Αξιολόγηση Οπτικών Δεδομένων Τηλεπισκόπησης σε Χαρτογράφηση Καμένων Περιοχών στο νησί της Θάσου

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 14:41, 7 Φεβρουαρίου 2023

Πηγή: Elhag, Μ., Yimaz, Ν., Bahrawi, J. & Boteva, S. (2020) Evaluation of Optical Remote Sensing Data in Burned Areas Mapping of Thasos Island, Greece. Earth Systems and Environment, 4, 813–826. https://doi.org/10.1007/s41748-020-00195-1

Λέξεις κλειδιά: Δασικές πυρκαγιές, Μεσογειακό οικοσύστημα, NDVI

1. Εισαγωγή

Στην Ελλάδα, οι περισσότερες δασικές περιοχές αντιμετωπίζουν κάθε χρόνο προβλήματα δασικών πυρκαγιών. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται αύξηση του φαινομένου στη χώρα, με αποκορύφωμα το 2016, όπου σημειώθηκε ο μέγιστος αριθμός των 206 πυρκαγιών και η συνολική καμένη έκταση των 6938,8 ha. Αιτία είναι κυρίως ο εμπρησμός, με τις καλοκαιρινές καιρικές συνθήκες να ευνοούν την εξάπλωσή τους. Το κλίμα, (υψηλές θερμοκρασίες, χαμηλή υγρασία και μεγάλη ξηροθερμική περίοδος), όπως και τα εύφλεκτα φρύγανα ευνοούν σημαντικά την πρόκληση μιας πυρκαγιάς, με χαρακτηριστικό παράδειγμα το νησί της Κρήτης. Η αξιολόγηση των δασικών πυρκαγιών έχει ως στόχο την πρόληψη και την καταστολή τους, δίνοντας βάση στη συγκομιδή της ξυλείας και τις οικολογικές επιπτώσεις της περιοχής. Ως εκ τούτου, η χαρτογράφηση αποτελεί ουσιώδες εργαλείο καταγραφής τους, χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές τηλεπισκόπησης και μηχανισμούς ανίχνευσης των καμένων περιοχών (δείκτες βλάστησης NDVI, μοντέλα λογιστικής παλινδρόμησης, ανάλυση κύριου στοιχείου PCA). Στη συγκεκριμένη έρευνα λήφθηκαν πολυφασματικά δεδομένα από εικόνες Landsat-8 και αεροφωτογραφίες, εντοπίζοντας τις αλλαγές που παρουσιάστηκαν πριν και μετά τις πυρκαγιές. Επίσης, δόθηκε βάση στη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της PCA ως προς τη βελτίωση της χαρτογράφησης, στον καθορισμό του καταλληλότερου συνδυασμού καναλιών για τη χαρτογράφηση της καμένης περιοχής και στην εκτίμηση της ακρίβειας του χάρτη σε σχέση με τα επίσημα στοιχεία της Δασικής Υπηρεσίας.

2. Μεθοδολογία

Η περιοχή έρευνας ήταν το βορειότερο νησί της Ελλάδας, η Θάσος. Ανήκει στην περιφέρεια της Καβάλας στην Κεντρική Μακεδονία, με συντεταγμένες από 24°30’ έως 24°48’ Α και από 40°33’ έως 40°49’ Β. Η τοπογραφία της Θάσου χαρακτηρίζεται ως ορεινή, με μέγιστο υψόμετρο τα 1217 m. Το κλίμα είναι μεσογειακό, με υγρούς χειμώνες και ξηρά καλοκαίρια, ενώ το γεωλογικό υπόβαθρο περιλαμβάνει ασβεστόλιθο και μάρμαρο, ηφαιστειογενούς προέλευσης. Ο μεγαλύτερος αριθμός των πυρκαγιών που προκλήθηκαν στη Θάσο προέκυψε τη δεκαετία 2010-2020, με σταθμό τις πυρκαγιές του 2016 και 2018, οι οποίες είχαν ως αποτέλεσμα την απώλεια περίπου 20.000 ha τραχείας και μαύρης πεύκης (Pinus brutia, Pinus nigra), δηλαδή έκταση μεγαλύτερη από το μισό μέγεθος του νησιού. Τα στοιχεία που προσκομίστηκαν για την έρευνα προήλθαν από δύο δορυφορικές εικόνες Landsat-8, με νεφοκάλυψη μικρότερη του 5%. Η πρώτη απεικόνιζε την περιοχή έξι ημέρες πριν την έξαρση της πρώτης πυρκαγιάς (4 Αυγούστου 2016), ενώ η δεύτερη μετά τη λήξη της δεύτερης πυρκαγιάς (24 Οκτωβρίου 2018). Τα οπτικά κανάλια των φωτογραφιών ήταν 11 και περιλάμβαναν το οπτικό, το εγγύς υπέρυθρο, το μέσο υπέρυθρο, το θερμικό υπέρυθρο και το πανχρωματικό. Η χωρική ανάλυση των εικόνων είχε εύρος από 15 m έως 100 m. Στη συνέχεια, ακολούθησε η ταξινόμηση των εικονοστοιχείων (pixels) δύο εικόνων με σκοπό την αναγνώριση των διαφορετικών κλάσεων της κάλυψης γης (Land Cover) της περιοχής μελέτης. Χρησιμοποιήθηκε ο συνδυασμός καναλιών 4-3-2, ο οποίος αποδίδει την καταλληλότερη οπτική αντίθεση ανάμεσα στις κατηγορίες χρήσεων γης. Για την ταξινόμηση αυτή, έγινε χρήση του παραμετρικού αλγορίθμου, ο οποίος αποσκοπεί στην οριοθέτηση των περιοχών σε πολυδιάστατα δεδομένα μέσω της κατηγοριοποίησης των εικονοστοιχείων, σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση πιθανοτήτων:

