Χρήση δεικτών βλάστησης για την διαχρονική χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων στην περιοχή του όρους Πέντέλη

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 14:50, 17 Φεβρουαρίου 2010

Χρήση δεικτών βλάστησης για την διαχρονική χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων στην περιοχή του όρους Πέντέλη

Συγγραφείς : Ε. Νικολάου, Α. Γκάνας, Ε. Αθανασίου, Α. Ρετάλης

Στην Ελλάδα μετά το 1974 έχει σημειωθεί μία σημαντική αύξηση των δασικών πυρκαγιών σε αριθμό, μέγεθος καμένης έκτασης ανά πυρκαγιά και μέγεθος ζημιών, ενώ δασικά οικοσυστήματα που καίγονται περισσότερο είναι αυτά της χαλεπίου πεύκης (Καϊλίδης, 1990). Η χαρτογράφηση των καμένων είναι μία χρονοβόρα διαδικασία η οποία επιπλέον απαιτεί τη συμμετοχή πολλών υπαλλήλων της δασικής υπηρεσίας. Ο σκοπός της εργασίας αυτής ήταν α) η εκτίμηση των καμένων εκτάσεων στην νοτιοανατολική περιοχή του όρους Πεντέλης από δορυφορικές εικόνες σε διαδοχικά έτη (1996, 1998) για να εντοπιστούν τμήματα που κάηκαν περισσότερο από μία φορές στο διάστημα αυτό, β) η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις υπάρχουσες εκτιμήσεις που έγιναν με μεθόδους επίγειας παρατήρησης και αεροφωτογραφίες από το Δασαρχείο Πεντέλης. Για τη χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων χρησιμοποιήθηκαν τρεις ορθοεικόνες Landsat 5 TM (Θεματικός Χαρτογράφος) με ημερομηνίες 25 Αυγούστου 1994, 14 Αυγούστου 1996 και 20 Αυγούστου 1998 και με ανάλυση 30 x 30 μ., οι οποίες διορθώθηκαν γεωμετρικά στο σύστημα συντεταγμένων ΕΓΣΑ 87. Κατά την διόρθωση χρησιμοποιήθηκε ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους που κατασκευάστηκε από την ψηφιοποίηση ισοϋψών καμπυλών του χάρτη «Κηφισιά» (Έκδοση Γ.Υ.Σ., 1988) 1:50000. Η μέθοδος ψηφιακής χαρτογράφησης που εφαρμόστηκε ήταν η εξαγωγή του δείκτη βλάστησης NDVI (Normalized Difference of Vegetation Index) (Εικόνες 1, 2, 3), η οποία είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σαφή διάκριση των ορίων μεταξύ της υγειούς και μη βλάστησης. Εφαρμόστηκε επίσης, η εξαγωγή των δεικτών βλάστησης SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) (Εικόνα 5) και GVI (Green Vegetation Index) (Εικόνα 6), οι οποίοι χρησιμοποιούνται για τη διάκριση των ορίων της υγειούς βλάστησης, σε μια προσπάθεια να βρεθεί η καλύτερη μέθοδος υπολογισμού που θα επαληθεύεται από τις επίγειες μετρήσεις. Οι δορυφορικές εικόνες του Landsat TM περιέχουν ψηφιακές τιμές που καταγράφουν την ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας στο ορατό και υπέρυθρο φάσμα. Η μετατροπή μιας αρχικής δορυφορικής εικόνας σε τέτοια που να έχει συγκεκριμένη κλίμακα και γεωδαιτικά χαρακτηριστικά ενός χάρτη