Συμβολή των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και της τηλεπισκόπησης στην υδρογεωλογία της ΒΑ Χαλκιδικής

Από RemoteSensing Wiki

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η ευρύτερη περιοχή της Ολυμπιάδας, που βρίσκεται στο ΒΑ τμήμα του νομού Χαλκιδικής (Εικόνα 1), είναι μια περιοχή που έχει μελετηθεί επαρκώς από γεωλογική και υδρογεωλογική σκοπιά και υπάρχει πλήθος στοιχείων. Με βάση τα στοιχεία αυτά, στην παραπάνω περιοχή , επιχειρείται: α) Η αξιολόγηση της δυνατότητας της πολυφασματικής δορυφορικής εικόνας Landsat-7/ETM+ και της πολυφασματικής εικόνας QuickBird στον εντοπισμό τμημάτων αυξημένης επιφανειακής εδαφικής υγρασίας (γνωρίζοντας την ύπαρξη αβαθών υδροφόρων συστημάτων στην περιοχή της Ολυμπιάδας). β) Η χαρτογράφηση γραμμώσεων με την χρήση των παραπάνω εικόνων.

Εικόνα 1: Η περιοχή μελέτης)

ΥΛΙΚΑ-ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα εξής: • Γεωλογικός χάρτης 1:25.000 του Ι.Γ.Μ.Ε., φύλλο : Ολυμπίαδας –Στρατωνίου Μεγάλης Παναγιάς- Παλαιοχωρίου. • Τοπογραφικοί χάρτες 1:50.000 της Γ.Υ.Σ., φύλλα: Ιερισσός, Σταυρός, Στρατονίκη. • Εικόνα ΕΤΜ+ του Landsat-7 (multispectral), ημερομηνία λήψης 11/01/2001, με τα εξής χαρακτηριστικά: path:183, row: 032, pixel size: 30, columns:6920, rows: 5960 • Εικόνα ΕΤΜ+ του Landsat-7 (panchromatic), ημερομηνία λήψης 11/01/2001, με τα εξής χαρακτηριστικά: path: 183, row: 032, pixel size: 15, columns: 13840, rows: 11920 • Εικόνες Quickbird (multispectral και panchromatic), ημερομηνία λήψης 04/11/2006. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω λογισμικά: • Λογισμικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας: ENVI • Γεωγραφικά Συστήματα πληροφοριών (G.I.S) : ArcGIS Σε αυτό το σημείο σημειώνεται, ότι το γεωδαιτικό Datum που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία ήταν το Παγκόσμιο Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς (Γ.Σ.Α.) WGS 84 (World Geodetic System 1984) του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ, καθώς και η Παγκόσμια Εγκάρσια Μερκατορική προβολή (απεικόνιση).

Στην πολυφασματική εικόνα Landsat-7/ETM+ ήταν εφικτός ο υπολογισμός της επιφανειακής θερμοκρασίας του εδάφους εξαιτίας της καταγραφής του θερμικού υπέρυθρου φάσματος από τον ενισχυμένο πολυφασματικό χαρτογράφο του δορυφόρου. Η επιφανειακή θερμότητα των αντικειμένων της γήινης επιφάνειας, που παρέχει ο θερμικός δίαυλος των δορυφόρων Landsat-7/ΕΤΜ+ υπολογίστηκε ακολουθώντας τα ακόλουθα βήματα: 1. Αρχικά η ψηφιακή τιμή μετατράπηκε σε ακτινοβολία L, σύμφωνα με την σχέση: L= c0 + c1 *DN Όπου οι συντελεστές, για τον δίαυλο 6, του δορυφόρου Landsat-7 ETM+ είναι: c0 =0, c1=0,06682 (mWcm-2sr-1μm-1) 2. Στη συνέχεια η ακτινοβολία μετατράπηκε σε θερμότητα Τc (βαθμοί Κελσίου), μέσω της σχέσης: Tc= K2/(ln(K1/L)+1) -273 Όπου Κ1 η σταθερά βαθμονόμησης 1 (σε watts/m2srμm) και Κ2 η σταθερά βαθμονόμησης 2 (σε Watts/m2srμm). Οι συντελεστές Κ1, Κ2 εξαρτώνται από το εύρος των θερμοκρασιών. Οι προκαθορισμένες τιμές για τον δορυφόρο Landsat-7/ΕΤΜ+ είναι Κ1 =666,09 και Κ2 = 1282,71 (Τσολακίδης,2004)(Nikolakopoylos et.al., 2003). Τα αποτελέσματα των μετασχηματισμών, δηλαδή των ψηφιακών τιμών DN του θερμικού διαύλου σε βαθμούς Κελσίου, παρουσιάζονται παρακάτω, ύστερα από χρήση του λογισμικών ENVI και ArcGIS για την πραγματοποίηση τους (εικόνα 2).

