους, που όλες επηρεάζουν τη γεωµετρία της εικόνας. Οι παράµετροι αυτές είναι οι καρτεσιανές συντεταγµένες της θέσης της πλατφόρµας και οι τρεις γωνίες στροφής της. Πέραν των ανωτέρω παραγόντων, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την γεωµετρία της εικόνας, όπως η ταχύτητα της πλατφόρµας και το ανάγλυφο του εδάφους. Κατά κανόνα οι διάφορες πηγές γεωµετρικών παραµορφώσεων των εικόνων µπορούν να συνοψιστούν στις παραµορφώσεις που οφείλονται στον παρατηρητή και στις παραµορφώσεις που οφείλονται στο αντικείµενο παρατήρησης. Οι παραµορφώσεις αυτές απαιτούν µαθηµατικά µοντέλα για την διόρθωσή τους τα οποία περιγράφουν τη σχέση του συστήµατος αναφοράς της εικόνας µε το γεωδαιτικό σύστηµα. Υπάρχουν διαφόρων ειδών µοντέλα και αλγόριθµοι που έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό, όµως τα πιο ακριβή είναι τα φυσικά µοντέλα, τα οποία προσοµοιώνουν την τροχιά του δορυφόρου, τη γεωµετρία και την απόδοση των οπτικών συστηµάτων του, λαµβάνοντας υπόψη τις επικρατούσες συνθήκες κατά τη διάρκεια λήψης ενός στερεοζεύγους.

Για την παραγωγή DEM από εικόνες ASTER χρησιµοποιούνται δεδοµένα Επιπέδου 1. Κάθε στερεοζεύγος περιλαµβάνει εικόνες που έχουν ληφθεί στα φασµατικά κανάλια του εγγύς υπερύθρου µε κατακόρυφη και µε προς τα πίσω λήψη τα οποία παρέχουν µε τον τρόπο αυτό στερεοσκοπική κάλυψη. Η ακρίβεια των τελικών προϊόντων εξαρτάται από τις παραµορφώσεις της εικόνας, την ακρίβεια του εσωτερικού και εξωτερικού προσανατολισµού, την αξιοπιστία της διαδικασίας συσχέτισης και την ακρίβεια και την πυκνότητα των επίγειων σηµείου ελέγχου και την αναλογία βάση προς ύψος του υποσυστήµατος ορατού – εγγύς υπέρυθρου του ASTER. Οι τεχνικές στερεοταύτισης καθορίζουν την αντιστοιχία µεταξύ δύο περιοχών της εικόνας εξετάζοντας την οµοιότητα των ψηφιακών τιµών τους. Οι πιο γνωστές µέθοδοι αυτής της κατηγορίας είναι ο αλγόριθµος διασυσχετισµού (cross correlation) και ο αλγόριθµος συσχετισµού ελαχίστων τετραγώνων (least square correlation). Οι αλγόριθµοι αυτοί χρησιµοποιούν παράθυρα συσχέτισης που αποτελούνται από οµάδες εικονοστοιχείων και τα χαρακτηριστικά των οποίων χρησιµοποιούνται για τον εντοπισµό οµοειδών αντικειµένων στην επιφάνεια της γης που µπορούν να διακριθούν και στις δύο εικόνες. Πρακτικά, υπολογίζεται ο συντελεστής συσχέτισης µεταξύ του παραθύρου αναφοράς και κάθε παραθύρου αναζήτησης και εκείνο για το οποίο ο συντελεστής αυτός παρουσιάζει µέγιστο αντιστοιχείται στο παράθυρο αναφοράς.

Η κάλυψης του εδάφους, µπορεί να προκύψει από ανάλυση δορυφορικών καταγραφών µε εφαρµογή µεθόδων φασµατικής ταξινόµησης. Στις περισσότερες από τις παραπάνω εργασίες, επιχειρείται ταξινόµηση µε βάση την ψηφιακή τιµή κάθε εικονοστοιχείου, ωστόσο, η τεχνική αυτή δεν είναι πάντα αξιόπιστη σε ανοµοιογενείς επιφάνειες µε µικρή χωρική διάσταση στοιχείων.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα µέχρι στιγµής αποτελέσµατα του έργου REALDEMS και συγκεκριµένα τα DEM και οι θεµατικοί χάρτες κάλυψης γης που δηµιουργήθηκαν µε βάση στερεοσκοπικά και πολυφασµατικά δεδοµένα του ραδιοµέτρου ASTER για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου. Τα προϊόντα αυτά πρόκειται να χρησιµοποιηθούν στη συνέχεια για το χαρακτηρισµό λεκανών απορροής στις παραπάνω περιοχές µε χρήση Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ).

