Διαχρονική παρακολούθηση αλλαγών των χρήσεων γης με χρήση Τηλεπισκοπικών δεδομένων περιμετρικά της Λίμνης Κορώνειας στην Θεσσαλονίκη

Από RemoteSensing Wiki

Multitemporal monitoring of changes in land use with remote sensing data around Lake Koronia in Thessaloniki region
Συγγραφείς: Α. Αϊναλή, Ι. Γήτας, Θ. Καταγής, Α. Πολυχρονάκη
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Μεταπτυχιακό Τμήμα Γεωπληροφορικής, Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών - Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο, Εργαστήριο Δασικής Διαχειριστικής και Τηλεπισκόπησης
Πηγή: http://www.wfdt.teilar.gr/15_th_Panhellenic_Forestry_CONFERENCE/Presentations/Ainali.pdf

Περίληψη

Η μελέτη αυτή, προσπαθεί να παρουσιάσει τις διαχρονικές αλλαγές των χρήσεων γης, χρησιμοποιώντας τα δορυφορικά στοιχεία της τηλεπισκόπησης, που συλλέχθηκαν σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η διαδικασία της ανίχνευσης των διαχρονικών αλλαγών, απέδωσε διαφορετικά αποτελέσματα για τις επιμέρους κατηγορίες της φυσικής βλάστησης, μεταξύ της περιόδου 1989 και 2007. Η έρευνα αφορά την περιοχή περιμετρικά του υδάτινου περιβάλλοντος της Λίμνης Κορώνειας, Ν. Θεσσαλονίκης, σε έκταση η οποία χαρακτηρίζεται ως υγροβιότοπος ειδικής προστασίας, σύμφωνα με τη συνθήκη RAMSAR. Για την υλοποίηση της έρευνας, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis (PCA)). Τα αποτελέσματα έδειξαν, ότι η χρήση των τρεχουσών τεχνολογιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαμόρφωση των περιβαλλοντικών παραμέτρων, βελτιώνοντας τη γνώση μας, σχετικά με τις ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά, την κατάσταση, τις τάσεις και τις αλλαγές των φυσικών οικοσυστημάτων.

Εισαγωγή

Οι διαχρονικές αλλαγές, που προκαλούνται σε μια περιοχή, παρουσιάζονται με τη χρήση δορυφορικών εικόνων και την επεξεργασία τους από τις σύγχρονες μεθόδους της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Η Τηλεπισκόπηση, σε συνδυασμό με τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, προσφέρουν τη δυνατότητα ανάπτυξης ενός ολοκληρωμένου συστήματος παρακολούθησης και διαχείρισης των φυσικών οικοσυστημάτων. Οι περισσότερο διαδεδομένες μέθοδοι τηλεπισκόπησης, για τη συλλογή πληροφοριών της γήινης επιφάνειας, είναι η μέθοδος της δορυφορικής τεχνολογίας, η χρήση των αεροφωτογραφιών, τα δεδομένα, που λαμβάνονται από επίγειες μετρήσεις, καθώς και όσα αναφέρονται σε θεματικούς χάρτες, όπως τοπογραφικούς, εδαφολογικούς και γεωλογικούς χάρτες. Η πιο σύγχρονη και συχνότερα χρησιμοποιούμενη μέθοδος τηλεπισκόπησης, είναι η μέθοδος της δορυφορικής τεχνολογίας. Σημαντικό ρόλο συμμετοχής στη συλλογή δορυφορικών εικόνων παίζουν οι παράγοντες, που έχουν σχέση με τον χρόνο λήψης των δορυφορικών δεδομένων, τη διακριτική και φασματική ικανότητα των δορυφόρων, το είδος της καταγραφόμενης βλάστησης, την πυκνότητα, την ηλικία, την υγεία των συστάδων, καθώς και παράγοντες, που έχουν σχέση με τη βλάστηση και την επιφάνεια του εδάφους. Σκοπός της εργασίας, είναι η διαχρονική καταγραφή των μεταβολών των χρήσεων γης, που καλύπτουν την περιοχή εντός και περιμετρικά του υδάτινου στοιχείου της λίμνης Κορώνειας, του νομού Θεσσαλονίκης, με τη χρήση των δορυφορικών εικόνων και στηριζόμενοι στη μέθοδο της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis (PCA)). Η ανάλυση των κυρίων συνιστωσών (Principal Components Analysis), είναι μια μέθοδος, η οποία έχει σκοπό να δημιουργήσει γραμμικούς συνδυασμούς των αρχικών μεταβλητών, έτσι ώστε οι γραμμικοί αυτοί συνδυασμοί να είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους, αλλά συγχρόνως να περιέχουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος της διακύμανσης των αρχικών μεταβλητών. Η μέθοδος της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών, είναι ουσιαστικά η απλούστερη και ευκολότερη μέθοδος για να ερμηνεύσει τα αληθινά ιδιοδιανύσματα ή χαρακτηριστικά διανύσματα (eigenvector), βασισμένη στην ανάλυση πολλών μεταβλητών.