λέγεται γεωμετρική διόρθωση (Mather, 1987). Στην εφαρμογή μας οι τρεις εικόνες Landsat 5 μετατράπηκαν σε ορθο-εικόνες με τη χρήση ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model) επειδή σε αυτό το είδος της γεωμετρικής διόρθωσης λαμβάνεται υπόψη το υψόμετρο κάθε εικονοστοιχείου (pixel). Έτσι, επιτυγχάνεται τόσο καλύτερη «στροφή» και τοποθέτηση των εικονοστοιχείων στο αντίστοιχο XYZ του χάρτη αναφοράς όσο και μεγαλύτερη χωρική και θεματική ακρίβεια στις μετρήσεις μας αφού η περιοχή ενδιαφέροντος είναι κατ’ εξοχήν ορεινή (όρια υψομέτρου 0 – 1108 μέτρα). Παρακάτω αναλύονται τα βήματα που έγιναν μέχρι την παραγωγή των ορθοεικόνων και στη συνέχεια η επεξεργασία των εικόνων αυτών. 1. Επιλογή των εικόνων Landsat 5 ΤΜ των ημερομηνιών: 25 Αυγούστου 1994, 14 Αυγούστου 1996 και 20 Αυγούστου 1998 μέσω της υπηρεσίας Einet της εταιρίας Eurimage S.A. Οι εικόνες πρέπει να είναι όσο το δυνατόν κοντύτερα στο τέλος της πυρκαγιάς για την εκτίμηση της καμένης γης, γιατί η φασματική αντίθεση ελαττώνεται σταδιακά με την αναγέννηση της βλάστησης μετά τη φωτιά (Martin and Chuvieco, 1993). Οι μεγάλες πυρκαγιές των τελευταίων χρόνων στην Πεντέλη έγιναν τον Αύγουστο του 1995 και 1998 και συνεπώς θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν εικόνες μετά από αυτές. Η εικόνα όμως του Αυγούστου 1995, ενώ ήταν διαθέσιμη δεν χρησιμοποιήθηκε, επειδή δεν ήταν δυνατή η μετατροπή της σε ορθοεικόνα λόγω έλλειψης των τροχιακών δεδομένων (ephemeris data). 2. Εισαγωγή των εικόνων στο σύστημα EASI PACE v 6.2.2, το οποίο είναι ένα εμπορικό λογισμικό για ψηφιακή επεξεργασία εικόνας. 3. Ψηφιοποίηση του φύλλου χάρτη Γ.Υ.Σ. «Κηφισιά» κλίμακας 1:50000 για την παραγωγή ψηφιακού μοντέλου εδάφους με μέγεθος εικονοστοιχείου 20 m. 4. Επιλογή επίγειων σημείων ελέγχου στον γεωεγγραμμένο χάρτη γενικής χρήσεως με εικονοστοιχείο 2 m και την εικόνα ΤΜ, παίρνοντας υπόψη το υψόμετρο από το DEM 5. Υπολογισμός του μαθηματικού μοντέλου που απαιτείται για την ορθο-γεωαναφορά των εικόνων, με την εντολή SMODEL του EASI PACE v6.2.2. Το μοντέλο αυτό παράγεται λαμβάνοντας δεδομένα από την τροχιά του δορυφόρου και τα επίγεια σημεία ελέγχου. 6. Παραγωγή ορθοεικόνων με τη χρήση του προγράμματος SORTHO, χρησιμοποιώντας τ’αποτελέσματα από το προηγούμενο πρόγραμμα. Η τελική ποιότητα των παραγόμενων διορθωμένων εικόνων και ο χρόνος που απαιτείται για τον υπολογισμό εξαρτάται από τη μέθοδο επανασύνθεσης που επιλέγεται. Εδώ χρησιμοποιήθηκε ο κυβικός μετασχηματισμός. Το επόμενο στάδιο είναι η επεξεργασία εικόνας κατά το οποίο εφαρμόζονται διάφορες μέθοδοι ανάλογα με την εξαγωγή πληροφοριών που επιδιώκεται. Για την παρούσα εργασία απαιτείται μία μέθοδος