ΜΕΘΟ∆ΟΛΟΓΙΑ

Για τη δηµιουργία των DEM από στερεοζεύγη εικόνων ASTER χρησιµοποιήθηκαν µετρήσεις φωτοσταθερών σηµείων στο πεδίο (GCPs: Ground Control Points) µε τη βοήθεια του παγκόσµιου συστήµατος προσδιορισµού θέσης (GPS: Global Positioning System). Πριν από τις εργασίες πεδίου πραγµατοποιήθηκε έλεγχος της υψοµετρικής ακρίβειας του GPS για την αποφυγή σφαλµάτων στις µετρήσεις. Ο έλεγχος αυτός έγινε µε βάση µετρήσεις σε καλά καθορισµένα σηµεία (τριγωνοµετρικά). 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: ∆ιασταυρώσεις δρόµων, φάροι, λιµενοβραχίονες, γέφυρες ποταµών, απότοµες στροφές κ.α. Το όργανο προσδιορισµού θέσης που χρησιµοποιήθηκε ήταν ένα σύστηµα Trimble το οποίο διαθέτει το Ίδρυµα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ). Το σύστηµα αυτό αποτελείται από σταθµό βάσης, κινητό δέκτη και ειδικό λογισµικό για τη διαφόριση των µετρήσεων. Η λήψη των µετρήσεων έγινε µε την τεχνική του στατικού προσδιορισµού. Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε διαφόριση των µετρήσεων µε τη βοήθεια των δεδοµένων του σταθµού βάσης. Στη φάση αυτή για κάθε σηµείο ήταν γνωστές µε ακρίβεια της τάξης του µέτρου οι συντεταγµένες στο Ελληνικό γεωδαιτικό σύστηµα ΕΓΣΑ87, καθώς και το υψόµετρό του.

Η εξαγωγή DEM από τα δεδοµένα ASTER βασίστηκε στην αρχή του υπολογισµού του υψοµέτρου µέσω της στερεοσκοπικής παράλλαξης µε χρήση ειδικού λογισµικού. 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 που αναπτύχθηκε από το Canada Center for Remote Sensing (CCRS) 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. Με τη χρήση του λογισµικού Orthoengine η διαδικασία παραγωγής DEM από στερεοζεύγη ASTER περιλαµβάνει τα εξής βασικά βήµατα. α) Ορισµός προβολικού και γεωδαιτικού συστήµατος αναφοράς για τις εικόνες και τα GCP’s, β) εισαγωγή των εικόνων, γ) προσδιορισµός των GCP’s και των σηµείων σύνδεσης (TPs: Tie Points) στα ζεύγη των εικόνων, δ) δηµιουργία επιπολικών ζευγών, αυτόµατη εξαγωγή και γεωκωδικοποίηση του DEM. Κατά τον υπολογισµό του µοντέλου, προσδιορίζεται η θέση και ο προσανατολισµός του αισθητήρα τη στιγµή της λήψης. Αρχή του µοντέλου είναι η συνθήκη συγγραµµικότητας, η οποία απαιτεί το εστιακό κέντρο, το τυχόν σηµείο στην επιφάνεια του εδάφους και το αντίστοιχό του σηµείο στην εικόνα να βρίσκονται στην ίδια ευθεία. Η συνθήκη συγγραµµικότητας χρησιµοποιείται στη µετατροπή συντεταγµένων από το χώρο της εικόνας, στο χώρο της επιφάνειας της γης και αντικατοπτρίζει τη φυσική πραγµατικότητα της οπτικής γεωµετρίας, λαµβάνοντας υπόψη όλες τις παραµορφώσεις που υπεισέρχονται κατά την καταγραφή της εικόνας, όπως για παράδειγµα θέση, ταχύτητα και προσανατολισµός του δορυφόρου, χρόνος καταγραφής και οπτικό πεδίο του αισθητήρα, γεωειδές, ελλειψοειδές, ανάγλυφο και χαρτογραφική προβολή των δεδοµένων. Το µοντέλο επιλύεται αριθµητικά για κάθε προβολικό κέντρο, κάθε σκηνής ASTER µε τη χρήση οριακών συνθηκών που προκύπτουν από τα GCPs και τα TPs µεταξύ των εικόνων του στερεοζεύγους.

