Χρησιμοποίηση δορυφορικών εικόνων Landsat για τη μελέτη της εδαφικής υποβάθμισης και της “δυναμικής” της χρήσης γης.

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 14:06, 22 Φεβρουαρίου 2011

Χρησιμοποίηση δορυφορικών εικόνων Landsat για τη μελέτη της εδαφικής υποβάθμισης και της “δυναμικής” της χρήσης γης. Παράδειγμα μελέτης στη συνοικία Tamduong, της επαρχίας Vinphuc, στο Βιετνάμ.
Trinh M.V., Duong N.D., Keulen H.V., “Using Landsat images for studying Landuse dynamics and soil degradation. Case study in Tamduong district, Vinphuc province, Vietnam”, International Symposium on Geoinformatics for Spatial Infrastructure Development in Garth and Allied Sciences 2004[3]

1. Εισαγωγή

Η δασική αποψίλωση, η επημοποίηση και η εδαφική υποβάθμιση αποτελούσαν παγκοσμίως τα πιο κρίσιμα περιβαλλοντικά ζητήματα της τελευταίας δεκαετίας. Η παρακολούθηση των συνθηκών κάλυψης και των αλλαγών της είναι απαραίτητη για τον εντοπισμό των περιβαλλοντικών προβλημάτων τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα. Η ψηφιακή τηλεπισκόπηση αποτελεί ένα από τα βασικά εργαλεία στην παρακολούθηση των τοπικών, περιφεριακών και παγκοσμίων περιβαλλοντικών ζητημάτων. Ιδιαιτέρως η χωρική ανάλυση μέσω του συνδυασμού των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS)[4] και δορυφορικών εικόνων είναι πολλαπλά χρήσιμη για την περιβαλλοντική έρευνα και τις εφαρμογές της. Στο συγκεκριμένο άρθρο περιγράφεται μία μέθοδος κατά την οποία ψηφιακά δεδομένα από το δορυφόρο Landsat από διαφορετικές ημερομηνίες χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με πραγματικά εδαφικά δεδομένα για τη μελέτη της “δυναμικής” της χρήσης γης και της εδαφικής υποβάθμισης στη συνοικία Tamduong, στο βόρειο τμήμα του Βιετνάμ.

2. Μεθοδολογία

2.1 Περιοχή Μελέτης

Η περιοχή Tamduong στο Βιετνάμ βρίσκεται στα άναντη της λεκάνης απορροής του Ερυθρού ποταμού, περίπου 60km βορειοανατολικά του Hanoi. Η περιοχή έχει συνολική έκταση 19.799 εκταρίων, 8.045 εκτάρια γεωργικής γης, 6.744 εκτάρια δάσους και 1.628 εκτάρια μη καλλιεργούμενης γης. Επτά τύποι εδάφους μπορούν να διαχωριστούν: Acrisols, Cambisols, Glegsols, Fluvisols, Plinthosols, Arenosols και Leptosols.