[ [ Εικόνα: Kb_arthro2_eik1.gif‎ | thumb | right | Χάρτης προσανατολισμού ευρύτερης περιοχής λίμνης Κορώνειας ] ]

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή που εξετάζουμε, βρίσκεται κοντά στην πόλη της Θεσσαλονίκης, σε απόσταση 12 χιλιομέτρων, στη λίμνη Κορώνεια (Λαγκαδά), σε ένα επίμηκες τεκτονικό βύθισμα γης, διαχωρίζοντας τη χερσόνησο της Χαλκιδικής από τον κορμό της Μακεδονίας (εικόνα 1). Είναι λίμνη - υπόλειμμα της παλιάς Μυγδονίας λίμνης και η ευρύτερη περιοχή, στην οποία βρίσκονται, ονομάζεται λεκάνη της Μυγδονίας. Η περιοχή αποτελεί ένα σπάνιο σύμπλεγμα οικοσυστημάτων, με λίμνες (Κορώνεια και Βόλβη), ποτάμια, παρόχθια δάση (παραλίμνιο δάσος Απολλωνίας, δάσος Ρεντίνας), καλαμώνες, υγρολίβαδα, θαμνώνες και γεωργικές εκτάσεις, που συγκροτούν έναν σημαντικό υγροβιότοπο. Ο Δήμος του Νομού Θεσσαλονίκης, που καλύπτει διοικητικά την λίμνη Κορώνεια, είναι αυτός του Λαγκαδά.

Υλικά και μέθοδοι

Για την υλοποίηση της εργασίας, τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν, ήταν οι δορυφορικές εικόνες, που λήφθηκαν σε δύο χρονικές στιγμές: το 1989 και το 2007 (Δορυφορικές εικόνες Landsat 4-5 MSS, με χρόνο λήψης την 23η Ιουνίου 1989 και Landsat 7 με χρόνο λήψης την 19η Ιουλίου 2007). Η εργασία ολοκληρώθηκε στα παρακάτω στάδια: α) πρώτα έγινε η Προεπεξεργασία των δεδομένων, κατά την οποία έγινε η Γεωμετρική Διόρθωση των δύο εικόνων και η Οριοθέτηση των εικόνων περιμετρικά της λίμνης και β) ακολούθησε η μέθοδος της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis (PCA)). Το πρώτο στάδιο εξυπηρετεί στην εύρεση της ακριβούς γεωγραφικής θέσης των pixels, διότι εξαιτίας διαφόρων αιτιών, όπως είναι η κίνηση της γης, η κίνηση του δορυφόρου, οι αποκλίσεις της ατράκτου, οι υψομετρικές διαφορές, τα δορυφορικά δεδομένα παρουσιάζουν συστηματικά και τυχαία σφάλματα, τα οποία επηρεάζουν τη θέση των pixels και παραμορφώνουν την εικόνα. Στο δεύτερο στάδιο, από τα αποτελέσματα της αυτόματης ταξινόμησης των δορυφορικών εικόνων χωριστά, ανιχνεύθηκαν οι διαχρονικές αλλαγές, που προκλήθηκαν στην περιοχή τη χρονική περίοδο 1989 με 2007. Οι κοινές κατηγορίες, που επιλέχθηκαν στις δύο εικόνες, για την πραγματοποίηση της ταξινόμησης, είναι η λίμνη, οι εκτάσεις με περιορισμένη υψηλή φυσική βλάστηση, οι γεωργικές καλλιέργειες, τα αείφυλλα πλατύφυλλα και η τεχνητή επιφάνεια, ενώ στην εικόνα του 2007, παρατηρήθηκαν και οι καμένες εκτάσεις, ο δρόμος και ο βάλτος. Η επιλογή των κατηγοριών, έγινε σύμφωνα με τι είδους παρατήρηση επιθυμούμε να πραγματοποιήσουμε. Η έρευνα της περιοχής, στηρίζεται κυρίως στη λίμνη Κορώνεια, στις αλλαγές της, αλλά και στο πώς επηρεάστηκαν οι εκτάσεις περιμετρικά της λίμνης.