η οποία θα δώσει ευκρινώς τα όρια της καμένης βλάστησης. Εξαγωγή δείκτη NDVI Οι ψηφιακές τιμές των 6 ανακλώμενων καναλιών (Digital Numbers, DN) μετατράπηκαν σε φασματικές τιμές ακτινοβολίας (Radiance, Watt/m2/sr) με τη χρήση του προγράμματος MODEL. Ο Κανονικοποιημένος Δείκτης βλάστησης, NDVI προκύπτει από το λόγο: NDVI = (LTM4 – LTM3) / (LTM4 + LTM3), όπου LTM4 και LTM3 είναι οι φασματικές ακτινοβολίες στο κοντινό υπέρυθρο κανάλι (0,76 – 0,90 μm) και στο κόκκινο κανάλι (0,63 – 0,69 μm) αντίστοιχα. Οι τιμές του δείκτη κυμαίνονται από -1,0 έως 1,0. Οι τιμές του δείκτη στις εικόνες TM αναπροσαρμόστηκαν στο διάστημα από 0 έως 255 για ν’ αναχθούν σε κλίμακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιμές από 0 έως 9 (τιμή 0, καθόλου βλάστηση – τιμή 9, πολύ υγιής βλάστηση). Η εικόνα NDVI του 1994 απεικονίζεται στην εικόνα 1, του 1996 στην εικόνα 2 και του 1998 στην εικόνα 3, αντιστοίχως. Η ορθοεικόνα του 1994 χρησιμοποιείται μόνο για σύγκριση των τιμών πριν τις πυρκαγιές με τις μετέπειτα. Μετά από τη θεματική αναγνώριση των κατηγοριών του NDVI στις εικόνες διαπιστώθηκε ότι η διαχρονική τιμή του NDVI για την καμένη βλάστηση είναι 3 και 4. Ωστόσο, με την ίδια τιμή αντιπροσωπεύονται διαχρονικά και τα εικονοστοιχεία του λατομείου στη θέση Μπίλιζα (85 pixels), ορισμένα κατά μήκος της Λεωφόρου Μαραθώνος, και ορισμένα της θάλασσας. Εξαγωγή δείκτη SAVI Για την εξαγωγή του δείκτη SAVI ακολουθείται η ίδια διαδικασία με τον δείκτη NDVI για την εικόνα του 1998. Συγκεκριμένα από τις φασματικές τιμές ακτινοβολίας των καναλιών της εικόνας υπολογίστηκε ο δείκτης βλάστησης SAVI, ο οποίος προκύπτει από τον τύπο (Richardson and Everitt, 1992): SAVI = ((1+L) x (LTM4 – LTM3)) / (LTM4 + LTM3 + L), όπου L = 0,5, ενώ LTM4 και LTM3 είναι οι φασματικές ακτινοβολίες στο κοντινό υπέρυθρο κανάλι (0,76 – 0,90 μm) και στο κόκκινο κανάλι (0,63 – 0,69 μm) αντίστοιχα. Οι τιμές του δείκτη επίσης αναπροσαρμόστηκαν στο διάστημα από 0 έως 255 για ν’ αναχθούν σε κλίμακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιμές από 0 έως 9 (τιμή 0, καθόλου βλάστηση – τιμή 9, πολύ υγιής βλάστηση). Η εικόνα SAVI του 1998 απεικονίζεται στην εικόνα 5. Από τη θεματική αναγνώριση του δείκτη SAVI βρέθηκε ότι τα εικονοστοιχεία με την τιμή 3 και 4 απεικονίζουν τις καμένες περιοχές. Εξαγωγή δείκτη GVI Για τον υπολογισμό του GVI χρησιμοποιήθηκαν οι αρχικές ψηφιακές τιμές (DN) της εικόνας 1998. Ο δείκτης βλάστησης GVI προκύπτει από τον ακόλουθο μαθηματικό τύπο (Crist et al. 1986): GVI = - 0,2728 х LTM1 – 0,2174 х LTM2 – 0,5508 х LTM3 + 0,722 х LTM4 + 0,0733 х LTM5 – 0,1648 х LTM7, Όπου (Lillesand and Kiefer, 1994): LTM1 = 0,45 – 0,52 μm, LTM2 = 