2.2 Μεθοδολογία

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη αυτή είναι μία Landsat-MSS εικόνα (MSS84), που αποκτήθηκε στις 8 Μαίου 1984, και 4 Landsat-TM εικόνες, που αποκτήθηκαν στις 21 Οκτωβρίου 1992, στις 18 Οκτωβρίου 1996 και στις 11 Απριλίου 2000 (TM92, TM96 και TM00). Αν και οι εικόνες αποκτήθηκαν σε διαφορετικές ημερομηνίες, το καθεστώς κάλυψης γης είναι αρκετά παρόμοιο, διότι ο Οκτώβριος είναι η πρόωρη εποχή ξηρασίας με χαμηλή κάλυψη γης, όπωσ αντίστοιχα ο Απρίλιος και ο Μάιος, χρονικά διαστήματα κατά τα οποία η βιομάζα είναι πολύ χαμηλή, όπως είναι και η περιεκτικότητα του εδάφους σε νερό. Οι ψηφιακές εικόνες απεικονίζονται μέσω προσθετικών έγχρωμων συνθέτων, χρησιμοποιώντας τα τρία κύρια χρώματα, δηλαδή το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε (RGB). Συγκεκριμένα, για την MSS84 εικόνα χρησιμοποιήθηκε ο συνδυασμός RGB=4:3:2 ενώ για τις Landsat-TM εικόνες ο συνδυασμός RGB=5:4:3. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν λόγοι καναλιών οι οποίοι προέκυψαν από τη διαίρεση των ψηφιακών τιμών σ'ένα φασματικό κανάλι, με τις αντίστοιχες σ'ένα άλλο, με σκοπό την ανάδειξη των φασματικών χαρακτηριστικών των διαφόρων στοιχείων των εικόνων ανεξάρτητα από την έκταση των συνθηκών φωτισμού κατόπτευσης και το τοπογραφικό ανάγλυφο της περιοχής. Σε αυτή τη μελέτη εφαρμόστηκαν οι εξής λόγοι: του κόκκινου καναλιού προς το πράσινο (ratio=L/G) και του κόκκινου καναλιού προς το εγγύς κανάλι (ratio=R/NIR). Στην Landsat-TM εικόνα πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση για την διάκριση του υποβαθμισμένου εδάφους από το δασικό έδαφος καθώς και άλλων κατηγοριών χρήσεων γης. Ο ταξινομημένος χάρτης προσαπμόστηκε κατάλληλα σε σύγκριση με τον τοπογραφικό χάρτη των υποιβαθμισμένων εδαφών της περιοχής σε συνδυασμό με επίγειους ελέγχους. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν για την εδαφική υποβάθμιση προήλθαν από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων της επιβλεπόμενης ταξινόμησης που πραγματοποιήθηκε για κάθε RGB εικόνα-λόγος διαφορετικής ημερομηνίας απόκτησης, Σκοπός της όλης διαδικασίας ήταν η καλύτερη εξομοίωση της “δυναμικής” της χρήσης γης και η διάκριση των αλλαγών στα υποβαθμισμένα εδάφη της περιοχής μελέτης.

3. Αποτελέσματα

3.1 Προεπεξεργασία Εικόνων

Πριν την διαδικασία της ψηφιακής επεξεργασίας όλες οι εικόνες υπέστησαν ραδιομετρική διόρθωση. Πραγματοποιήθηκε διόρθωση της γωνίας ύψους του ηλίου, διόρθωση για την απόσταση γης-ηλίου και στη συνέχεια έγινε μετατροπή των ψηφιακών τιμών σε απόλυτες τιμές έντασης ακτινοβολίας. Κατόπιν οι εικόνες υπέστησαν γεωμετρική διόρθωση. Έγινε γεωαναφορά στις εικόνες και καταχώρηση τους σε συντεταγμένες UTMC (εγκάρσια μερκατορική προβολή)[5], με τη χρησιμοποίηση σημείων επίγειου ελέγχου γνωστών γεωδαιτικών συντεταγμένων από ένα τοπογραφικό χάρτη της περιοχής μελέτης, κλίμακας 1:50.000.