Εκτός από τον NDVI, εφαρμόστηκε επίσης ο “Δείκτης Υπέρυθρου Κανονικοποιημένης Διαφοράς” (Norrmalized Difference Infrared Index/ NDII), ο οποίος υπολογίζεται ως εξής (Tugrul Yilmaz M. et.al., 2007): NDII= (ρ0.85 – ρ1.65) / (ρ0.85 + ρ1.65) Όπου ρ0.85 η ανάκλαση της κοντινής υπέρυθρης ζώνης και ρ1.65 η ανάκλαση της shortwave υπέρυθρης ζώνης, με μήκος κύματος 0.85 μm και 1.65 μm, αντίστοιχα. Ο δείκτης NDII σχετίζεται με την υγρασία της βλάστησης. Στην περίπτωση του Landsat-7/ETM+, ο παραπάνω τύπος διαμορφώνεται ως εξής: NDΙI= 4-5/4+5

Εικόνα 2:. Επεξεργασμένη εικόνα που προέκυψε από τον υπολογισμό της επιφανειακής θερμοκρασίας από τον θερμικό δίαυλο του δορυφόρου Landsat-7/ETM+)

Εκτός από τον NDVI, εφαρμόστηκε επίσης ο “Δείκτης Υπέρυθρου Κανονικοποιημένης Διαφοράς” (Norrmalized Difference Infrared Index/ NDII), ο οποίος υπολογίζεται ως εξής (Tugrul Yilmaz M. et.al., 2007): NDII= (ρ0.85 – ρ1.65) / (ρ0.85 + ρ1.65) Όπου ρ0.85 η ανάκλαση της κοντινής υπέρυθρης ζώνης και ρ1.65 η ανάκλαση της shortwave υπέρυθρης ζώνης, με μήκος κύματος 0.85 μm και 1.65 μm, αντίστοιχα. Ο δείκτης NDII σχετίζεται με την υγρασία της βλάστησης. Στην περίπτωση του Landsat-7/ETM+, ο παραπάνω τύπος διαμορφώνεται ως εξής: NDΙI= 4-5/4+5 Η εφαρμογή του παραπάνω δείκτη στην πολυφασματική εικόνα Landsat-7 έδωσε τα αποτελέσματα που φαίνονται στην ψευδοέγχρωμη Εικόνα 4

Εικόνα 3:Ψευδοέγχρωμη απεικόνιση (pseudocolour display) της αρχικής εικόνας NDVI στους δορυφόρους Landsat-7/ETM+ (αριστερά) και QuickBird (δεξιά), με το λογισμικό ENVI.)

Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis/ PCA), στις πολυφασματικές εικόνες Landsat-7/ETM+ και QuickBird, με σκοπό την χαρτογράφηση φωτογραμμώσεων (Εικόνα 5). Ως γραμμώσεις θεωρήθηκαν δύο κυρίως είδη επιφανειακών χαρακτηριστικών: α. τα γεωμορφολογικά, που είναι αποτέλεσμα του αναγλύφου και β. τα τονικά που οφείλονται σε τονικές διαφορές. Σε αυτό το στάδιο χρησιμοποιήθηκαν γεωλογικοί και τοπογραφικοί χάρτες τόσο για την επιβεβαίωση ορισμένων φωτογραμμώσεων όσο και για την αποφυγή θεώρησης ως γραμμώσεων τμήματα του οδικού δικτύου της περιοχής.

Εικόνα 4:Ψευδοέγχρωμη απεικόνιση (pseudocolour display) της αρχικής εικόνας NDII, με το λογισμικό ENVI. Η διαβάθμιση της τιμής του NDII αντικατοπτρίζει την υγρασία της βλάστησης. Χαμηλή τιμή NDII (λευκό χρώμα) συνεπάγεται περισσότερη υγρασία, ενώ υψηλή τιμή NDII (σκούρο καφέ χρώμα) αντιπροσωπεύει απουσία υγρασίας )

Εικόνα 5:Σύνολο γραμμώσεων που χαρτογραφήθηκαν από τις δορυφορικές εικόνες και από τον χάρτη σκιασμένου ανάγλυφου. )

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Τα αποτελέσματα σχετικά με την θερμική εικόνα ήταν διαφορετικά από αυτά που αναμένονταν, κυρίως εξαιτίας της μικρής διακριτικής ικανότητας της εικόνας Landsat-7/ETM+ στη θερμική φασματική ζώνη (band 6) αλλά και λόγω του γεγονότος ότι οι θερμικές εικόνες του δορυφόρου Landsat-7/ETM+ καταγράφουν την επιφανειακή θερμική ακτινοβολία των αντικειμένων. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή των δεικτών βλάστησης (NDVI) και υπέρυθρου (NDII), τόσο στην πολυφασματική εικόνα Landsat-7/ETM+ όσο και στην πολυφασματική εικόνα του δορυφόρου QuickBird, ήταν ικανοποιητικά. Τα ποιοτικά αποτελέσματα των εικόνων συμπίπτουν σε μεγάλο βαθμό αλλά η εικόνα QuickBird υπερτερεί έναντι της Landsat-7/ETM+ ως προς την πολύ καλύτερη διακριτική ικανότητα (2,5m περίπου στο πολυφασματικό). Η εφαρμογή της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών φάνηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική στην χαρτογράφηση γραμμώσεων που σχετίζονται τόσο με τα ρήγματα όσο και με το υδρογραφικό δίκτυο της περιοχής.

Πηγή:Λαμπίρη Γ. Μαρία, 2009, ‘’Συμβολή των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και της Τηλεπισκόπησης στην υδρογεωλογία της ΒΑ Χαλκιδικής’’, Διατριβή Ειδίκευσης, ΑΠΘ, Δικτυακή τοποθεσία: http://invenio.lib.auth.gr/record/113899/files/labiri.pdf, Τελευταία επίσκεψη: 10/01/2010