Σηµαντικό τµήµα της διαδικασίας, µετά την συλλογή των GCPs είναι η σαφής αναγνώριση του αντίστοιχου εικονοστοιχείου και o προσδιορισµός των συντεταγµένων του. Τα σηµεία σύνδεσης προσδιορίστηκαν µε αντίστοιχο τρόπο. Στην εικόνα 2 φαίνονται µε κόκκινο χρώµα τα GCPs και τα σηµεία ελέγχου (control points), ενώ µε µπλε φαίνονται τα TPs που χρησιµοποιήθηκαν για την επίλυση του µοντέλου στην περίπτωση της σκηνής που καλύπτει το Βόρειο - Κεντρικό Ηράκλειο. Ο έλεγχος αυτός, πραγµατοποιούνταν µε βάση τα υπολειµµατικά σφάλµατα (residual errors). Τα υπολειµµατικά σφάλµατα αποτελούν τη διαφορά µεταξύ της θέσης (εικονοσυντεταγµένες) που δηλώθηκε ένα συγκεκριµένο GCP σε µια συγκεκριµένη εικόνα, και της θέσης που υπολογίζει για αυτό το σηµείο, το µοντέλο, µέσω της τεχνικής συνόρθωσης κατά δέσµες (bandle adjustment) την οποία χρησιµοποιεί. Η τεχνική αυτή αναζητεί την καλύτερη δυνατή θέση κάθε εικονοστοιχείου σε µια εικόνα, χρησιµοποιώντας όλα τα σηµεία, καθώς και τα στοιχεία εσωτερικού και εξωτερικού προσανατολισµού. Το κριτήριο για την επίλυση αυτή είναι η ελαχιστοποίηση του αθροίσµατος των τετραγώνων των residuals.

Εικόνα 1. GCPs και TPs που χρησιµοποιήθηκαν για την επίλυση του µοντέλου στην περίπτωση του στρεοζεύγους που καλύπτει το Βόρειο – Κεντρικό Ηράκλειο.

Στη συνέχεια, µετά τον καθορισµό των παραµέτρων του φυσικού µοντέλου για κάθε σκηνή ASTER, ο υπολογισµός της στερεοσκοπικής παράλλαξης επιτελέστηκε στο χώρο των επιπολικών εικόνων. Οι επιπολικές εικόνες είναι στέρεο-ζεύγη εικόνων που προκύπτουν µε την επαναπροβολή του αρχικού στερεοζεύγους, ώστε οι δύο εικόνες να έχουν κοινό προσανατολισµό. Ο λόγος για τον οποίο χρησιµοποιούνται επιπολικές εικόνες είναι για τη διευκόλυνση του αλγόριθµου στερεοταύτισης. Η επαναπροβολή αυτή πραγµατοποιείται µε τη συνθήκη κάθε σηµείο στην επιφάνεια της γης το οποίο κατοπτεύεται και τα αντίστοιχα είδωλά του σε κάθε εικόνα του στερεοζεύγους να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο (επιπολικό επίπεδο). Η ανίχνευση για οµοειδή αντικείµενα πραγµατοποιήθηκε µε τη βοήθεια παραθύρων συσχέτισης. Συνεπώς η στερεοσκοπική παράλλαξη υπολογίστηκε στο χώρο των επιπολικών εικόνων από τη διαφορά θέσης οµοειδών εικονοστοιχείων ως προς το κεντρικό, εποµένως το υψόµετρο σε κάθε σηµείο εξάχθηκε από την επικαλυπτόµενη περιοχή µεταξύ των επιπολικών εικόνων. Σε κάποιες περιπτώσεις υπήρχαν περιοχές των εικόνων στις οποίες απέτυχε η συσχέτιση. Η αποτυχία συσχέτισης ενδεχοµένως να οφειλόταν, ανάλογα µε την περίπτωση, σε ατµοσφαιρικές παρεµβολές (σύννεφα), σκιές λόγω αναγλύφου,υδάτινες µάζες (φράγµατα, λίµνες), πυκνές αστικές περιοχές, λατοµικές ζώνες, και στην ακτογραµµή. Για τις περιοχές αυτές το υψόµετρο στο τελικό DEM υπολογίστηκε µε χωρική παρεµβολή.

