Η χρήση της τηλεπισκόπησης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών στη διαχείριση των υδάτινων πόρων

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο εφαρμογής Η χρήση της τηλεπισκόπησης και των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών στη διαχείριση των υδάτινων πόρων

Στόχος της εφαρμογής Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να παρουσιαστούν οι μεθοδολογίες και τα αποτελέσματα του έργου REALDEMS (Remote Sensing Application for Land Cover and Digital Elevation Models Service).

Πως γινόταν παλαιότερα χωρίς τηλεπισκόπηση Υπάρχουν μαθηματικά μοντέλα και χάρτες για την αποτύπωση της ποσότητας του νερού σε επίπεδο λεκάνης απορροής, της επίπτωσης στην ποιότητα των παράκτιων, επιφανειακών και υπογείων υδάτων, τον προσδιορισμό της τροφικής κατάστασης υδάτινων μαζών, καθώς και τη διερεύνηση του περιβαλλοντικά βέλτιστου σχεδιασμού έργων διάθεσης και επαναχρησιμοποίησης λυμάτων και ιλύων. Υπάρχουν, για παράδειγμα, υδρολιθολογικοί χάρτες και χάρτες υδατοποιότητας.

Είδη δορυφορικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν Στα πλαίσια του έργου REALDEMS χρησιμοποιήθηκαν τηλεπισκοπικά δεδομένα του ραδιομέτρου ASTER (Advance Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer), δεδομένα του παγκόσμιου συστήματος προσδιορισμού θέσης GPS (Global Positioning System), καθώς και επιτόπιες παρατηρήσεις για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου. Από την ανάλυση των δεδομένων παρήχθησαν ψηφιακά μοντέλα εδάφους διακριτικής ικανότητας 15 έως 20 m και θεματικοί χάρτες κάλυψης γης. Τα προϊόντα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής στη Κρήτη και τη Λέσβο με χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών GIS (Geographic Information System).

Χρησιμότητα των δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν Το καταγραφικό όργανο του δορυφόρου TERRA, το ραδιόμετρο ASTER, χρησιμοποιείται για να λαμβάνει λεπτομερείς απεικονίσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας της γης, της ανακλαστικότητας και του υψομέτρου.

Προεπεξεργασίες, προχωρημένες, ειδικές και ψηφιακές επεξεργασίες και αποτελέσματά τους, χάρτες και αιτιολόγηση της χρησιμοποίησης κάθε στοιχείου Με στόχο την ορθολογική εκμετάλλευση και διαχείριση των υδάτινων πόρων θεσπίστηκε η Οδηγία 2000/60/EΚ στο πεδίο της πολιτικής των υδάτων. Σύμφωνα με την οδηγία αυτή, ο ποταμός μελετάται σε επίπεδο λεκάνης απορροής και ορίζεται ότι εντός της λεκάνης θα ασκείται διοικητική διάρθρωση με τέτοιο τρόπο ώστε να διασφαλίζεται η ορθή διαχείριση των υπόγειων και επιφανειακών υδάτων που ανήκουν στο ίδιο υδρογεωλογικό σύστημα. Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιηθούν σύγχρονες τεχνικές για την εκτίμηση χωρικών κατανομών φυσικών παραμέτρων, καθώς και εργαστηριακές αναλύσεις για τον εντοπισμό χημικών ουσιών στο νερό και το έδαφος της λεκάνης. Το έργο REALDEMS που χρηματοδοτήθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας του Ιδρύματος Τεχνολογίας, το Jet Propulsion Laboratory της NASA, το Πανεπιστήμιο Αιγαίου και την εταιρεία PLANO A.E. έθετε σαν στόχο του την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους DEMs (Digital Elevation Models) και θεματικών χαρτών κάλυψης γης σε τοπικό επίπεδο για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής και την εφαρμογή υδρολογικών μοντέλων και κατά συνέπεια συνέβαλε στην εκτίμηση χωρικών κατανομών φυσικών παραμέτρων. Τα DEMs προέκυψαν με εφαρμογή φωτογραμμετρικών μεθόδων σε στερεοζεύγη εικόνων ASTER. Κάθε στερεοζεύγος περιλάμβανε εικόνες που είχαν ληφθεί στα φασματικά κανάλια του εγγύς υπερύθρου και διέθεταν στερεοσκοπική κάλυψη. Οι θεματικοί χάρτες κάλυψης του εδάφους παρήχθησαν με εφαρμογή μεθόδων επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε πολυφασματικά δεδομένα ASTER. Οι επιτόπιες παρατηρήσεις καθόρισαν τις φασματικές υπογραφές σε δεδομένες περιοχές εκπαίδευσης για την πραγματοποίηση της επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Η συλλογή μετρήσεων σε φωτοσταθερά σημεία στο πεδίο GCPs (Ground Control Points) πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια GPS. Αρχικά έγινε επιλογή των περιοχών στις οποίες θα λαμβάνονταν οι μετρήσεις, στη συνέχεια επισημάνθηκαν οι περιοχές αυτές στις εικόνες ASTER και εντοπίστηκαν σε αυτές διακριτά και εμφανή σημεία (π.χ. διασταυρώσεις δρόμων, φάροι, λιμενοβραχίονες, γέφυρες ποταμών, απότομες στροφές) έτσι ώστε αργότερα να μπορούν να προσδιοριστούν στην εικόνα με ακρίβεια ενός εικονοστοιχείου. Για την αξιολόγηση των παραγόμενων DEM χρησιμοποιήθηκαν τριγωνομετρικά σημεία της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού από χάρτες με κλίμακα 1:5000 και σημεία ελέγχου που συλλέχθηκαν στο πεδίο αλλά δεν είχαν χρησιμοποιηθεί ως GCPs. Έγινε σύγκριση των υψών των τριγωνομετρικών σημείων με τα ύψη των αντίστοιχων σημείων του DEM. Για να εξαλειφθεί το οριζόντιο σφάλμα δημιουργήθηκαν κυκλικές ζώνες επέκτασης (buffers) ακτίνας 15 m γύρω από κάθε τριγωνομετρικό σημείο. Για κάθε ζώνη επέκτασης υπολογίστηκε η μέση τιμής του υψομέτρου των εικονοστοιχείων τα οποία περιλαμβάνονταν σε αυτή. Κατόπιν, η μέση τιμή συγκρίθηκε με την τιμή υψομέτρου του αντίστοιχου τριγωνομετρικού σημείου από το οποίο δημιουργήθηκε αρχικά το πολύγωνο ως ζώνη επέκτασης. Από τη σύγκριση αυτή προέκυψε το μέσο τετραγωνικό σφάλμα RMSE (Root Mean Square Error) το οποίο αποτελεί μέτρο της διαφοράς των δύο πηγών υψομέτρων. Οι πολυφασματικές ορθοεικόνες που δημιουργήθηκαν από τις επιμέρους σκηνές ASTER, συνενώθηκαν σε μωσαϊκό για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου και οι αντίστοιχοι χάρτες κάλυψης γης παρήχθησαν με επιβλεπόμενη ταξινόμηση (αλγόριθμος της μέγιστης πιθανοφάνειας) στα μωσαϊκά αυτά, ώστε να καθοριστούν οι φασματικές υπογραφές για την ταξινόμηση των εικονοστοιχείων. Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται το παραγόμενο DEM για την περιοχή της Κρήτης, ως αποτέλεσμα της συνένωσης των DEM που παρήχθησαν από τις 12 επιμέρους σκηνές ASTER.

