Η χρήση των τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση των καμένων εκτάσεων και των αλλαγών κάλυψης γης στην Σκιάθο

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 14:04, 26 Δεκεμβρίου 2017

Αντικείμενο Εφαρμογής: Η χρήση των τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση των καμένων εκτάσεων και των αλλαγών κάλυψης γης στην Σκιάθο Πρωτότυπος Τίτλος: Η χρήση των τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την εκτίμηση των καμένων εκτάσεων και των αλλαγών κάλυψης γης στην Σκιάθο Συγγραφείς: Ανδριανός Ρεταλης Λέξεις Κλειδιά: ∆ορυφορική τηλεπισκόπηση(satellite remote sensing), δασικές πυρκαϊές (forest fires), κάλυψη γης (land cover)

(file:///C:/Users/user/Downloads/9331-9311-1-PB%20(1).pdf)

Περίληψη
Στην συγκεκριμένη µελέτη παρουσιάστηκε η δυναµική της χρήσης των τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την εκτίµηση και καταγραφή των αλλαγών κάλυψης γης στην Σκιάθο που σχετίζονται µε τις δασικές πυρκαγιές. Για την αποτύπωση των αλλαγών κάλυψης γης και τον εντοπισµό αλλά και την καταγραφή των καµένων εκτάσεων, χρησιµοποιήθηκαν τρεις δορυφορικές εικόνες Landsat (1988, 1999 και 2000), στις οποίες εφαρµόστηκαν διάφορες τεχνικές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης, όπως οι αλγόριθµοι NDVI, MSAVI, καθώς και η µέθοδος της µη-επιβλεπόµενης ταξινόµησης. Τα αποτελέσµατα της µελέτης αυτής ήταν ο προσδιορισµός των καµένων εκτάσεων. Τα αποτελέσµατα είναι άµεσα συγκρίσιµα µε τα αντίστοιχα στοιχεία που προέκυψαν από επιτόπιες µετρήσεις. Τα αποτελέσµατα φανερώνουν την ευκολία αλλά και το χαµηλό κόστος που παρέχει η δορυφορική τηλεπισκόπηση για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικών µε τη µελέτη του φυσικού περιβάλλοντος.

Εισαγωγή

Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι ένα από τα πιο από σηµαντικό εργαλείο για περιβαλλοντικές εφαρµογές. Έτσι, εφαρμόζεται µε πολύ μεγάλη επιτυχία για την χαρτογράφηση και καταγραφή των αλλαγών κάλυψης γης. Θετικό αποτέλεσμα είναι το γεγονός της συλλογής δεδοµένων µε µεγάλη συχνότητα και ακρίβεια, δίνοντας πληροφορίες για τα φασµατικά χαρακτηριστικά των στοιχείων κάλυψης/χρήσης γης, αλλά και για το χώρο, το σχήµα και το µέγεθός τους .

Για την καταγραφή µεγάλων εκτάσεων κάλυψης γης, κατάλληλοι οι NOAA-AVHRR με δορυφορικές εικόνες χαµηλής διακριτικής ικανότητας. Ωστόσο, για αλλαγές κάλυψης γης σε περιοχές µικρής σχετικά έκτασης είναι απαραίτητο να χρησιµοποιηθούν δορυφορικές εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας, όπως είναι οι εικόνες των δορυφόρων Landsat TM and SPOT-XS. Η εκτίµηση και χαρτογράφηση των καµένων εκτάσεων από δασικές πυρκαγιές αποτελεί συχνά εφαρµογή της δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Οι καµένες εκτάσεις από µεγάλες δασικές πυρκαγιές, που σχετίζονται με τις αλλαγές της κάλυψης γης, έχουν αυξηθεί σε τεράστιο βαθµό τα τελευταία χρόνια στην περιοχή της Μεσογείου.

Ειδικά στο νησί της Σκιάθου, τα τελευταία δεκαπενταετία, οι δασικές πυρκαγιές είναι ένα συνηθισμένο φαινόµενο, µε συνέπεια την αλλαγή κάλυψης γης. Έτσι, οι πυρκαγιές µπορεί να αποτελέσουν τον κύριο δείκτη επίδρασης του ανθρώπου στις αλλαγές κάλυψης γης. Η καταγραφή των συνθηκών των δασικών πυρκαϊών είναι παίζει καθοριστικό ρόλο για τη διαχείριση των δασικών πόρων των ελληνικών νησιών και συγκεκριμένα για την ορθολογιστική κατανοµή των περιορισµένων δυνάµεων δασοπυρόσβεσης, ώστε να αντιμετωπιστούν έγκαιρα οι πυρκαγιές.