0,52 – 0,60 μm, LTM3 = 0,63 – 0,69 μm, LTM4 = 0,76 – 0,90 μm, LTM5 = 1,55 – 1,75 μm, LTM7 = 2,08 – 2,35 μm Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και εδώ με την αναγωγή των τιμών στο διάστημα 0 έως 255 σε κλίμακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιμές από 0 έως 9. Η εικόνα GVI του 1998 απεικονίζεται στην εικόνα 6. Η θεματική αναγνώριση του δείκτη GVI έδειξε ότι τα εικονοστοιχεία με την τιμή 1 και 2 απεικονίζουν τις καμένες περιοχές και ελάχιστα απ’αυτά μη καμένες που δεν μπορούν ν’αφαιρεθούν. Υπολογισμός της καμένης έκτασης Μετά τον υπολογισμό των δεικτών βλάστησης και τη θεματική αναγνώριση των τιμών τους σχεδιάσαμε μία χωρική μάσκα επί της οθόνης η οποία κάλυπτε τις περιοχές των καμένων έτσι ώστε να γίνει η μέτρηση των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στην καμένη βλάστηση σ’αυτές τις περιοχές μόνο και ν’αποφευχθούν υπερεκτιμήσεις. Το σύνολο των εικονοστοιχείων της περιοχής μελέτης είναι 78400, από τα οποία τα 53397 είναι όσα βρίσκονται κάτω από τη μάσκα. Η καμένη έκταση που υπολογίστηκε από τους τρεις δείκτες για την πυρκαγιά του 1998 και στην περιοχή μελέτης είναι 18997 στρ. από τον NDVI, 18975 στρ. από τον SAVI, και 21790 στρ. από τον GVI. Επίσης υπολογίστηκε η καμένη έκταση στην περιοχή μελέτης βάσει της χαρτογράφησης που έκανε το Δασαρχείο Πεντέλης (ΦΕΚ 5147/1999) με επίγειες παρατηρήσεις και με τη χρήση ορθοφωτοχάρτη κλίμακας 1:25000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (έκδοση 1998). Αυτή η οριογραμμή χρησιμοποιήθηκε για την επαλήθευση της ψηφιακής μεθόδου ως εξής:

1. Εγινε ψηφιοποίηση (σάρωση σε 400 dpi) του φύλλου χάρτη Γ.Υ.Σ. «Κηφισιά» κλίμακας 1:25000, στο οποίο το Δασαρχείο είχε οριοθετήσει την οριογραμμή της καμένης έκτασης από την πυρκαγιά του 1998. 2. Ακολούθησε γεω-αναφορά του χάρτη στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς (ΕΓΣΑ 1987), με το πρόγραμμα GCPWorks (τα σημεία επιγείου ελέγχου δίδονται στον Πίνακα ΙΙΙ) 3. Εγινε ψηφιοποίηση της οριογραμμής της καμένης έκτασης επί της οθόνης (Edit vector Utility). 4. Εγινε επιλογή της περιοχής μελέτης . 3. Αποτελέσματα και Συμπεράσματα Για την ευκολότερη διαφοροποίηση των εικόνων NDVI δόθηκε το ίδιο χρώμα σε κάθε μία κατηγορία σε όλες τις εικόνες. Το χρώμα των καμένων συμβολίζεται με κόκκινο (σκούρο γκρι σε φωτοτυπία) ενώ το πράσινο (ανοιχτό γκρι) αντιπροσωπεύει την υγιή βλάστηση και τις αστικές περιοχές, και το μπλε τη θάλασσα. Η εικόνα του 1994 συμβάλλει στο να δούμε τη διαφορά των τιμών ανακλαστικότητας που παρουσιάζει η περιοχή μελέτης πριν τη φωτιά, σε σχέση με τις μετέπειτα εικόνες. Όπως είδαμε παραπάνω, με τον ίδιο δείκτη παρουσιάζεται το λατομείο και κάποιες άλλες περιοχές των εικόνων. Από το σύνολο των εικονοστοιχείων (pixels) στην κατηγορία 3 και 4 στην οποία εμφανίζεται η βλάστηση με πολύ χαμηλό ΝDVI, εκτιμάται το εμβαδό της καμένης έκτασης, αφού κάθε εικονοστοιχείο αντιστοιχεί σε 900 τ.