Γεωμορφολογική χαρτογράφηση βασισμένη σε δεδομένα GIS και τηλεπισκόπησης: ένα παράδειγμα από την Jena, Γερμανία

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 23:03, 12 Ιανουαρίου 2026

Πρωτότυπος τίτλος: Efficient geomorphological mapping based on geographic information systems and remote sensing data: an example from Jena, Germany

Συγγραφείς: Ikram Zangana, Jan-Christoph Otto, Roland Mäusbacher, Lothar Schrott

Δημοσίευση: 6 Μαρτίου 2023

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Πλήρης βιβλιογραφική αναφορά: Ikram Zangana, Jan-Christoph Otto, Roland Mäusbacher, & Lothar Schrott (2023) Efficient geomorphological mapping based on geographic information systems and remote sensing data: an example from Jena, Germany, Journal of Maps, 19:1, 2172468, doi: 10.1080/17445647.2023.2172468

Λέξεις/φράσεις–κλειδιά: γεωμορφολογικός χάρτης, ArcGIS, τηλεπισκόπηση, Jena, Γερμανία

Εισαγωγή

Οι γεωμορφολογικοί χάρτες αποτελούν το καλύτερο εργαλείο για την αναγνώριση των υλικών και των μορφών του αναγλύφου της γήινης επιφάνειας και την κατανόηση των διεργασιών που τις δημιούργησαν. Πέραν της επιστημονικής τους αξίας, οι χάρτες αυτοί χρησιμοποιούνται επίσης ως υπόβαθρα για την εκτίμηση φυσικών κινδύνων, τη διαχείριση και το σχεδιασμό της χρήσης γης και την οπτικοποίηση του αναγλύφου για την εκπαίδευση και τον τουρισμό.

Παλαιότερα, οι γεωμορφολογικοί χάρτες δημιουργούνταν έπειτα από επιτόπια χαρτογράφηση, η οποία εκτός από πολύ μεγάλη εμπειρία απαιτούσε χρόνο και δεν ήταν εφικτό να πραγματοποιηθεί σε δύσβατα εδάφη. Τα προβλήματα αυτά, από τα τέλη του 20ου αιώνα και πλέον μπορούν να αντιμετωπιστούν με την χρήση τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένων και των LiDAR, που εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του ’90. Σήμερα, έχουν αναπτυχθεί ημι-αυτοματοποιημένοι αλγόριθμοι ταξινόμησης, ωστόσο η αξιοπιστία τους παραμένει συχνά περιορισμένη σε σχέση με τη χειροκίνητη ψηφιακή ερμηνεία. Η χρήση παραμέτρων επιφάνειας εδάφους (LSPs) που προκύπτουν από Ψηφιακά Μοντέλα Υψομέτρου (DEMs) συμβάλλουν σημαντικά στον εντοπισμό των ορίων των γεωμορφών.

Στην παρούσα μελέτη εισάγεται μια συστηματική ροή εργασίας που συνδυάζει υψηλής ανάλυσης δεδομένα LiDAR – DTM, LSPs, τοπογραφικούς χάρτες, γεωλογικούς χάρτες, ψηφιακές ορθοφωτογραφίες (DOPs) και μια σειρά μεθόδων οπτικοποίησης, με σκοπό την παραγωγή ενός γεωμορφολογικού χάρτη υψηλής ακριβείας για την περιοχή Jena, Γερμανία. Στόχος είναι η αξιολόγηση του συνδυασμού των διαφόρων πηγών και τεχνικών οπτικοποίησης ως προς τη βελτίωση της ποιότητας του τελικού αποτελέσματος και την κατανόηση της γένεσης των γεωμορφολογικών διεργασιών, αλλά και η εφαρμογή του προτεινόμενου μοντέλου εργασίας και σε άλλα εδάφη.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στη Θουριγγία της Γερμανίας και έχει έκταση 44 τ.χλμ. Εντοπίζεται γύρω από τη πόλη Jena και χαρακτηρίζεται από δύο κύριες υψομετρικές ζώνες: την πεδιάδα του ποταμού Saale και μια ορεινή ζώνη με πλαγιές και οροπέδια. Γεωλογικά, η περιοχή κυριαρχείται από σχηματισμούς ασβεστόλιθου στα μεγάλα υψόμετρα (Muschelkalk) και κόκκινου ψαμμίτη (Buntsandstein) στα χαμηλότερα. Έχει εύκρατο κλίμα και περιλαμβάνει αστικές και βιομηχανικές ζώνες στα πεδινά, δάση στις απότομες πλαγιές και καλλιέργειες στις προσχωσιγενείς πεδιάδες. Αξιοσημειώτο είναι επίσης το γεγονός ότι στην πεδιάδα του ποταμού Saale, η έντονη ανθρωπογενής παρέμβασης έχει αλλοιώσει το φυσικό τοπίο πλήρως. Τέλος, η εδαφική κάλυψη παρουσιάζει ποικιλομορφία φανερώνοντας την άμεση εξάρτηση του εδάφους από το μητρικό πέτρωμα και την τοπογραφία.