Αποτέλεσμα της συνένωσης των παραγομένων DEM από κάθε σκηνή ASTER για την περιοχή της Κρήτης,Πηγή:http://asterweb.jpl.nasa.gov/

Ψευδόχρωμη κωδικοποίηση για την περιοχή της Κρήτης με το λευκό και τα σκούρα χρώματα να αντιστοιχούν σε μεγάλα υψόμετρα,Πηγή:http://asterweb.jpl.nasa.gov/

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων Στην παρούσα εργασία παρουσιάστηκαν η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την δημιουργία DEM, ορθοεικόνων και θεματικών χαρτών κάλυψης γης με βάση στερεοσκοπικά και πολυφασματικά δεδομένα του ραδιομέτρου ASTER για τις περιοχές της Κρήτης και της Λέσβου, στα πλαίσια του έργου REALDEMS. Τα προϊόντα της εφαρμογής REALDEMS χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για το χαρακτηρισμό λεκανών απορροής (κλίσεις και προσανατολισμοί επιφανειών, όρια λεκανών απορροής, όρια υπολεκανών κάθε λεκάνης, υδρογραφικό δίκτυο, καμπυλότητα επιφανειών) με εφαρμογή τεχνικών GIS. Για το σύνολο των σκηνών ASTER της περιοχής της Κρήτης το μέσο τετραγωνικό σφάλμα RMSE (Root Mean Square Error) βρέθηκε στην πλειοψηφία των περιπτώσεων κάτω των 20 m, γεγονός που αποδεικνύει την αξιοπιστία της μεθόδου και την καταλληλότητα των τελικών της προϊόντων για εφαρμογές τοπικού χαρακτήρα, όπως ο χαρακτηρισμός λεκανών απορροής. Το μέγιστο υψόμετρο του παραχθέντος DEM είναι 2460 m, ο αριθμός των τριγωνομετρικών σημείων που χρησιμοποιήθηκαν για τη σύγκριση ήταν 1854 και το RMSE που υπολογίστηκε είναι 18,7 m. Η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης για την περίπτωση της Λέσβου κυμάνθηκε στο 61%, που κρίνεται ικανοποιητική για το είδος των διαθέσιμων δεδομένων.

Πηγή 1. Νεκτάριος Χρυσουλάκης - Χαράλαμπος Φείδας - Δημήτριος Βελιανίτης, «ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΚΑΙ ΓΕΩΦΡΑΦΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΤΗΣ ΕΝΙΑΙΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ: ΤΟ ΕΡΓΟ REALDEMS» 2. Η ιστοσελίδα http://asterweb.jpl.nasa.gov/ 3. Κωνσταντίνος Καρτάλης – Χαράλαμπος Φειδάς, Βιβλίο «Αρχές και εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης», Β. Γκιούρδας Εκδοτική