ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΚΑΙ Γ.Σ..Π. ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΕΝΙΑΙΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ: ΤΟ ΕΡΓΟ REALDEMS

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται η μεθοδολογία και τα αποτελέσματα του έργου REALDEMS, στα πλαίσια του οποίου παρήχθησαν ψηφιακά μοντέλα εδάφους και θεματικοί χάρτες κάλυψης γης για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου. Τα προϊόντα αυτά παρήχθησαν με χρήση δορυφορικής τεχνολογίας και συγκεκριμένα με τηλεπισκοπικά δεδομένα του ραδιομέτρου ASTER (Advance Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer), δεδομένα του παγκόσμιου συστήματος προσδιορισμού θέσης, καθώς και επιτόπιων παρατηρήσεων. Τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους προέκυψαν με εφαρμογή φωτογραμμετρικών μεθόδων σε στερεοζεύγη εικόνων ASTER. Η ακρίβεια των ψηφιακών μοντέλων εδάφους που παρήχθησαν είναι της τάξης των 15 – 20 m. Οι θεματικοί χάρτες κάλυψης του εδάφους παρήχθησαν με εφαρμογή μεθόδων επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε πολυφασματικά δεδομένα ASTER. Επιτόπιες παρατηρήσεις καθόρισαν τις φασματικές υπογραφές σε δεδομένες περιοχές εκπαίδευσης για την πραγματοποίηση της επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Τα προϊόντα του έργου χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής στις παραπάνω περιοχές με χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Συνεπώς, αναμένεται να αποτελέσουν πολύτιμο εργαλείο για την υποστήριξη της διαχείρισης των υδάτινων πόρων στις περιοχές εφαρμογής.

Εισαγωγή

Η ορθολογική εκμετάλλευση και η ενιαία διαχείριση των υδατικών πόρων επιβάλλει την αντιμετώπιση του νερού συνολικά ως φυσικού πόρου και ως φυσικού αγαθού. Για το λόγο αυτό θεσπίστηκε πλαίσιο κοινοτικής δράσης στο πεδίο της πολιτικής υδάτων (Οδηγία 2000/60/EΚ). Η οδηγία αυτή καθιερώνει την διαχείριση σε επίπεδο λεκάνης απορροής ποταμού και ορίζει ότι εντός της λεκάνης θα εξασφαλίζεται έτσι η διοικητική διάρθρωση ώστε να διασφαλίζει τη συνολική διαχείριση των υδάτων που ανήκουν στο ίδιο οικολογικό και υδρογεωλογικό σύστημα, είτε τα ύδατα αυτά είναι παρόντα ως υπόγεια, είτε ως επιφανειακά ύδατα. Συνεπώς, η οδηγία απαιτεί ολοκληρωμένο υδατικό σχεδιασμό ανά ποτάμια λεκάνη.

Η δημιουργία βάσεων δεδομένων που είναι απαραίτητες για την εφαρμογή της Οδηγίας απαιτεί τη χρήση σύγχρονων τεχνικών για την εκτίμηση χωρικών κατανομών φυσικών παραμέτρων καθώς και εργαστηριακών αναλύσεων για τον εντοπισμό χημικών ουσιών σε νερό και έδαφος. Στην πρώτη κατεύθυνση έρχεται να συμβάλλει το έργο REALDEMS (REmote sensing Application for Land cover and Digital Elevation Models Service), το οποίο εκπονήθηκε με χρηματοδότηση της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας από το Ίδρυμα Τεχνολογίας, το Jet Propulsion Laboratory της NASA, το Πανεπιστήμιο Αιγαίου και την εταιρεία PLANO A.E. Στόχος του έργου ήταν να εισάγει και να διαχύσει στην ελληνική επιστημονική κοινότητα τεχνογνωσία σχετική με την εφαρμογή σύγχρονων δορυφορικών τεχνικών για την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DEM: Digital Elevation Model) και θεματικών χαρτών κάλυψης γης σε τοπικό επίπεδο για την υποστήριξη τόσο του χαρακτηρισμού λεκανών απορροής, όσο και της εφαρμογής υδρολογικών μοντέλων, εφόσον για το χαρακτηρισμό, απαιτείται η γνώση της τοπογραφίας (DEM) και της κάλυψης του εδάφους (land cover), ενώ και τα δύο αυτά προϊόντα αποτελούν δεδομένα εισαγωγής για τα υδρολογικά μοντέλα (Chrysoulakis et al., 2003; 2004; Nikolakopoulos et al., 2006).