3.2 Επιλογή Λόγων Καναλιών και Επεξεργασία Εικόνων

Οι εικόνες-λόγοι είναι χρήσιμοι για την διάκριση μικρών φασματικών διαφορών μίας περιοχής κατόπευσης, οι οποίες ομογενοποιούνται από την διακύμανση των τιμών φωτεινότητας σε εικόνες μεμονωμένων φασματικών καναλιών ή στα έγχρωμα σύνθετα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι εικόνες-λόγοι απεικονίζουν τις διακυμάνσεις στις κλίσεις των καμπυλών φασματικής ανακλαστικότητας μεταξύ δύο καναλιών, ανεξαρτήτως των απολύτων τιμών ανακλαστικότητας που παρατηρούνται στα κανάλια. Με βάση αυτή την αρχή, η βλάστηση του εδάφους μπορεί να διακριθεί από το υποβαθμισμένο έδαφος με τη χρησιμοποιήση λόγων καναλιών. Συγκεκριμένα για το λόγο καναλιών R/G, τα γυμνά και υποβαθμισμένα εδάφη παρουσιάζουν υψηλή ανακλαστικότητα στο κόκκινο κανάλι αλλά χαμηλή στο πράσινο, ενώ τα εδάφη με βλάστηση παρουσιάζουν χαμηλή ανακλαστικότητα στο κόκκινο κανάλι. Ως εκ τούτου, η χρησιμοποίηση του λόγου R/G δίνει υψηλές ψηφιακές τιμές (οι οποίες έχουν μετραπεί σε απόλυτες τιμές έντασης ακτινοβολίας) για το υποβαθμισμένο έδαφος και χαμηλές για εδάφη με βλάστηση. Όταν η εικόνα απεικονίζεται μέσω του λόγου R/NiR, στοιχεία όπως το ωερό και οι δρόμοι, τα οποία έχουν υψηλές τιμές ανάκλασης στο κόκκινο κανάλι και χαμηλές τιμές στο εγγύς υπέρυθρο, να εμφανίζονται με ανοιχτόχρωμους τόνους. Χαρακτηριστικά όπως η βλάστηση εμφανίζονται με σκουρότερους τόνους λόγω της σχετικά μικρής ανακλαστικότητας στο κόκκινο κανάλι, και υψηλές ανακλαστικότητες στο εγγύς υπέρυθρο κανάλι. Και στις δύο εικόνες-λόγους (βλέπε εικόνα Ι), τα δάση (μπλε χρώμα) και τα υποβαθμισμένα εδάφη (κόκκινο χρώμα), μπορούν να διακριθούν εύκολα. Ο λόγος R/G όμως παρουσίασε ψηφιακές τιμές (DN) παρόμοιες μεταξύ των υποβαθμισμένων εδαφών και των κατοικίσιμων περιοχών, ενώ στο λόγο R/NiR ήταν εφικτή η διάκριση αυτών των στοιχείων, με τις κατοικίσιμες περιοχές να απεικονίζονται με πορτοκαλί χρώμα, οι αγροκαλλιέργειες με μπλε και τα δάση με πράσινο. Αυτή η διαφοροποίηση είχε ως αποτέλεσμα, κατά την εφαρμογή της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης, η εικόνα που απεικονίζεται μέσω του λόγου R/G να παρουσιάσει 4 φασματικές κατηγορίες ενώ από την εικόνα-λόγος R/NIR προέκυψαν 6 φασματικές κατηγορίες. Συνεπώς, προτιμήθηκε ο λόγος R/NIR για την περαιτέρω επεξεργασία και ανάλυση των εικόνων.

Εικόνα Ι. Αποτελέσματα επεξεργασίας εικόνων (a) έγχρωμο σύνθετο RGB 5:4:3, (b) λόγος καναλιού κόκκινο προς πράσινο, (c) επιβλεπόμενη ταξινόμηση με λόγο κόκκινο προς μπλε κανάλι, (d) λόγος καναλιού κόκκινο προς εγγύς υπέρυθρο, (e) υβριδική ταξινόμηση με λόγο κόκκινο προς εγγύς υπέρυθρο κανάλι, (f) επιβλεπόμενη ταξινόμηση με λόγο κόκκινο προς εγγύς υπέρυθρο κανάλι.[1]πηγή

3.3 Εδαφική Υποβάθμιση

Ο χάρτης της εδαφικής υποβάθμισης εξήχθη από τοπογραφικό χάρτη της περιοχής (Khang et al.,1998) σε συνδυασμό με επίγειους ελέγχους στην περιοχή μελέτης. Η κύρια αιτία της εδαφικής υποβάθμισης που υφίσταται η περιοχή είναι η υδατική διάβρωση που οφείλεται στη μείωση δασών, στη γεωργική παραγωγή σε εκτάσεις με κλίση χωρίς λίπασμα και στην ελλιπή προστασία του εδάφους. Τα περισσότερα εδάφη είναι αμμώδη με χαμηλό οργανικό άνθρακα, μικρή περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά, καθώς και χαμηλής ικανότητας ανταλλαγής κατιόντων.