μ. δηλαδή 0,9 στρ. Για τον υπολογισμό των διπλοκαμένων εκτάσεων από τις εικόνες 1996 και 1998 απομονώθηκαν οι τιμές NDVI 4 του 1996, 3 του 1998 και 4 του 1998 για να προστεθούν δημιουργώντας ένα νέο κανάλι. Αυτό έγινε χρησιμοποιώντας το MODELLING UTILITY και με τη δημιουργία τριών καναλιών BITMAPS στα οποία: α) η τιμή 4 του 1996 πήρε την τιμή 1, ενώ οι υπόλοιπες τιμές πήραν την τιμή 0, β) η τιμή 3 του 1998 πήρε την τιμή 1 και ομοίως οι υπόλοιπες τιμές πήραν την τιμή 0, γ) ομοίως η τιμή 4 του 1998 πήρε την τιμή 1 ενώ οι υπόλοιπες έγιναν 0. Η πρόσθεση των τριών αυτών καναλιών έδωσε τιμές 0, 1 και 2. Διπλοκαμένες είναι οι περιοχές με τιμή 2 οι οποίες φαίνονται στην Εικόνα 8 με κόκκινο χρώμα. Αυτή μετρήθηκε ότι είναι 4213 στρ., μόνο στην περιοχή μελέτης. Διαπιστώνεται από τις εικόνες 7 και 8 ότι: 1) και στις δύο εικόνες η διάταξη των καμένων εκτάσεων στην γεωγραφική περιοχή μελέτης είναι η ίδια και 2) η επίθεση των οριογραμμών του Δασαρχείου αφήνει πολλά εικονοστοιχεία υγιούς βλάστησης εντός των καμένων εκτάσεων. Eπίσης βλέπουμε ότι όλοι οι δείκτες παρήγαγαν όμοια εμβαδά καμένων, το οποίο υποδηλώνει μια ομοιογενή θεματική ακρίβεια στην κατηγοριοποίησή μας. Η ποσοτική εκτίμηση της καμένης έκτασης από τον χάρτη του Δασαρχείου (ή τον ορθοφωτοχάρτη «Κηφισιά» έκδοση Γ.Υ.Σ. 1998) όπως εμβαδομετρήθηκε μετά την ψηφιοποίηση της οριογραμμής για την περιοχή μελέτης είναι 30829 στρ. και παρουσιάζει σημαντική απόκλιση από την έκταση που υπολογίστηκε αυτόματα από τις ψηφιακές μεθόδους. Ίσως η απόκλιση αυτή να οφείλεται στο ότι ο επίγειος παρατηρητής (ή φωτοερμηνευτής) λαμβάνει υπόψη του ότι οι καμένες δασικές εκτάσεις πρόκειται να κηρυχθούν αναδασωτέες, οπότε τα όρια είναι προτιμότερο ν’ αποκλίνουν προς τα άνω για να αποφευχθούν υποεκτιμήσεις. Αυτή η τακτική οδηγεί αναπόφευκτα στο να περιλαμβάνονται θύλακες υγιούς βλαστήσεως εντός της καμένης περιοχής, πράγμα το οποίο δεν συμβαίνει με την αυτόματη μέθοδο. Από την άλλη, στον υπολογισμό της καμένης έκτασης με τις ψηφιακές μεθόδους τηλεπισκόπισης υπεισέρχονται δύο είδη σφαλμάτων: το σφάλμα ομαδοποίησης των δεικτών και το θεματικό σφάλμα. Το σφάλμα ομαδοποίησης είναι σφάλμα της ψηφιακής μεθοδολογίας και προκύπτει από την αλλαγή της κλίμακας των δεικτών από 32-bit real σε 8-bit, και τέλος από την κατηγοριοποίηση (συμπίεση) των τιμών σε δέκα κατηγορίες από 0 έως 9. Το σφάλμα αυτό μπορεί να είναι αυξητικό (προσθέτει καμένες εκτάσεις