Το ραδιόμετρο ASTER (Advance Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer) , καλύπτει μία ευρεία φασματική περιοχή από το ορατό μέχρι το θερμικό υπέρυθρο με 14 φασματικές ζώνες υψηλής χωρικής διακριτικής και ραδιομετρικής ικανότητας (Abrams, 2000). Το υποσύστημα ορατού – εγγύς υπέρυθρου του ASTER, το οποίο αποτελείται από 3 φασματικές ζώνες που κατοπτεύουν στο ναδίρ και μία επιπλέον η οποία κατοπτεύει προς τα πίσω, παρέχει στερεοσκοπική κάλυψη κατά μήκος της τροχιάς (along track). Στην διανυσματική απεικόνιση (push broom), την οποία χρησιμοποιεί το σύστημα ASTER, κάθε γραμμή της εικόνας έχει το δικό της προοπτικό σημείο. Η θέση και ο προσανατολισμός της πλατφόρμας λήψης μπορεί να προσδιοριστεί και να περιγραφεί από 6 παραμέτρους, που όλες επηρεάζουν τη γεωμετρία της εικόνας. Οι παράμετροι αυτές είναι οι καρτεσιανές συντεταγμένες της θέσης της πλατφόρμας και οι τρεις γωνίες στροφής της. Πέραν των ανωτέρω παραγόντων, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την γεωμετρία της εικόνας, όπως η ταχύτητα της πλατφόρμας και το ανάγλυφο του εδάφους. Κατά κανόνα οι διάφορες πηγές γεωμετρικών παραμορφώσεων των εικόνων μπορούν να συνοψιστούν στις παραμορφώσεις που οφείλονται στον παρατηρητή και στις παραμορφώσεις που οφείλονται στο αντικείμενο παρατήρησης (Toutin, 2004). Οι παραμορφώσεις αυτές απαιτούν μαθηματικά μοντέλα για την διόρθωσή τους τα οποία περιγράφουν τη σχέση του συστήματος αναφοράς της εικόνας με το γεωδαιτικό σύστημα. Υπάρχουν διαφόρων ειδών μοντέλα και αλγόριθμοι που έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό, όμως τα πιο ακριβή είναι τα φυσικά μοντέλα, τα οποία προσομοιώνουν την τροχιά του δορυφόρου, τη γεωμετρία και την απόδοση των οπτικών συστημάτων του, λαμβάνοντας υπόψη τις επικρατούσες συνθήκες κατά τη διάρκεια λήψης ενός στερεοζεύγους. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να καθοριστεί με ακρίβεια ο εσωτερικός και ο εξωτερικός προσανατολισμός για την επίλυση των εξισώσεων του αερο-τριγωνισμού, να υπολογιστεί η επίδραση που έχουν στη στερεοσκοπική παράλλαξη οι προαναφερθέντες παράμετροι μέσω της προσομοίωσης του φυσικού μοντέλου και να γίνει μετασχηματισμός σε κατάλληλο σύστημα αναφοράς στο οποίο η στερεοσκοπική παράλλαξη θα είναι συνάρτηση μόνο της επίδρασης του αναγλύφου, συνεπώς θα μπορεί να υπολογιστεί από αυτήν το υψόμετρο για κάθε εικονοστοιχείο σε δεδομένο γεωδαιτικό σύστημα (Toutin, 2001).

