Η χρήση της τηλεπισκόπησης στο Εθνικό Πρόγραμμα Αλλαγής των Χρήσεων Γης της Κίνας

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:44, 2 Μαρτίου 2010

Αντικείμενο Εφαρμογής

Αντικείμενο της εφαρμογής είναι η μελέτη της μεταβολής των χρήσεων γης στην Κίνα. Συγκεκριμένα αναφέρεται στο Εθνικό Πρόγραμμα της Κίνας (National Land Use Change Program of China) το οποίο δημιουργήθηκε για την παρακολούθηση της αστικής διάχυσης και τη μεταβολή των καλλιεργούμενων εκτάσεων που προκύπτει από αυτή, χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης.

Στόχος της Εφαρμογής

Στόχος της εφαρμογής είναι η περιγραφή του προγράμματος και η ανάδειξη της χρησιμότητας των τηλεπισκοπικών μεθόδων για το σχεδιασμό και τη διαχείριση του χώρου.

Εικόνα 1: Το διάγραμμα ροής εργασιών του προγράμματος.

Είδη δορυφορικών ή αερομεταφερόμενων συστημάτων

Τα κυριότερα δορυφορικά συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν είναι:

• Landsat TM/ETM+

• SPOT 1/2/4

Επιπλέον χρησιμοποιήθηκαν οι δορυφόροι:

• CBERS – 1 (China – Brasil Earth Resources Satellite) και SPOT 5

• QuickBird

• IKONOS

Και το εικονοληπτικό Radar συνθετικού ανοίγματος κεραίας: Radarsat – 1 SAR (Synthetic Aperture Radar)

Είδη δορυφόρων, δεκτών και καναλιών

Το 1999 χρησιμοποιήθηκαν 125 εικόνες Landsat 5 TM (όλα τα κανάλια), 810 εικόνες SPOT 1/2/4 (πανγχρωματικό κανάλι) και 630 αεροφωτογραφίες. Το 2002 άρχισε να χρησιμοποιείται ο SPOT 5 (πολυφασματικό και το παγχρωματικό κανάλι). Το 2004 χρησιμοποιήθηκαν οι δορυφόροι IKONOS και Quicbird (πολυφασματικό και πανγχρωματικό κανάλι).

Χρησιμότητα των δεκτών/καναλιών

Η χρήση του δορυφόρου SPOT 1/2/4 (με τους δέκτες HRV – High Resolution Visible) με χωρική ανάλυση 30m x 30m και 10m x 10m και αργότερα του SPOT 5 με χωρική ανάλυση 2,5m x 2,5 m, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε σε μεγαλύτερο βαθμό, δίνει με αξιοπιστία τις μεταβολές στις χρήσεις γης, ενώ ο νέος δορυφόρος έχει υψηλότερη γεωμετρική ακρίβεια σε σχέση με το spot 1/2/4. Επιπλέον, επιτρέπει την επαναληπτική λήψη εικόνων σε μια θέση και σε καθημερινή βάση για μικρό όμως χρονικό διάστημα. Οι εικόνες από τους IKONOS και Quickbird χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση των αλλαγών στις χρήσεις γης στις αστικές περιοχές, λόγω του γεγονότος ότι η παροχή εικόνων έχει υψηλό κόστος. Το εικονοληπτικό Radar παρέχει πληροφορίες για τις φυσικές ιδιότητες του χώρου: τοπογραφία, μορφολογία και τραχύτητα και χρησιμοποιείται όπου απαιτούνται επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις ανεξάρτητα από τις συνθήκες οπτικής ορατότητας. Είναι σύστημα κατάλληλο για την παρακολούθηση δυναμικών φαινομένων με βραχύχρονες εξελίξεις. Χρησιμοποιήθηκε από το πρόγραμμα για την παρακολούθηση των αλλαγών στις χρήσεις γης σε ορισμένες νοτιοδυτικές πόλεις της Κίνας, όπως για παράδειγμα η πόλη Chongqing, όπου συχνά ο καιρός είναι συννεφιασμένος.

Προεπεξεργασίες

Οι προεπεξεργασίες ανάλυσης των δορυφορικών εικόνων που χρησιμοποιούνται είναι:

• η ραδιομετρική διόρθωση

Σκοπός της ραδιομετρικής διόρθωσης είναι να απαλειφθούν ή να ελαττωθούν οι ασυμβατότητες μεταξύ των ανιχνευτών, οι ελαττωματικές τους λειτουργίες και οι επιδράσεις των ατμοσφαιρικών φαινομένων και της ηλιακής ακτινοβολίας.

Η συνάρτηση της ραδιομετρικής διόρθωσης, σύμφωνα με τη μέθοδο της γραμμικής παλινδρόμησης που χρησιμοποιείται είναι:

(DNreference)i=a+bx(DNnormalized)i

όπου i, ο αριθμός του καναλιού της εικόνας που χρησιμοποιείται a και β είναι οι παράμετροι της γραμμικής παλινδρόμησης DN οι καταγεγραμμένες και οι μετρηθείσες ψηφιακές τιμές των ανιχνευτών

• η γεωμετρική διόρθωση

Σκοπός της γεωμετρικής διόρθωσης είναι η εξάλειψη των γεωμετρικών παραμορφώσεων ώστε να μπορούν οι ψηφιακές εικόνες να χρησιμοποιούνται ως γεωγραφικά δεδομένα. Είναι απαραίτητη προκειμένου να γίνονται σωστές μετρήσεις μιας περιοχής (πραγματικές αποστάσεις, έκταση κτλ), ακριβής εντοπισμών σημείων και να ενσωματώνονται πολλά και διαφορετικά δεδομένα υπό ένα κοινό σύστημα αναφοράς.

• Image differencing

Χρησιμοποιούνται διάφοροι αλγόριθμοι όπως:

• IHS transformation

• linear composition

• multiplication/ratio operation

• Brovey transformation

• high-pass modulation

• Principal Component Analysis

Ψηφιακές επεξεργασίες/αλγόριθμοι και αποτελέσματα

Εφαρμόστηκαν τα εξής:

• Principal Components Analysis (PCA), για τον προσδιορισμό των χωρικών αλλαγών.

Εικόνα 3: PCA για τον προσδιορισμό των αλλαγών. Στις εικόνες (a) και (b) απεικονίζονται εικόνες Landsat 7 TM+, που έχουν ληφθεί στις 24 Σεπτεμβρίου 2000 και στις 3 Σεπτεμβρίου 2001, αντίστοιχα. Η εικόνα (c) παρουσιάζεται με ETM+ και συνδυασμό των καναλιών 5(R) - 4(G) - 3(B). Οι αλλαγές έχουν επισημανθεί με τον μετασχημστισμό των PC3-PC6-PC6 σε κανάλια R-G-B. Ο μετασχηματισμόςβασίζεται σε ένα σετ από 6 πολυφασματικά κανάλια (εκτός του θερμικού) και των δυο ετών. Οι περιοχές με κόκκινο χρώμα είναι αυτές που έχουν οικοδομηθεί ενώ με μπλε χρώμα είναι αυτές που έχουν μετασχηματιστεί από αγροτική γη σε υδάτινες περιοχές.

• Tasselled Cap, για να προσδιοριστούν οι αλλαγές στις χρήσεις γης, οι μεταβολές στις δασικές εκτάσεις και η ανάπτυξη των καλλιεργειών.

Εικόνα 3: Tasselled Cap, για τον προσδιορισμό των αλλαγών στις χρήσεις γης. Οι εικόνες (a) και (b) δείχνουν εικόνες Landsat ETM+ που έχουν ληφθεί στις 24 Σεπτεμβρίου 2000 και στις 3 Σεπτεμβρίου 2001, αντίστοιχα, από την περιοχή της Lvshun harbor, Dalian, στην Κίνα. Τα 6 κανάλια των δυο ETM+ έχουν μετασχηματιστεί ώστε να αποκτήσουν φωτεινότητα και να έχουν έντονο πράσινο χρώμα. Στην εικόνα (c) παρουσιάζεται η διαφορά της φωτεινότητας. Οι αλλαγές των χρήσεων γης χαρακτηρίζονται από τη γρήγορη ανάπτυξη των υποδομών συμπεριλαμβανομένων του οδικού δικτύου και των λιμανιών. Οι διαφορετικές τιμές της φωτεινότητας περιλαμβάνουν σχεδόν όλες τις κατηγορίες των αλλαγών, οι οποίες είναι κυρίως από αγροτική γη - δάση - νερό σε οικοδομήσιμες περιοχές.