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 µε τη βοήθεια διαφορικού GPS. Τα τελευταία, σε αντίθεση µε τα GCPs, δεν χρησιµοποιήθηκαν στον υπολογισµό των παραµέτρων του φωτογραµµετρικού µοντέλου, παρά µόνο στον έλεγχο της αξιοπιστίας του. Σηµειώνεται ότι για την περίπτωση της Κρήτης χρησιµοποιήθηκαν 1854 τριγωνοµετρικά σηµεία. 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. Το σύνολο των πολυγώνων αυτών αποθηκεύτηκε σε ξεχωριστό αρχείο µε µορφή shapefile και στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε υπέρθεση στο παραχθέν DEM κάθε σκηνής ASTER και υπολογίστηκε η µέση τιµής του υψοµέτρου των εικονοστοιχείων τα οποία περιλαµβάνονταν σε κάθε ζώνη επέκτασης. Η τιµή αυτή αποθηκεύτηκε ως χαρακτηριστικό (attribute) πολυγώνου και αντιστοιχήθηκε στο συγκεκριµένο πολύγωνο (buffer). Το υψόµετρο που αντιστοιχεί σε κάθε εικονοστοιχείο υπολογίστηκε ως σταθµισµένος µέσος όρος της τιµής υψοµέτρου που αντιστοιχούσε στο εικονοστοιχείο αυτό και των τιµών υψοµέτρου των άµεσων γειτόνων του. Με τον τρόπο αυτό, το σφάλµα του ενός εικονοστοιχείου κατά το οριζόντιο ελήφθη υπόψη στη διαδικασία σύγκρισης των υψών. Κατόπιν, η τιµή υψοµέτρου που αποθηκεύτηκε ως attribute σε κάθε πολύγωνο (η οποία είχε προέλθει από το παραχθέν DEM) 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 Κρήτρης και της Λέσβου και οι αντίστοιχοι χάρτες κάλυψης γης παρήχθησαν µε ταξινόµηση στα µωσαϊκά αυτά. Λόγω των διαφορετικών συνθηκών λήψης των επιµέρους σκηνών ASTER υπήρχαν διαφορές στα φασµατικά χαρακτηριστικά τους, µε συνέπεια να απαιτείται κανονικοποίηση των φασµατικών χαρακτηριστικών των εικόνων πριν τη συνένωσή τους σε µωσαϊκό. Αρχικά αποκόπηκαν οι περιοχές κοινής επικάλυψης των σκηνών ανά δύο, και πραγµατοποιήθηκε έλεγχος των κατανοµών των ιστογραµµάτων των 9 φασµατικών καναλιών των κοινών τµηµάτων κάθε σκηνής. Αν το ιστογραµµα του λόγου παρουσίαζε κατανοµή κοντά στην κανονική, η κανονικοποίηση των ιστογραµµάτων των δύο σκηνών έγινε µε βάση το αντίστροφο της µέσης τιµής του ιστογράµµατος της εικόνας του λόγου των δύο σκηνών ανά κανάλι. Σε διαφορετική περίπτωση εφαρµόστηκε η µέθοδος του συνταιριάσµατος των ιστογραµµάτων (histogram matching) µε τη βοήθεια του λογισµικού ERDAS Imagine. Ακολούθως, συνενώθηκαν οι επιµέρους σκηνές σε µωσαϊκό τόσο για την περιοχή της Λέσβου όσο και για την περιοχή της Κρήτης, αφού διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία της ταύτισης των ιστογραµµάτων που προηγήθηκε έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσµατα.

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 και το λογισµικό ERDAS Imagine 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.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στην Εικόνα 2 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. Στις Εικόνα 4 παρουσιάζεται το αποτέλεσµα της συνένωσης των παραγοµένων DEM από τις 4 σκηνές ASTER για την περιοχή της Λέσβου. Η ακτογραµµή έχει προστεθεί και στις δύο περιπτώσεις για λόγους εποπτείας.