Εικόνα 1: Τοποθεσία της περιοχής μελέτης. Τα μαύρα τετράγωνα υποδεικνύουν προσεγγιστικά τις θέσεις των πλαισίων στις εικόνες 2,3 και 4.

Υλικά και μέθοδοι

Για την διεξαγωγή της μελέτης χρησιμοποιήθηκε ως βάση ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους LiDAR – DTM ανάλυσης 2 μ. Συμπληρωματικά, χρησιμοποιήθηκαν επίσης δορυφορικές εικόνες υψηλής ανάλυσης (Google Earth images), ορθοφωτογραφίες (DOPs, ανάλυσης 20 εκ.) και τοπογραφικοί – γεωλογικοί χάρτες. Από το DTM παρήχθησαν διάφορες παράμετροι επιφάνειας εδάφους (LSPs) που επέτρεψαν την βέλτιστη οπτικοποίηση και τον ακριβέστερο εντοπισμό γεωμορφών.

Η χαρτογράφηση πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια, σε κλίμακα 1:1000 για την μεγιστοποίηση της λεπτομέρειας απεικόνισης.

Στο πρώτο στάδιο εφαρμόστηκε μια συστηματική ροή εργασίας για τον προσδιορισμό της γένεσης των γεωμορφών και την εξαγωγή των πεδίων γεωμορφολογικών διεργασιών. Αρχικά, με την παραδοχή ότι όλη η περιοχή ανήκει στο πεδίο αποσάθρωσης και διάβρωσης (denudational domain) οι ερευνητές ανέλυσαν την περιοχή και ταυτοποιώντας τα ενεργά πεδία που εντόπισαν (ποτάμιες αποθέσεις, καρστ, κορυφογραμμές, υδρογραφικό δίκτυο, ανθρωπογενή παρέμβαση), τα τοποθέτησαν στον χάρτη αντικαθιστώντας τα αντίστοιχα τμήματα του αρχικού γενικού πεδίου (denudational domain) που είχαν ορίσει. Η ταυτοποίηση των ενεργών πεδίων πραγματοποιήθηκε με συνδυασμό δεδομένων LiDAR – DTM, τοπογραφικών – γεωλογικών χαρτών, ορθοφωτογραφιών και διεξαγωγή έρευνας πεδίου για τις αμφίβολες γεωμορφολογικές κατηγορίες.

Στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιήθηκαν δύο έρευνες πεδίου (πριν και μετά την επεξεργασία των λοιπών συλλεχθέντων δεδομένων) με τη χρήση διαφορικού GPS (DGPS) για την επαλήθευση των ψηφιακών δεδομένων και τη σύγκριση της αποτελεσματικότητας της μεθόδου με την πραγματικότητα.

Ο τελικός χάρτης δημιουργήθηκε σε περιβάλλον ArcGIS 10.7 και εξαιτίας της αλλαγής κλίμακας προς εκτύπωση (από 1:1000 σε 1:5000) εφαρμόστηκε μια διαδικασία γενίκευσης, όπου μικρές γεωμορφές που δεν διακρίνονταν στην τελική κλίμακα, αντικαταστάθηκαν από σημειακά σύμβολα ή συγχωνεύτηκαν με γειτονικά πεδία, διατηρώντας ωστόσο την αρχική τους πληροφορία.