Για την παραγωγή DEM από εικόνες ASTER χρησιμοποιούνται δεδομένα Επιπέδου 1 (Fujisada, 1998). Κάθε στερεοζεύγος περιλαμβάνει εικόνες που έχουν ληφθεί στα φασματικά κανάλια του εγγύς υπερύθρου με κατακόρυφη και με προς τα πίσω λήψη τα οποία παρέχουν με τον τρόπο αυτό στερεοσκοπική κάλυψη. Η ακρίβεια των τελικών προϊόντων εξαρτάται από τις παραμορφώσεις της εικόνας, την ακρίβεια του εσωτερικού και εξωτερικού προσανατολισμού, την αξιοπιστία της διαδικασίας συσχέτισης και την ακρίβεια και την πυκνότητα των επίγειων σημείου ελέγχου και την αναλογία βάση προς ύψος του υποσυστήματος ορατού – εγγύς υπέρυθρου του ASTER (Lang and Welch, 1999). Για την κατά μήκος της τροχιάς κατόπτευση του συστήματος ASTER υπάρχει μια σταθερή αναλογία βάση προς ύψος και η διαφορική παράλλαξη που υπολογίζεται με τη διαδικασία της στερεοταύτισης, είναι ανάλογη του υψομέτρου. Οι τεχνικές στερεοταύτισης καθορίζουν την αντιστοιχία μεταξύ δύο περιοχών της εικόνας εξετάζοντας την ομοιότητα των ψηφιακών τιμών τους. Οι πιο γνωστές μέθοδοι αυτής της κατηγορίας είναι ο αλγόριθμος διασυσχετισμού (cross correlation) και ο αλγόριθμος συσχετισμού ελαχίστων τετραγώνων (least square correlation). Οι αλγόριθμοι αυτοί χρησιμοποιούν παράθυρα συσχέτισης που αποτελούνται από ομάδες εικονοστοιχείων (π.χ. τετράγωνα παράθυρα 3x3, 5x5 ή 7x7 εικονοστοιχείων) και τα χαρακτηριστικά των οποίων χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό ομοειδών αντικειμένων στην επιφάνεια της γης που μπορούν να διακριθούν και στις δύο εικόνες. Πρακτικά, υπολογίζεται ο συντελεστής συσχέτισης μεταξύ του παραθύρου αναφοράς και κάθε παραθύρου αναζήτησης και εκείνο για το οποίο ο συντελεστής αυτός παρουσιάζει μέγιστο αντιστοιχείται στο παράθυρο αναφοράς (Leica, 2002; PCI, 2003).

Η κάλυψη του εδάφους, όπως έχει δειχθεί σε πολλές εργασίες, μπορεί να προκύψει από ανάλυση δορυφορικών καταγραφών με εφαρμογή μεθόδων φασματικής ταξινόμησης (Haack et al., 1987; Gong and Howarth, 1990; Bastin, L., 1997; Ridd and Liu 1998; Vogelmann et al., 1998; Stefanov et al., 2001; Chrysoulakis, 2003). Στις περισσότερες από τις παραπάνω εργασίες, επιχειρείται ταξινόμηση με βάση την ψηφιακή τιμή κάθε εικονοστοιχείου, ωστόσο, η τεχνική αυτή δεν είναι πάντα αξιόπιστη σε ανομοιογενείς επιφάνειες με μικρή χωρική διάσταση στοιχείων (Foody, 2000; Kontoes et al., 2000). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται η μεθοδολογία και τα αποτελέσματα του έργου REALDEMS και συγκεκριμένα τα DEM και οι θεματικοί χάρτες κάλυψης γης που δημιουργήθηκαν με βάση στερεοσκοπικά και πολυφασματικά δεδομένα του ραδιομέτρου ASTER για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου. Τα προϊόντα αυτά χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής στις παραπάνω περιοχές με χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ).