ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΕΩΝ. ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΣΕΙΣΜΟΥΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΟΜΠΕ
Από RemoteSensing Wiki
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Όπως είναι γνωστό, οι ρευστοποιήσεις εδαφών αποτελούν ένα καταστροφικό φαινόμενο ποι εκδηλώνεται κυρίως σε εδαφικούς σχηματισμούς κατά τη διάρκεια σεισμικών κινήσεων. Κατά τι ρευστοποίηση τα εδαφικά υλικά χάνουν τη διατμητική τους αντοχή και αποκτούν συμπεριφορά βαρέως υγρού, γεγονός το οποίο έχει ως συνέπεια την πρόκληση σημαντικότατων βλαβών στα καθ: είδους υπερκείμενα τεχνικά έργα. Συνήθεις εκδηλώσεις ρευστοποιήσεων στην επιφάνεια του εδάφοικ είναι η έκχυση ρευστοποιημένων υλικών, η παρουσία κρατήρων έκχυσης, οι εδαφικές διαρρήξεις, ο καθιζήσεις, οι κατολισθήσεις και η δημιουργία ανώμαλων κυματισμών στην ελεύθερη επιφάνεια. Ο εντοπισμός περιοχών στις οποίες υφίσταται η πιθανότητα να προκληθούν φαινόμενα ρευστοποιήσεων είναι συχνά μια εξαιρετικά σύνθετη έρευνα, η οποία περιλαμβάνει αξιολόγηση γεωμορφολογικών, γεωλογικών, γεωτεχνικών και υδρογεωλογικών δεδομένοιν ενώ απαιτεί μεγάλη δαπάνη εξαιτίας των πολλών υπαίθριοι εργασιών και εξειδικευμένων εργαστηριακών αναλύσεοιν πο\> πρέπει να εκτελεσθούν. Στην επίλυση του προβλήματος αυτού φαίνεται να μπορεί να συμβάλλει αποφασιστικά η ανάλυση δορυφορικών εικόνων δεδομένου ότι υπάρχει η δυνατότητα διερεύνησης της φύσης των επιφανειακοί γεωλογικών σχηματισμών σε ορισμένες φασματικές περιοχές και ειδικότερα στο κανάλι 7 του μέσοι» υπέρυθρου της LANDSAT-TM. Η τεχνική αυτή εφαρμόστηκε σε δύο περιοχές οι οποίες επλήγησαν από μεγάλους σεισμούς, κατά τους οποίους εκδηλώθηκαν εντυπωσιακά φαινόμενα ρευστοποιήσεων. Συγκεκριμένα η τεχνική εφαρμόστηκε στην περιοχή Nankai (Κεντρική Ιαπωνία) η οποία επλήγη από τον καταστροφικό σεισμό μεγέθους 7.2R στις 17 Ιανουαρίου 1995 και στην περιοχή της Ηλείας (Δυτική Πελοπόννησος η οποία επλήγη από σεισμό μεγέθους 5.4R στις 26 Μαρτίου 1993. Στη συνέχεια αφού παρουσιαστούν ορισμένα στοιχεία για τη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης και την εκτίμηση αυτών, θα αναφερθούν τα βασικά στοιχεία που προέκυψαν από την επεξεργασία και ανάλυση των ψηφιακών δορυφορικών εικόνων και τη σύγκριση τους με τα στοιχεία από την υπαίθρια έρευνα στις δύο προαναφερθείσες περιοχές.
ΧΡΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ
Τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιήθηκαν για την συγκεκριμένη εργασία είναι οι ψηφιακές δορυφορικές εικόνες LANDSAT-5 ΤΜ που απεικονίζουν τις περιοχές που μελετήθηκαν. II χωρική διακριτική ικανότητα του θεματικού χαρτογράφου είναι 30μ., έχει δηλαδή αρκετά μεγάλη ακρίβεια για χρήση σε τεχνικές εφαρμογές και έργα, αν και σε κάθε περίπτωση η τεχνική που περιγράφεται στη συνέχεια είναι ανεξάρτητη από την χωρική ανάλυση του αισθητήρα. Συνεπούς, η χρήση αυτών των δεδομένων στην γεωλογία και στα τεχνικά έργα, μπορεί να αποδειχθεί πολύ αξιόλογη και αξιόπιστη (Research Commitee on Using Remote Sensing to Soil Engineering 1993). Από τα 7 κανάλια διαφορετικού μήκους κύματος, που κυμαίνονται από το ορατό μέχρι το θερμικό υπέρυθρο φάσμα, προτιμήθηκε το κανάλι 7 του οποίου το μήκος κύματος είναι μεταξύ 2.08 και 2.35 μικρόμετρα. Το κανάλι 7 θεωρείται σημαντικό για την διάκριση των επιφανειακών γεωλογικών σχηματισμών, ενώ έχει αποδειχθεί ότι είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην αναγνώριση ζωνών που έχουν προκύψει από υδροθερμική εξαλλοίωση πετρωμάτων (Jensen 1996). Επίσης, υψηλή ανάκλαση στην φασματική περιοχή που καλύπτει το κανάλι 7 δείχνουν περιοχές με χαλαρά λεπτομερή ιζήματα όπως ιλύς και άμμοι (Vincent 1997). Το φαινόμενο της ρευστοποίησης είναι άμεσα σχετιζόμενο με το είδος του επιφανειακού σχηματισμού αλλά και την περιεκτικότητα του σε νερό (αφού η παρουσία του μειώνει τη διατμητική αντοχή του σχηματισμού), είτε λόγω ύπαρξης φρεατίου υδροφόρου ορίζοντα ή λόγω ύπαρξης θαλασσινού νερού σε παράκτιο υδροπερατό επιφανειακό σχηματισμό. Οι σχηματισμοί στους οποίους συνήθως εκδηλώνονται ρευστοποιήσεις μετά από σεισμικές διεγέρσεις είναι τα χαλαρά λεπτομερή ιζήματα όπως ιλύς και άμμοι. Έτσι η πληροφόρηση για την επιφάνεια της γης που λαμβάνεται στην συγκεκριμένη φασματική περιοχή του καναλιού 7 περιλαμβάνει τα στοιχεία εκείνα που συνεκτιμούνται για τον χαρακτηρισμό μιας περιοχής επικίνδυνης για ρευστοποίηση.
ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΗ ΤΑΣΗΣ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ
Μέχρι τώρα η έρευνα για την διερεύνηση της πιθανότητας ρευστοποιήσεων σε περιοχές, βασιζόταν κυρίως στην χρησιμοποίηση ιστορικών στοιχείων, γεωλογικών δεδομένων, γεωτεχνικών δοκιμών υπαίθρου και εργαστηρίου, γεωμορφολογικών στοιχείων, κ.λ.π. Όμως στις πιο πολλές περιπτοισεις τέτοια πληροφόρηση είναι ανεπαρκής και συχνά ανακριβής, ενώ απαιτείται σε κάθε περίπτοκτη η διάθεση σημαντικού κόστους. Με τη χρήση της τηλεπισκόπησης, προσφέρεται η δυνατότητα να απεικονισθούν τα επιφανειακά δεδομένα και μάλιστα σε σχετικά μεγάλη έκταση. Παραδείγματα μιας τέτοιας χρήσης, είναι η ανάλυση δεδομένων τηλεπισκόπησης σε περιοχές ρευστοποίησης στην Ιαπωνία και κυρίως μετά τον σεισμό του Nihonkai - Cyubu το 1983 (Shima 1985, Goto et al 1986). Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε στην ανάλυση των δορυφορικών εικόνων στις περιοχές όπου παρατηρήθηκαν ρευστοποιήσεις. Η ανάλυση άρχισε με την επιλογή της εικόνας που περιέχει την προς μελέτη περιοχή. Οι εικόνες πρέπει να πληρούν κατά το δυνατόν• πς εξής προϋποθέσεις:
• Να υπάρχει όσο το δυνατόν λιγότερη νέφωση
• Να υπάρχουν διαθέσιμες εικόνες πριν και εάν είναι δυνατό μετά τον σεισμό (για συγκρίσεις)
• Η λήψη να έχει γίνει σε εποχή με αραιή βλάστηση και ελάχιστο επιφανειακό νερό από βροχοπτώσεις
Η ανάλυση των εικόνων γίνεται καταρχήν σε εικόνες του καναλιού 7, στο μέσο υπέρυθρο. Μία αρχική τιμή μεταξύ 0 και 256 καθορίζεται (threshold) για την δημιουργία μιας δυαδικής εικόνας, η οποία αποτελεί και την πρώτη επεξεργασμένη εικόνα. Γίνεται, δηλαδή, μια επέμβαση στο ιστόγραμμα τιμών της ψηφιακής εικόνας όπου παράγεται μια ασπρόμαυρη εικόνα, αφού τα pixels που έχουν 256 αποχρώσεις του γκρι χωρίζονται και παίρνουν τις τιμές 0 (μαύρο) και 255 (άσπρο). Έτσι οι περιοχές με την υψηλότερη ανάκλαση γίνονται άσπρες και οι περιοχές με ενδιάμεση ανάκλαση και μεγάλη απορρόφηση γίνονται μαύρες. Στη συνέχεια αλλάζουμε την αρχική τιμή μέχρι που η εικόνα που παράγεται να ταυτίζεται πολύ με τον χάρτη κατανομής των ρευστοποιήσεων που παρατηρήθηκαν κατά την διάρκεια ενός σεισμού σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Γίνεται έτσι κατανοητό ότι με τη συγκεκριμένη μέθοδο, διαπιστώνεται εκ των υστέρων ότι υπάρχει η ταύτιση των λευκών περιοχών με τις ρευστοποιημένες περιοχές.
Υπάρχουν και κάποιες διαφορές σε κάποιες περιοχές που πρέπει να μελετηθούν με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και κυρίως με απευθείας παρατηρήσεις στην ύπαιθρο καθώς επίσης και με εξειδικευμένες έρευνες. Σε ορισμένες περιπτώσεις εάν το κανάλι 6, το οποίο δείχνει τις επιφανειακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, ενσωματωθεί στην επεξεργασία, το παραγόμενο αποτέλεσμα είναι καλύτερο από ότι αν χρησιμοποιείτο μόνο το κανάλι 7. Η χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης για επιφανειακή πληροφόρηση στις αστικές περιοχές περιορίζεται και κυρίως αφορά τις επί μέρους θέσεις όπου εμφανίζεται το έδαφος. Δεδομένου ότι και οι κατοικημένες περιοχές έχουν αρκετά ακάλυπτα τμήματα, μπορεί να ληφθεί σημαντική πληροφόρηση. Επίσης, η κατάσταση του εδάφους μπορεί να αναγνωριστεί έμμεσα ακόμα και όταν ένα μικρού πάχους πεζοδρόμιο καλύπτει το έδαφος αφού λόγω του μεγάλου μήκους κύματος του καναλιού 7 υπάρχει κάποια διεισδυτικότητα. Η εδαφική πληροφόρηση που λαμβάνεται δεν αφορά το βάθος της ρευστοποίησης. Η αξιοπιστία αυτής της μεθόδου επαληθεύθηκε από υπαίθριες έρευνες και συλλογή στοιχείων στις περιοχές που εμφανίσθηκαν φαινόμενα ρευστοποιήσεων .
ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ TOY KOBE-CITY
Καταστροφές από ρευστοποιήσεις προκλήθηκαν σε μεγάλη έκταση στο Kobe μετά το σεισμό του 1995 (M=7.2R, 17 Ιανουαρίου). Η ανάλυση της εικόνας LANDSAT-5 ΤΜ, έγινε, δίνοντας μεγάλη σημασία στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου φάσματος. Η εικόνα που καλύπτει την περιοχή του Kobe, πάρθηκε στις 24 Ιανουαρίου, πριν τον σεισμό και δείχνει τη φασματική απορρόφηση και ανάκλαση στη περιοχή του καναλιού 7 (εικ.1). Η αστική περιοχή έχει ανοιχτές αποχρώσεις, τα βουνά και οι δρόμοι μέσες, ενώ το ποτάμι και η θάλασσα φαίνονται μαύρα. Η εικόνα αυτή μετατράπηκε σε. δυαδική με τιμή threshold 27 και έτσι φαίνονται οι περιοχές με υψηλή τιμή ανάκλασης (εικ.2). Οι περιοχές αυτές που αντιστοιχούν στις λευκές περιοχές, είναι οι Port-Island, Rokko-Island και τμήματα της παράκτιας ζώνης. Αυτές οι περιοχές σχετίζονται άμεσα με τις περιοχές που ρευστοποιήθηκαν και απεικονίσθηκαν σε χάρτη ρευστοποιήσεων που κατασκευάστηκε από αεροφωτογραφίες και από υπαίθριες παρατηρήσεις (εικ.3 & 4), (Lekkas et al 1996a, Lekkas et al 1996b).
ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ
Ρευστοποιήσεις εδάφους παρατηρήθηκαν και στις παραλιακές περιοχές της Ηλείας μετά τον σεισμό 5.5R του Μαρτίου του 1993. Στην εικόνα 5 φαίνεται το κανάλι 7 της δορυφορικής εικόνας της περιοχής. Εφαρμόζοντας την προηγούμενη μέθοδο, δηλαδή μετατρέποντας το κανάλι 7 της δορυφορικής εικόνας LANDSAT που πάρθηκε πριν τον σεισμό, σε δυαδική μορφή και δίνοντας τιμή threshold 35, παρήχθη η εικόνα 6 η οποία με αύξηση της αντίθεσης γίνεται πιο ευδιάκριτη. Οι περιοχές που έχουν υψηλό βαθμό κινδύνου για ρευστοποίηση μετά από κάποιο σεισμό φαίνονται με άσπρο σε αντίθεση με την υπόλοιπη περιοχή που φαίνεται μαύρη. Οι περιοχές που ρευστοποιήθηκαν μετά τον σεισμό του Μαρτίου το 1993 στον Πύργο ανήκουν OTIC περιοχές που αναδείχθηκαν με την τεχνική που αναλύθηκε πιο πάνω, αφού παρατηρήθηκαν ρευστοποιήσεις (εικ.7) στις περιοχές Σπιάντζα και Μπούκα (παράκτια περιοχή Πύργου - Κατακο>λου) οι οποίες είχαν χαρτογραφηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια (Lekkas, 1994). Στις περιοχές αυτές που είναι χέρσες και καλλιεργούνται, εμφανίζονται παράκτιες αποθέσεις, ποτάμιοι σχηματισμοί και αλλού|Ιια (Λέκκας κ.ά., 1992). Μάλιστα αν η ένταση του σεισμού ήταν μεγαλύτερη τότε οι περιοχές με ρευστοποιήσεις θα είχαν μεγαλύτερη έκταση και θα κάλυπταν μεγαλύτερο κομμάτι των αναδεικνυόμενων, με την παραπάνω τεχνική, ζωνών.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Τα δορυφορικά δεδομένα τηλεπισκόπησης μπορούν να επεξεργαστούν κατάλληλα για την παραγωγή μιας μεγάλης ποικιλίας εικόνων οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ένα σημαντικό αριθμό χρήσεων. Όπως διαπιστώθηκε εάν χρησιμοποιηθεί το κανάλι 7, του Θεματικού Χαρτογράφου (ΤΜ) του δορυφορικού συστήματος LANDSAT 5, που αντιστοιχεί στο μέσο υπέρυθρο, είναι δυνατό να αντληθούν πληροφορίες για την τάση των εδαφών να ρευστοποιηθούν κατά την διάρκεια σεισμ<ί>ν. Η τεχνική αυτή εφαρμόστηκε στην περιοχή Nankai (Κεντρική Ιαπωνία) με την επεξεργασία εικονον που ελήφθησαν πριν από τον καταστροφικό σεισμό M=7.2R του Κόμπε (17 Ιανουαρίου 1995). Από την ανάλυση διαπιστώνεται ότι οι περιοχές που ρευστοποιήθηκαν συνέπιπταν με τις λευκές περιοχές της δυαδικής εικόνας που δημιουργήθηκε με τιμή threshold 27. Πρόσθετα από την ανάλυση δορυφορικών εικόνων της περιοχής της Ηλείας (Δυτική Πελοπόννησος, Ελλάδα) που ελήφθησαν πριν από το σεισμό M=5.4R της 26 Μαρτίου 1993 στον Πύργο διαπιστώθηκε ότι οι περιοχές που ρευστοποιήθηκαν αντιστοιχούν στις λευκές περιοχές της δυαδικής εικόνας που δημιουργήθηκε, με τιμή threshold 35. Εικ. 1. Το κανάλι 7 της δορυφορικής εικόνας LANDSAT-5 ΤΜ, ap;o thn periox;h toy Kobe. Οι διαφορές που εντοπίζονται στις δύο περιπτώσεις σε ότι αφορά στις φασματικές αποκλίσεις αποδίδονται κυρίως στο γεγονός ότι στη μεν περίπτωση του σεισμού του Κόμπε η περιοχή ήταν αστικοποιημένη και καλυπτόταν κατά θέσεις από κτίρια, χώρους αναψυχής και εν γένει εξωραϊστικά έργα στη δε περίπτωση του σεισμού του Πύργου επρόκειτο για περιοχή επί το πλείστον χέρσο με μικρή κάλυψη από γεωργικές καλλιέργειες. Πρόσθετα οι διαφορές μπορούν να αποδοθούν και στο διαφορετικό μέγεθος της σεισμικής κίνησης στις δύο περιπτώσεις αλλά και στις ιδιαίτερες συνθήκες που είναι δυνατόν να επικρατούν στις δύο τελείως διαφορετικές περιοχές μελέτης.