Για το σύνολο των σκηνών ASTER της περιοχής της Κρήτης που αναλύθηκαν στα πλαίσια του έργου REALDEMS το RMSE βρέθηκε µικρότερο από 25 m και στην πλειοψηφία των περιπτώσεων κάτω των 18 m, τιµές οι οποίες αποδεικνύουν 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 5. 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 2. Αποτέλεσµα της συνένωσης των παραγοµένων DEM από κάθε σκηνή ASTER για την περιοχή της Κρήτης (άνω).

Εικόνα 3. Ψευδόχρωµη κωδικοποίηση. Το λευκό και τα σκούρα χρώµατα να αντιστοιχούν σε µεγάλα υψόµετρα (κάτω).

Εικόνα 4. Αποτέλεσµα της συνένωσης των επιµέρους DEM για τη Λέσβο.

Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι το RMSE εκφράζει την συνολική ακρίβεια του παραγόµενου DEM. Κρίθηκε επιθυµητό όµως να υπάρχει κάποιος δείκτης της χωρικής κατανοµής της απόκλισης των τιµών του DEM από τις πραγµατικές, ώστε να εντοπίζονται αποκλίσεις σε τοπικό επίπεδο. Για το λόγο αυτό δηµιουργήθηκε για κάθε σκηνή ASTER ένα χάρτης κουκίδας. Συγκεκριµένα, για κάθε τριγωνοµετρικό σηµείο υπολογίστηκε η τιµή της διαφοράς του υψοµέτρου του από το αντίστοιχο buffer όπως περιγράφηκε παραπάνω. Κατόπιν, υπολογίστηκε η απόλυτη τιµή της διαφοράς αυτής και αποθηκεύτηκε ως attribute του συγκεκριµένου σηµείου στο shapefile που περιείχε τα τριγωνοµετρικά σηµεία. Στη συνέχεια δηµιουργήθηκαν νέες κυκλικές ζώνες επέκτασης γύρω από κάθε τριγωνοµετρικό σηµείο, όµως στην περίπτωση αυτή η ακτίνα κάθε ζώνης δεν ήταν σταθερή, αλλά ανάλογη της απόλυτης τιµής της διαφοράς των δύο υψοµέτρων. Συνεπώς, το µέγεθος κάθε buffer µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως δείκτης της απόκλισης της τιµής υψοµέτρου του DEM από την πραγµατική τιµή υψοµέτρου. Το σύνολο των νέων buffers αποτελεί το χάρτη κουκίδας ο οποίος αντικατοπτρίζει τη χωρική κατανοµή των αποκλίσεων.

Στην Εικόνα 5 φαίνεται η πολυφασµατική ορθοεικόνα που έχει προκύψει µε συνένωση σε µωσαϊκό των 12 επιµέρους ορθοκανονικών εικόνων που καλύπτουν την περιοχή της Κρήτης, ως ψευδόχρωµη σύνθεση (RGB) των καναλιών 3Ν, 2 και 1 του ASTER, αντίστοιχα. 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 τάξεων και αφετέρου για την αποφυγή δηµιουργίας λιγότερων τάξεων στις οποίες θα χάνονταν σηµαντικό τµήµα πληροφορίας.

Εικόνα 5. Ψευδόχρωµη σύνθεση RGB: 3N, 2, 1 των καναλιών 1, 2 και 3Ν του ASTER, η οποία έχει προκύψει µε συνένωση σε µωσαϊκό των 12 επιµέρους ορθοκανονικών εικόνων που καλύπτουν την περιοχή της Κρήτης.

Στην Εικόνα 6 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.

Εικόνα 6. Χάρτης κάλυψης γης για την περιοχή της Λέσβου.

Εικόνα 7. Συγκεντρωτικός πίνακας ακρίβειας αποτελεσµάτων τη ταξινόµησης για την περιοχή της Λέσβου.

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.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα συμπεράσματα που βγήκαν από την μελέτη αυτή είναι: 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. Επιπλέον, φάνηκαν επίσης τα µέχρι στιγµής 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 παρήχθηκαν 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 θα χρησιµοποιηθούν 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.