Σχήμα 1: Διάγραμμα ροής που απεικονίζει τη μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη μελέτη.

Αποτελέσματα

Εικόνα 2: (a) Ο σύνθετος χάρτης LSPs ορίζει με σαφήνεια τις γεωμορφές και τα όριά τους σε σύγκριση με τα δεδομένα DTM και τα παράγωγά τους, όπως (b) η σκίαση αναγλύφου, (c) η κλίση και (d) η καμπυλότητα.

Εικόνα 3: Παράδειγμα οριοθέτησης πεδίου διεργασιών (διεργασία ποτάμιας απόθεσης): (a) Σκίαση αναγλύφου (για το υπόμνημα, βλ. Εικ. 2(b)). (b) Κλίση (για το υπόμνημα, βλ. Εικ. 2(c)). (c) Γεωλογικός χάρτης-GK25 και (d) τα πεδία των γεωμορφολογικών διεργασιών.

Οι διάφοροι γεωλογικοί σχηματισμοί της Jena καθορίζουν άμεσα το ανάγλυφο της περιοχής: στον βορρά ο ασβεστόλιθος δημιουργεί απότομα πρανή, κατολισθήσεις και κοιλάδες μορφής V, ενώ στον νότο λόγω της παρουσίας ψαμμίτη εντοπίζονται επίπεδες κοιλάδες, πλημμυρικές πεδιάδες και αναβαθμίδες. Ο τελικός γεωμορφολογικός χάρτης που προέκυψε διακρίθηκε σε τέσσερα κύρια επίπεδα πληροφορίας:

• Πεδία γεωμορφολογικών διεργασιών

• Υδρολογικά χαρακτηριστικά

• Διεργασίες πλαγιάς και αποθέσεις

• Τοπογραφικά και δομικά χαρακτηριστικά αναγλύφου

Στο επίπεδο των πεδίων γεωμορφολογικών διεργασιών προέκυψε ότι τα οροπέδια κυριαρχούνται από καρστικά φαινόμενα, ενώ οι πλαγιές των βουνών επηρεάζονται έντονα από τη βαρύτητα (κατολισθήσεις, καταπτώσεις βράχων). Οι περιοχές όπου δεν παρατηρήθηκαν έντονες δυναμικές διεργασίες κατατάχθηκαν στο πεδίο αποσάθρωσης και διάβρωσης (denudational domain) και οι πεδινές ζώνες κατά μήκος του ποταμού Saale στο πεδίο ποτάμιων αποθέσεων. Σε όλη την έκταση της περιοχής μελέτης εντοπίζεται η ανθρωπογενής επίδραση με χαρακτηριστικό παράδειγμα το λατομείο Steinbruch, που δημιούργησε τεχνητά πρανή 30 μ. και ένα πλατό διαστάσεων 400 μ. x 600 μ. περίπου. Αναγνωρίστηκαν επίσης αιολικές και περιπαγετώδεις γεωμορφές, οι οποίες όμως είναι πλέον ανενεργές και εμφανίζονται μόνο σε συνδυασμό με άλλες διεργασίες.

Στο επίπεδο των υδρολογικών χαρακτηριστικών , ο ποταμός Saale και οι παραπόταμοί του (Roda, Leutra, Pennickental) είναι οι κύριοι παράγοντες που διαμορφώνουν το πεδίο. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι στον βορρά, η κοίτη του Pennickental έχει αλλοιωθεί από μεταλλευτικές δραστηριότητες.

Στο επίπεδο των διεργασιών πλαγιάς και αποθέσεων εντοπίστηκαν πολυάριθμες χαράδρες, αυλακώσεις και μικρά αλλουβιακά ριπίδια στις εκβολές των παραποτάμων.