3.4 Εδαφικές Παρατηρήσεις

Για κάθε ένα από τα 21 σημεία επίγειου ελέγχου (γνωστών γεωδαιτικών συντεταγμένων) καθορίστηκε το είδος, η κατάσταση και ο βαθμός της εδαφικής υποβάθμισης και τα αποτελέσματα παρουσιάσαν ικανοποιητική συμβατότητα και σύμφωνα με τον ταξινομημένο χάρτη (από το λόγο R/NIR) με 9 έντονα υποβαθμισμένες παρατηρήσεις σε γυμνά εδάφη, αμμώδη και φυτειών ευκαλύπτου. Κατόπιν, έγινε σύγκριση των δεδομένων από τον ταξινομημένο χάρτη (κυρίως για τα υποβαθμισμένα εδάφη) με τα δεδομένα από τον χάρτη εδαφικής υποβάθμισης και τα αποτελέσματα της σύγκρισης έδειξαν και αυτά μεγάλη συμβατότητα.

3.5 “Δυναμική” Εδαφικής Υποβάθμισης

Το υποβαθμισμένο έδαφος αναγνωρίστηκε κατά τη διαδικασία της ταξινόμησης με τη χρησιμοποίηση του λόγου R/NIR σε όλες τις εικόνες των ημερομηνιών 1984, 1992, 1996 και 2000. Τα αποτελέσματα (βλέπε εικόνα II) φανέρωναν την εικόνα της “δυναμικής” της υποβάθμισης του εδάφους από το 1984 και μετά. Η έκταση της εδαφικής υποβάθμισης στην περιοχή της Tamduong κυμάνθηκε από 2.437 εκτάρια το 1984 σε 3.282 εκτάρια το 1992, 2185 εκτάρια το 1996 και 2.576 εκτάρια το 2000. Η τάση αυτή είναι εύλογη και μπορεί να συσχετιστεί με την ανθρώπινη δραστηριότητα στην περιοχή: όταν κόπηκαν τα δάση, η υποβάθμιση του εδάφους ξεκίνησε να επιδεινώνεται μέχρι το 1992. Μεταξύ των ετών 1990-1992 πραγματοποιήθηκε μεγάλης κλίμακας αναδάσωση (επί το πλείστον ευκαλύπτων) με αποτέλεσμα να αυξάνεται η κάλυψη του εδάφους και η βιομάζα, μειώνοντας τη διάβρωση. Από το 1996 άρχισε ξανά η δασική εκμετάλλευση για την παραγωγή χαρτιού που είχε σαν συνέπεια την απότομη αύξηση της υποβάθμισης του εδάφους.

Εικόνα ΙΙ: Ταξινομημένοι χάρτες με τη χρησιμοποίηση του λόγου R/NIR το 1984, 1992 και 2000 στην Tamduong.[2]πηγή

4. Συμπεράσματα

Ο λόγος καναλιών R/NIR παρουσίασε καλύτερα αποτελέσματα από το λόγο R/G, χάρη στην χαμηλή συσχέτιση μεταξύ των δύο καναλιών (του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου). Η σύγκριση μεταξύ των έγχρωμων σύνθετων ταξινομημένων εικόνων έδειξε ότι τα πιο διαβρωμένα εδάφη εντοπίζονται σε πρεινά μέρη και σε αμμώδη εδάφη με κλίση. Η “δυναμική” της εδαφικής υποβάθμισης και οι αυξομειώσεις της δικαιολογούνται πλήρως από την επιρροή της ανθρώπινης δραστηριότητας στην περιοχή. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν τις δυνατότητες της χρήσης δορυφορικών απεικονίσεων για την αναγνώριση των υποβαθμισμένων εδαφών.