Benchl_p1_exisosi1.png

Όπου i: κλάση, x: n-διάστατα δεδομένα (όπου n είναι ο αριθμός των καναλιών), p(ωi): η πιθανότητα ότι η κλάση ωi εμφανίζεται στην εικόνα και θεωρείται το ίδιο για όλες τις κλάσεις, |Σi|: η ορίζουσα του πίνακα συνδιακύμανσης των δεδομένων στην κλάση ωi, Σi−1: ο αντίστροφος πίνακας, mi: μέσο διάνυσμα. Η ακρίβεια των δύο ταξινομήσεων αξιολογήθηκε μέσω της σύγκρισης πινάκων σφαλμάτων και του συντελεστή Κάπα (Khat), συγκρίνοντας τα πραγματικά στοιχεία του πεδίου με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της αυτοματοποιημένης ταξινόμησης. Η συνολική ακρίβεια υπολογίζεται με τη διαίρεση του συνολικού αριθμού των σωστά ταξινομημένων pixels δια το συνολικό αριθμό των pixels. Με αυτό τον τρόπο, διαφαίνεται εάν η κλάση στο χάρτη αντιστοιχεί σε πραγματικά περιβαλλοντικά δεδομένα. Για τον υπολογισμό της συνολικής ακρίβειας χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση:

Benchl_p1_exisosi2.png

Όπου Caa: ένα στοιχείο στη θέση ath γραμμής και ath στήλης, Q και U: ο συνολικός αριθμός pixels και κλάσεων, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τη στατιστική μέθοδο της PCA, το κανάλι 5 θεωρήθηκε το καταλληλότερο για την ανίχνευση των καμένων περιοχών και για τις δύο φωτογραφίες και έγινε χρήση των αντίστοιχων PCA εξισώσεων με σκοπό την πολυχρονική ανάλυση και την ανάδειξη περισσότερων δεδομένων για τις δύο πυρκαγιές ξεχωριστά. Τα κανάλια 3, 4 και 7 ήταν επίσης χρήσιμα. Επιπλέον, δόθηκε βάση και στο δείκτη NDVI, για την περιγραφή της κάλυψης και της δυναμικής της βλάστησης. Ο συνδυασμός της PCA και του NDVI αποτέλεσαν το κύριο μέσο για τη χαρτογράφηση των καμένων πυρκαγιών της Θάσου.

3. Αποτελέσματα

Κατά την ταξινόμηση των εικονοστοιχείων των δύο εικόνων δημιουργήθηκαν οχτώ κλάσεις για την καθεμία ξεχωριστά. Αυτές ήταν: ελαιώνες, φυσικά λιβάδια, περιοχές με αραιή βλάστηση, μικτά δάση, τοποθεσίες εξόρυξης ορυκτών, αστικές περιοχές, αλυκές και περιφερειακά υδάτινα σώματα (θάλασσα). Αντίστοιχα, η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης αυτής φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα, με τον συντελεστή Κάπα να κυμαίνεται στις τιμές 0,92 και 0,94:

Πίνακας 1. Συνολική ακρίβεια και Συντελεστής Κάπα της εποπτευόμενης ταξινόμησης των χαρτών.