Τέλος, όσον αφορά τα τοπογραφικά και δομικά χαρακτηριστικά του αναγλύφου υπάρχουν κλειστές λεκάνες στα οροπέδια και μικροί λόφοι στην πεδιάδα του Saale που προέκυψαν κυρίως από ανθρωπογενή δραστηριότητα. Τα όρια των γεωμορφών στην περιοχή (οροπέδια, κοιλάδες, αναβαθμίδες) ελέγχονται από τις κορυφογραμμές και τις απότομες αλλαγές της κλίσης του εδάφους.

Συζήτηση και συμπεράσματα

Εικόνα 4: a) Σύνθετος χάρτης LSPs, (b) σκίαση αναγλύφου, (c) χάρτης κλίσεων της περιοχής του λατομείου Steinbruch, (d) επισκόπηση της έρευνας πεδίου/DGPS (κόκκινα σημεία). Οι κόκκινοι κύκλοι δείχνουν ότι αυτές οι γεωμορφές συμπίπτουν με τις μετρήσεις DGPS, ενώ οι κίτρινοι κύκλοι παρουσιάζουν χαρακτηριστικά που δεν εντοπίστηκαν στο πεδίο λόγω της πυκνής βλάστησης. Οι μπλε κύκλοι παρουσιάζουν γεωμορφές που δεν κατέστη δυνατό να χαρτογραφηθούν μέσω της ψηφιακής ανάλυσης (on-screen) που βασίστηκε στο LiDAR-DTM (βλ. Εικ. 2 για τα υπομνήματα των a, b και c, και Εικ. 1 για την τοποθεσία αυτής της περιοχής).

Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρήση δεδομένων LiDAR επιταχύνει σημαντικά τη γεωμορφολογική χαρτογράφηση, ωστόσο η πολυπλοκότητα των φυσικών διεργασιών καθιστά απαραίτητο τον συνδυασμό πολλαπλών πηγών δεδομένων για τον ακριβή προσδιορισμό της γένεσης των γεωμορφών. Κατά τη διεξαγωγή της μελέτης, παρατηρήθηκαν αποκλίσεις μεταξύ των τοπογραφικών χαρτών και του DTM που όμως οφείλονται στους διαφορετικούς χρόνους συλλογής των δεδομένων και για τον λόγο αυτό η επιτόπια έρευνα πεδίου κρίνεται απαραίτητη, κυρίως για την επαλήθευση των ανθρωπογενών παρεμβάσεων. Οι γεωλογικοί χάρτες παρείχαν σημαντική πληροφορία για την αναγνώριση των γεωμορφών, αλλά υστερούν στον ακριβή προσδιορισμό των ορίων τους συγκριτικά με την ακρίβεια που παρείχαν οι σύνθετες απεικονίσεις των LSPs. Οι κλασικές ταξινομήσεις κλίσεων αποδείχτηκαν λιγότερο αποτελεσματικές σε πιο λεπτομερείς κλίμακες (1:5000), ενώ οι σκιάσεις αναγλύφου πολλαπλών κατευθύνσεων (multidirectional hillshades) έδωσαν μια πιο ρεαλιστική αναπαράσταση. Η επαλήθευση με τη χρήση DGPS έδειξε εξαιρετική ακρίβεια (χιλιοστών έως ενός μέτρου) παρά τις δυσκολίες σε δασώδεις περιοχές, που η έντονη φυτοκάλυψη δυσκόλεψε την αναγνώριση των γεωμορφών.

Εν κατακλείδι, η προτεινόμενη μεθοδολογία παρέχει ένα υψηλής ποιότητας υπόβαθρο που δύναται να αντικαταστήσει ή να συμπληρώσει την κλασική χαρτογράφηση πεδίου, ειδικά όταν υπάρχει χρονικός περιορισμός, ενώ παράλληλα μπορεί να χρησιμεύσει ως δείγμα εκπαίδευσης για μελλοντικούς αλγορίθμους αυτόματης ταξινόμησης γεωμορφών σε διαφορετικά περιβάλλοντα.

Σημείωση Πνευματικών Δικαιωμάτων: Το παρόν άρθρο αποτελεί αποδελτίωση του πρωτότυπου κειμένου και αναρτάται για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Το περιεχόμενο, καθώς και το συνοδευτικό υλικό που περιλαμβάνει αποτελούν πνευματική ιδιοκτησία των αρχικών συγγραφέων.