• Image differencing για τον εντοπισμό αλλαγών στις χρήσεις γης συνδυάζοντας δυο εικόνες διαφορετικών ετών αλλά με κοινό σημείο λήψης.

• Δείκτης NDVI, για τον εντοπισμό των καλλιεργήσιμων και δασικών εκτάσεων.

Η χρήση των παραπάνω κατέληξε στο να κατηγοριοποιηθούν οι χρήσεις γης όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Εικόνα: Κατηγορίες Χρήσεων Γης.

Χρήση επιπρόσθετων χαρτών, βάσεων δεδομένων και GIS

Σε συνδυασμό με τις δορυφορικές εικόνες χρησιμοποιήθηκαν:

• Τοπογραφικοί Χάρτες (Digital Orthophoto Maps – DOM)

• Ψηφιακά μοντέλα εδάφους (Digital Elevation Models (DEM) σε κλίμακες από 1:10000 έως 1:100000

• Χάρτες χρήσεων και καλύψεων γης

• Βάση δεδομένων για τα διοικητικά όρια, οικισμούς κτλ

• Δεδομένα και μετρήσεις πεδίου GPS

Αναγκαιότητα χρήσεις τοπογραφικών χαρτών, GIS και βάσεων δεδομένων

Οι τοπογραφικοί χάρτες, τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους καθώς και οι μετρήσεις με GPS, είναι απαραίτητα για τη διόρθωση των γεωμετρικών παραμορφώσεων των εικόνων. Ειδικά, τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους χρησιμοποιούνται ευρέως για τη γεωμετρική διόρθωση δορυφορικών εικόνων ορεινών, απόκρημνων περιοχών ή εικόνες που λήφθηκαν υπό γωνία.

Οι χάρτες των χρήσεων και καλύψεων γης δίνουν σημαντικές πληροφορίες για διαχρονικές μεταβολές και συμβάλλουν στην ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων.

Ειδικές επεξεργασίες GIS και αποτελέσματα

Αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη χρήση της τηλεπισκόπησης είναι ότι παρείχε έγκαιρες και αξιόπιστες ποσοστικές και ποιοτικές πληροφορίες, επικαιροποιήθηκαν οι υφιστάμενες βάσεις δεδομένων με χαμηλό κόστος και σε λιγότερο χρόνο. Υπάρχει, πλέον, η δυνατότητα να ελέγχεται η εφαρμογή ενός πολεοδομικού ή χωροταξικού σχεδίου και να προστατευθούν τα συμφέροντα των άμεσα εμπλεκομένων σε αυτά. Η δυνατότητα συνεχής παρακολούθησης και ο έλεγχος των χρήσεων γης και των αλλαγών τους είναι εξίσου σημαντική.

Πλεονεκτήματα

• Η χρήση των αλγορίθμων όπως αυτοί έχουν δημιουργηθεί είναι προσαρμοσμένοι στις ανάγκες της κάθε περίπτωσης που εξετάζεται και πρακτικοί ως προς την εφαρμογή τους.

• Η χρήση αλγόριθμων για τη ραδιομετρική διόρθωση και τον συνδυασμό των εικόνων προκειμένου να αναδειχθούν οι διαφορές τους.

Μειονεκτήματα

• Βελτίωση στην αυτοματοποίηση της επεξεργασίας των εικόνων

• Οι υφιστάμενοι αλγόριθμοι δεν καλύπτουν όλες τις περιπτώσεις

• Η ταξινόμηση όπως γίνεται σήμερα δεν παρέχει υψηλό ποσοστό συνοχής των αποτελεσμάτων

• Δεν είναι χρήσιμα όλα τα αποτελέσματα

Προοπτικές

• Η δημιουργία βάσης δεδομένων με δορυφορικές εικόνες από όλη την περίοδο λειτουργίας του προγράμματος

• Η επεξεργασία των ετήσιων αποτελεσμάτων ανίχνευσης και ανάλυση των τάσεων στις χρήσεις γης και τις επιπτώσεις των αλλαγών στο τοπικό και περιφερειακό φυσικό περιβάλλον.

• Η βελτίωση αλγορίθμων για την ταξινόμηση των χρήσεων γης και εύρεση νέων εργαλείων για να πραγματοποιηθεί αυτό.

• Η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων για την ανίχνευση των αλλαγών