Εικ. 1: Το κανάλι 7 της δορυφορικής εικόνας LANDSAT-5 TM από την περιοχή του Κόμπε
Εικ. 2: Επεξεργασμένη δυαδική εικόνα της περιοχής του Kobe με τιμή threshold 27.
Εικ. 3: Εκτεταμένες ρευστοποιήσεις σε ακάλυπτους χώρους στην πόλη του Κόμπε. Διακρίνονται εδαφικές διαρρήξεις και τα ρευστοποιημένα υλικά που έχουν εκχυθεί στην επιφάνεια.
Εικ. 4 Αποψη τμήματος των λιμενικών εγκαταστάσεων του Kobe που έχει καλυφθεί από ρευστοποιημένα υλικά (ανοικτό χρώμα)
Εικ. 5 Το κανάλι 7 της δορυφορικής εικόνας LANDSAT-5 ΤΜ, της περιοχής του Πύργου Κατάκωλου.
Εικ. 6 Επεξεργασμένη δυαδική εικόνα της περιοχής Πύργου - Κατάκωλου, με τιμή thrcdhhold 35.
Οι διαφορές που εντοπίζονται στις δύο περιπτώσεις σε ότι αφορά στις φασματικές αποκλίσεις αποδίδονται κυρίως στο γεγονός ότι στη μεν περίπτωση του σεισμού του Κόμπε περιοχή ήταν αστικοποιημένη και καλυπτόταν κατά θέσεις από κτίρια, χώρους αναψυχής και εν γένει εξωραϊστικά έργα στη δε περίπτωση του σεισμού του Πύργου επρόκειτο για περιοχή επί το πλείστον χέρσο με μικρή κάλυψη από γεωργικές καλλιέργειες. Πρόσθετα οι διαφορές μπορούν να αποδοθούν και στο διαφορετικό μέγεθος της σεισμικής κίνησης στις δύο περιπτώσεις αλλά και στις ιδιαίτερες συνθήκες που είναι δυνατόν να επικρατούν στις δύο τελείως διαφορετικές περιοχές μελέτης. Συμπερασματικά διαπιστώνεται ότι η ανάλυση δορυφορικών εικόνων μπορεί να συμβάλλει στον εντοπισμό περιοχών που αντιμετωπίζουν προβλήματα ρευστοποιήσεων γρήγορα και με χαμηλό κόστος, ενώ επισημαίνεται ότι η έρευνα στο συγκεκριμένο αντικείμενο θα πρέπει να ενταθεί κύριος σε περιπτώσεις εκδήλωσης φαινομένων στα αμέσως επόμενα χρόνια οπότε και η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη, κυρίως με την αύξηση της διακριτικής ικανότητας, θα επιτρέψει τη λήψη και αξιοποίηση ενός πολύ μεγαλύτερου αριθμού πληροφοριών μέσω δορυφορικών συστημάτων. Η μέθοδος που περιγράφηκε θα εφαρμοστεί και σε ανάλογες μελλοντικές περιπτώσεις ώστε. από διαπίστιοση και «εκ των υστέρων» πρόβλεψη να μετατραπεί σε αντικειμενικό στοιχείο καθορισμού μιας περιοχής επικίνδυνης για ρευστοποίηση.
Εικ. 7. Αποψη εδαφικών σχηματισμών που ρευστοποιήθηκαν κατά τον σεισμό της 26 Μαρτίου 1993 στην θέση Σπιάντζα της παράκτιας περιοχής Πύργου - Κατακώλου.
Πηγή: "ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΕΩΝ. ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΣΕΙΣΜΟΥΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΚΟΜΠΕ", Ε. Λέκκας, Ε. Βασιλάκης, 5° ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ, 11,12,13 Νοεμβρίου 1999