Ένας μεγάλος αριθµός πυρκαϊών στην περιοχή µελέτης παρατηρήθηκε από τον Ιούνιο του 1988 έως και τον Αύγουστο του 2000. Ειδικότερα, κατά την καλοκαιρινή περίοδο του 2000, οι πυρκαγιές στην Σκιάθο άλλαξαν σε σηµαντικό βαθµό το νησί. Οι πυρκαγιές ξεκίνησαν κάτω από αδιευκρίνιστες αιτίες και και με την βοήθεια των ανέμων εξαπλώθηκαν σε σύντομο χρονικό διάστημα σε μεγάλη έκταση.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή µελέτης εστιάζεται στον γεωγραφικό χώρο των Βορείων Σποράδων και ιδιαίτερα στην περιοχή της Σκιάθος, όπου ο τουρισµός αποτελεί µία σηµαντική πηγή εσόδων για την οικονοµική της ανάπτυξη. Η Σκιάθος έχει µήκος 5 περίπου µίλια και πλάτος 9 µίλια, περίπου. Χαρακτηρίζεται από την έντονη παρουσία πευκόφυτων δασικών εκτάσεων και τις αναρίθµητες (περίπου 62) όµορφες αµµώδεις παραλίες. Ο πληθυσµός της ανέρχεται σε 5,000 περίπου κατοίκους, από τους οποίους οι περισσότεροι διαµένουν στη χώρα. Οι κυριότερες δραστηριότητες των κατοίκων είναι η γεωργία (ιδιαίτερα η παραγωγή λαδιού από τα 600.000, περίπου, ελαιόδεντρα που υπάρχουν στο νησί), η αλιεία και ο τουρισµός.

Μεθοδολογία
Στην εργασία αυτή επιχειρείται µία συνδυασµένη χρήση των τεχνικών της τηλεπισκόπησης για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικών µε τη διαχρονική αλλαγή κάλυψης γης, καθώς και την αποτύπωση των καµένων εκτάσεων στην Σκιάθο. Τα δεδοµένα που χρησιµοποιήθηκαν αφορούν ιστορικά αρχεία από συµβάντα πυρκαϊών, καθώς και δορυφορικά δεδοµένα.

Για την χαρτογράφηση της καμένης γης αλλά και την εκτίµηση των αλλαγών κάλυψης γης έγιναν κάποιες ενέργεις οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω.

Α. Απόκτηση δορυφορικών εικόνων απαλλαγµένων από την παρουσία νεφών και ραδιοµετρικών λαθών, Β. Προ-επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων, Γ. Χαρτογράφηση των καµένων εκτάσεων και των αλλαγών κάλυψης/χρήσης γης µε τη χρήση κατάλληλων τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης.

 Προεπεξεργασία δορυφορικών εικόνων 

Για την εργασίας αυτής έγινε χρήση των τριών δορυφορικών εικόνων Landsat µε ηµεροµηνίες λήψης 12 Ιουνίου 1988 (Landsat-5 ΤΜ), 14 Αυγούστου 1999 (Landsat-5 ΤΜ) και 24 Αυγούστου 2000 (Landsat-7 ΕΤΜ+), αντίστοιχα.

Η προ-επεξεργασία των δορυφορικών δεδοµένων αναφέρεται σε κάποιες ενέργεις που γίνονται πριν την κύρια ανάλυση των δεδομένων και είναι η γεωµετρική και ραδιοµετρική διόρθωση (βαθµονόµηση δέκτη και ατµοσφαιρική διόρθωση).

Γεωµετρική διόρθωση

Οι δορυφορικές εικόνες διορθώθηκαν γεωµετρικά και αναχθήκανε στο ίδιο γεωγραφικό σύστηµα αναφοράς (Universal Transverse Mercator). Η γεωµετρική διόρθωση έγινε µε τη µέθοδο της λήψης επίγειων σηµείων ελέγχου (GCP's) και τη χρήση ψηφιακού µοντέλου εδάφους (DEM), για την εξασφάλιση της καλύτερης χωρικής και θεµατικής ακρίβειας στις µετρήσεις. Ο αλγόριθµος που χρησιµοποιήθηκε ήταν του πλησιέστερου γειτονικού σηµείου.

Βαθµονόµηση δέκτη
Οι εικόνες που παρήχθησαν τους έγινε ραδιοµετρική διόρθωση, με μετατροπή των αρχικών ψηφιακές τιµές (DN) των εικόνων σε τιµές έντασης της ακτινοβολίας και στην συνέχεια σε τιµές ανακλαστικότητας. Η διαδικασία αυτή έπρεπε να γίνει με σκοπό την εφαρμογή της ατµοσφαιρικής διόρθωσης των εικόνων.

Ατµοσφαιρική διόρθωση

Εξαιτίας της µεταβολής της ατμόσφαιράς στις δορυφορικές εικόνες µε διαφορετική ηµεροµηνία λήψης, θεωρήθηκε αναγκαία να εφαρμοστεί ο αλγορίθµος της ατµοσφαιρικής διόρθωσης στις τρεις δορυφορικές εικόνες. Η µέθοδος ατµοσφαιρικής διόρθωσης που κρίθηκε ως η καταλληλότερη για την απαλοιφή της επίδρασης της ατµόσφαιρας στα δορυφορικά δεδοµένα ήταν η µέθοδος των σκοτεινών στόχων η οποία εφαρµόστηκε και στις τρεις δορυφορικές εικόνες .

Η χρήση των δορυφορικών δεδομένων για την εκτίμηση και καταγραφή των καμένων εκτάσεων

Οι τεχνικές της δορυφορικής τεχνολογίας έχουν αποδείξει ότι είναι σημαντικά και πολύτιµα εργαλεία για να καταγράφουν και να παρακολουθούν πιρκαγιές αλλά και να χαρτογραφούν καµένες εκτάσεις και να προσδιορίζουν της περιοχές υψηλής επικινδυνότητας. Ιδιαίτερα, ο προσδιορισµός των περιοχών υψηλής επικινδυνότητας αποτελεί σηµαντικό παράγοντα για τη λήψη κατάλληλων αποφάσεων σχετικά µε τη διαχείριση των δυνάµεων και µέσων καταστολής για την αποτελεσµατικότερη αντιµετώπιση πυρκαϊών.

Η χαρτογράφηση των δασικών πυρκαϊών µε τη χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης άρχισε στη το 1960 µε τη λήψη αεροφωτογραφιών από υπέρυθρους δέκτες. Στην συνέχεια, έγινε χρήση των δορυφορικών εικόνων NOAA- AVHRR με στόχο τον εντοπισµό της καµένης γης και/ή ενεργών πυρκαγιών, αλλά και για την χαρτογράφηση της βλάστησης. Τα δεδοµένα NOAA-AVHRR παρέχουν τη δυνατότητα της λήψης τουλάχιστον δύο εικόνων ηµερησίως. Το γεγονός της χαµηλής ανάλυσης αντισταθµίζεται από το γεγονός ότι παρέχουν πληροφορίες που καλύπτουν µεγάλες γεωγραφικές περιοχές.

Με την εξέλιξη της τεχνολογίας αναπτύχθηκαν δορυφορικά συστήµατα µε µεγαλύτερη χωρική ανάλυση, όπως οι δορυφόροι Landsat, SPOT, IRS, IKONOS και τελευταία ο QuickBird. Η υψηλή χωρική ανάλυση των δορυφόρων Landsat (30m) παρέχει τη δυνατότητα της καταγραφής πυρκαγιών. Μοναδικό ίσως µειονέκτηµα είναι η µικρή επαναληπτικότητα λήψης εικόνων, κάθε 16 μέρες, η οποία στερεί τη δυνατότητα της συνεχούς παρακολούθησης και ανίχνευσης πυρκαϊών. Οι δορυφορικές εικόνες Landsat TM έχουν κριθεί κατάλληλες για την χαρτογράφηση των καµένων εκτάσεων αλλά και για την εκτίµηση των πιθανών αλλαγών στις χρήσεις γης. Σε αυτή την µελέτη χρησιµοποιήθηκαν τρεις δορυφορικές εικόνες Landsat που καλύπτουν τη γεωγραφική περιοχή της νήσου Σκιάθος, για µία χρονική περίοδο 13 χρόνων (1988-2000) για τον εντοπισµό των καµένων εκτάσεων αλλά και τον προσδιορισµό των αλλαγών κάλυψης γης µε την εφαρµογή κατάλληλων αλγορίθµων.

Στην εικόνα 1 παρουσιάζονται οι τρεις δορυφορικές εικόνες της περιοχής µελέτης. Ο φασµατικός συνδυασµός των καναλιών (R-G-B: 7-4-1), έχει επιλεγεί κατάλληλα, έτσι ώστε να ξεχωρίζουν οι καµένες εκτάσεις που αποτυπώνονται µε κόκκινο χρώµα.

Εικόνα 1. Ψευδοέγχρωµες (RGB: 741) δορυφορικές εικόνες Landsat της περιοχής Σκιάθου στις οποίες οι καµένες εκτάσεις εµφανίζονται µε κόκκινο χρώµα.

Μεθοδοι εκτίμησης αλλαγών χρήσεων γης από δορυφορικά δεδομένα

∆είκτης NDVI

Ο πιο συνηθισμένος δείκτης βλάστησης είναι ο NDVI (Normalised Difference Vegetation Index), ο οποίος υπολογίζεται από τις τιµές της ανακλαστικότητας της ηλιακής ακτινοβολίας στις φασµατικές περιοχές του κόκκινου (R) και κοντινού υπέρυθρου (NIR), όπως περιγράφεται από την παρακάτω εξίσωση NDVI=(NIR-R)/NIR+R

Για τις δορυφορικές εικόνες Landsat TM, ο δείκτης NDVI ορίζεται ως NDVI= (LTM4-LTM3)/(LTM4+LTM3), όπου LTM4 και LTM3, είναι αντίστοιχα, οι τιµές της φασµατικής ανακλαστικότητας στο φασµατικό κανάλι του κοντινού υπέρυθρου και του κόκκινου καναλιού. Τα αποτελέσµατα από την εφαρµογή του αλγορίθµου NDVI παρουσιάζονται στην εικόνα 3. Όπως παρατηρείται οι καµένες εκτάσεις εµφανίζονται µε σκουρότερους τόνους του γκρι.

Εικόνα 2. Παρουσίαση των αποτελεσµάτων του αλγορίθµου NDVI.

∆είκτης MSAVI

Ο δείκτης SAVI (Soil-Adjusted Vegetation Index) περιγράφει την ελάχιστη επίδραση του φωτεινότητας του εδάφους στους φασµατικούς δείκτες βλάστησης στις περιοχές του κόκκινου (R) και κοντινού υπέρυθρου (NIR) του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Ο δείκτης SAVI ορίζεται ως εξής:

Εικόνα 3. δείκτης SAVI όπου L είναι ένας δείκτης που η τιµή του εξαρτάται από την πυκνότητα της βλάστησης και η τιµή του κυµαίνεται µεταξύ 0 και 1. Συνήθως χρησιµοποιείται ένας ενδιάµεσος τύπος βλάστησης (L=0.5).

Επίσης κάποιοι μελετητές πρότειναν έναν τροποποιηµένο δείκτη που ονοµάζεται MSAVI (Modified Soil-Adjusted Vegetation Index), ο οποίος λαµβάνει υπόψη τις διαφορές στο είδος του εδάφους.

Εικόνα 4. O δείκτη MSAVI.

Τα αποτελέσµατα του MSAVI παρουσιάζονται στο Σχήµα 3. Οι καµένες εκτάσεις απεικονίζονται µε σκοτεινότερες αποχρώσεις του γκρι. Στη δορυφορική εικόνα του Αυγούστου του 2000, ξεχωρίζουν και οι καµένες εκτάσεις που προηγήθηκαν του Αυγούστου, αλλά µε πιο ανοικτόχρωµους τόνους του γκρι.

Εικόνα 5. Παρουσίαση των αποτελεσµάτων του αλγορίθµου MSAVI. .

Μη-επιβλεπόµενη ταξινόµηση

Για την εξαγωγή των πιθανών αλλαγών κάλυψης γης διαχρονικά, εφαρµόστηκε η µέθοδος της µη επιβλεπόµενης ταξινόµησης. Για τον σκοπό αυτό χρησιµοποιήθηκε ο αλγόριθµος ISODATA του λογισµικού επεξεργασίας εικόνων ERDAS Imagine 8.4. Στην εικόνα 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της µεθόδου της µη επιβλεπόµενης ταξινόµησης. Οι κατηγορίες χρήσεων γης που προκαθορίστηκαν για την εκτέλεση του αλγορίθµου είναι επτά (7). Με µωβ χρώµα απεικονίζονται οι αστικές περιοχές, µε πράσινα χρώµατα οι διάφορες δασικές περιοχές, µε µπεζ χρώµα οι γυµνές περιοχές (χώµα) και µε κίτρινο οι αγροτικές περιοχές. Οι διαφορές που εµφανίζονται στα αποτελέσµατα της ταξινόµησης στις τρεις δορυφορικές εικόνες αντιπροσωπεύουν τις αλλαγές στην κάλυψη γης, οι οποίες σχετίζονται µε τις δασικές πυρκαγιές.

Εικόνα 6. Αποτελέσµατα του αλγορίθµου της µη επιβλεπόµενης ταξινόµησης.

Αποτελέσματα-συμπεράσματα

Αφού υπολογίστηκαν οι δείκτες βλάστησης και η θεµατική αναγνώριση των τιµών τους πραγµατοποιήθηκε µέτρηση των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στην καµένη βλάστηση σε αυτές τις περιοχές. Η καµένη έκταση που υπολογίστηκε από τους δείκτες NDVI and MSAVI για την πυρκαγιά του 1999 στην περιοχή µελέτης είναι 2483,1 στρεµ. και 2481,3 στρεµ., αντίστοιχα, ενώ για την πυρκαγιά του 2000 είναι 2629,8 στρεµ. και 2624,4 στρεµ., αντίστοιχα. Οι καµένες εκτάσεις όπως αποδόθηκαν από την µη-επιβλεπόµενη ταξινόµηση είναι 2430,9 στρεµ. (1999) και 2601,9 στρεµ. (2000). Οι αντίστοιχες καµένες εκτάσεις όπως αυτές καταγράφηκαν στην Περιφέρεια της Σκιάθου µε επίγειες παρατηρήσεις είναι 2630 στρεµ. και 2775 στρεµ.

Παρουσιάζεται µία απόκλιση από την έκταση που υπολογίστηκε αυτόµατα από τις ψηφιακές µεθόδους ως προς αυτές που χαρακτηρίστηκαν ως αναδασωτέες. Η απόκλιση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι ο δασολόγος (ή φωτοερµηνευτής) λαµβάνει υπόψη του ότι οι καµένες δασικές εκτάσεις πρόκειται να κηρυχθούν αναδασωτέες, οπότε τα όρια είναι προτιµότερο να αποκλίνουν προς τα άνω. Με τον τρόπο αυτό, αναπόφευκτα, περιλαµβάνονται θύλακες υγιούς βλαστήσεως εντός της καµένης περιοχής, πράγµα το οποίο δεν συµβαίνει µε την αυτόµατη µέθοδο. Επιπλέον, στον υπολογισµό της καµένης έκτασης µε τις ψηφιακές µεθόδους τηλεπισκόπισης υπεισέρχονται σφάλµατα που µπορεί να οφείλονται είτε στην αλλαγή της κλίµακας των δεικτών.

Το τελικό συµπέρασµα από τη χρήση της τηλεπισκόπησης για την εκτίµηση της καµένης βλάστησης στην περιοχή της Σκιάθου είναι ότι όλοι οι δείκτες έδωσαν παρόµοια αποτελέσµατα και αρκετά συγκρίσιµα µε τα αποτελέσµατα της χαρτογράφησης µε επίγειες µεθόδους. Επίσης, οδηγούμαστε στο συμπέρα εξαγωγής πολλών χρήσιµων πληροφοριών σε μικρό χρόνο και σε µεγάλη κλίµακα με σκοπό την καταγραφή της επικινδυνότητας, τον εντοπισµό κινδύνων και των θέσεων ενεργών πυρκαϊών, και την εκτίµηση της καταστροφής και της έκτασης των καµένων εκτάσεων.

Τέλος, τα αποτελέσµατα των τεχνικών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης που εφαρµόστηκαν στις 3 δορυφορικές εικόνες Landsat, δείχνοντας καθαρά τις τεράστιες αλλαγές που έγιναν τα τελευταία 13 χρόνια (1988-2000) στην κάλυψη γης.. Επιπλέον, είναι εµφανής η γενικότερη αλλαγή στο φυσικό περιβάλλον ιδιαίτερα στις περιοχές που έχουν καεί, τα τελευταία χρόνια, και οι οποίες γειτνιάζουν. Τα αποτελέσµατα αυτά φανερώνουν την ευκολία αλλά και το χαµηλό κόστος που παρέχει η δορυφορική τηλεπισκόπηση για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικών µε τη µελέτη του φυσικού περιβάλλοντος.