εκεί που δεν υπάρχουν) ή αφαιρετικό. Επί παραδείγματι, μεγάλα απομονωμένα κτίσματα ή ορισμένες εκχερσωμένες περιοχές αποδίδονται ως καμένες. Απο την εμπειρία μας το σφάλμα αυτό δεν υπερβαίνει το 5% προς κάθε κατεύθυνση. Το θεματικό σφάλμα είναι συνάρτηση του μήκους κύματος που χρησιμοποιεί ο NDVI και της χωρικής διακριτικής αναλύσεως του σαρωτή ΤΜ. Η τιμή ακτινοβολίας κάθε εικονοστοιχείου 30 Χ 30 μέτρων ψηφιοποιείται σε κάποιο διακριτό επίπεδο των τόνων του γκρί, ενώ στην πραγματικότητα η διακύμανσή της στον χώρο είναι συνεχής. Με άλλα λόγια, το ποσοστό του θεματικού σφάλματος δείχνει κατά πόσο η τιμή του εικονοστοιχείου αποκλίνει από το 100% καμένη έκταση. Δηλαδή, ένα εικονοστοιχείο ΤΜ, το οποίο αντιστοιχεί σε 0,9 στρ. και ανήκει στην κατηγορία της καμένης βλάστησης, μπορεί να αντιπροσωπεύει κατά 80% καμένη έκταση και 20% μη καμένη. Έτσι προκύπτει ένα σφάλμα υπερεκτίμησης του εμβαδού των καμένων, όπως μπορεί να συμβεί το αντίθετο ακριβώς μ’ αποτέλεσμα να προκύπτει ένα σφάλμα υποεκτίμησης - παράλειψης (δηλαδή εικονοστοιχεία με ποσοστό καμένης κάλυψης 20% να κατατάσσονται στην κατηγορία των μη καμένων). Το σφάλμα υποεκτίμησης συμβαίνει κυρίως στα περιθώρια της φωτιάς, εκεί όπου η αυτόματη μεθοδολογία μας προσδιορίζει το όριο φασματικά και όχι χωρικά . Το θεματικό σφάλμα κυμαίνεται. σε ± 10% στις εικόνες μας. Έτσι προκύπτει ένα αθροιστικό σφάλμα στην μέθοδό μας της τάξεως του 15%. Αντίθετα, το σφάλμα της επίγειας μέτρησης δεν είναι γνωστό. Επίσης, αποκλείεται η ύπαρξη σφάλματος στους υπολογισμούς μας λόγω αλλαγής της φασματικής υπογραφής των καμένων εκτάσεων διότι ο χρόνος που μεσολάβησε από την εκδήλωση της φωτιάς Ιούλιος 1998 έως την σάρωση της περιοχής από τον δορυφόρο είναι πολύ μικρός (Αύγουστος 1998). Το συμπέρασμα από τη χρήση της τηλεπισκόπισης για την εκτίμηση της καμένης βλάστησης στις νοτιοανατολικές πλαγιές της Πεντέλης είναι πρώτον όλοι οι δείκτες έδωσαν παρόμοια αποτελέσματα και δεύτερον ότι η 50% απόκλιση που βρέθηκε στον υπολογισμό του εμβαδού των καμένων του 1998 μεταξύ των δύο μεθόδων, οφείλεται στην υπερεκτίμηση που γίνεται στην τοποθέτηση της οριογραμμής με την επίγεια μέθοδο. Επίσης, συμπεραίνεται ότι η ψηφιακή μέθοδος υπερέχει της επίγειας σε χρόνο αφού η απόκτηση της εικόνας μετά την πυρκαγιά, η διόρθωσή της με ψηφιακό μοντέλο εδάφους και η χαρτογράφηση της καμένης περιοχής μπορεί να γίνει σε διάστημα μικρότερο από ένα μήνα.

Εικόνα 1. 20-8-1994. Το πράσινο χρώμα δείχνει την υγιή βλάστηση και τις αστικές περιοχές. Το κόκκινο δείχνει την τιμή 4 του δείκτη. © IIS S.A. 1999

Εικόνα 2. 14-8-1996. Το κόκκινο χρώμα δείχνει την καμένη έκταση από την πυρκαγιά του 1995. © IIS S.A. 1999