Αποτελέσματα και συζήτηση Σύμφωνα με τη μέθοδο της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών, αναδείχθηκαν τα αποτελέσματα, τα οποία μας δίνουν σημαντικές πληροφορίες για τις μεταβολές των χρήσεων γης. Ακολουθώντας μια προεργασία ενοποίησης των εικόνων (με χρήση και των 7 φασματικών καναλιών, που έχει η κάθε εικόνα, δηλαδή στο σύνολο 14) και χρησιμοποιώντας τη λειτουργία αυτόματης ανάλυσης, καταλήγουμε στα παρακάτω αποτελέσματα. Δημιουργούμε έναν πίνακα, ο οποίος δείχνει τα ιδιοδιανύσματα των κύριων συνιστωσών. Τα αποτελέσματα αυτά, μας παρουσιάζουν ένα σύνολο ιδιοτιμών, από τις οποίες αντλούμε την πληροφορία για τις μεταβολές που προκλήθηκαν στην περιοχή έρευνας. Η κάθετη στήλη αντιπροσωπεύει την κάθε κύρια συνιστώσα, οι τιμές της οποίας αντιστοιχούν σε ένα φασματικό κανάλι της οριζόντιας γραμμής. Η σύγκριση των διαχρονικών αλλαγών, βασίστηκε στις μεγαλύτερες τιμές των διανυσμάτων σε κάθε συνιστώσα. Έπειτα από την οπτική παρακολούθηση των εικόνων, παρατηρούνται οι αλλαγές σε κάθε συνιστώσα. Η κύρια συνιστώσα 1, δείχνει ιδιαίτερα τις περιοχές με περιορισμένη υψηλή φυσική βλάστηση, αστική περιοχή και γυμνές εκτάσεις. Η κύρια συνιστώσα 2, παρουσιάζει περισσότερο έντονα από την πρώτη, τις διαφορές που υπάρχουν στη βλάστηση και παρουσιάζει καλή διάκριση του ανάγλυφου. Η τρίτη κύρια συνιστώσα, μας δίνει πληροφορίες, για τις διαφορές που υπάρχουν, κυρίως στα πλατύφυλλα, δηλαδή στη βλάστηση με έντονη χλωροφύλλη. Το διάνυσμα 4, δηλώνει τις διαφορές που υπάρχουν στο νερό. Η κύρια διαχρονική αλλαγή, που παρατηρείται στην κύρια συνιστώσα 5, είναι διαφορές που υπάρχουν στη βλάστηση και την αστική περιοχή. Οι κύριες συνιστώσες 6, 7 και 8, έχουν πολύ μικρό ποσοστό διακύμανσης των δεδομένων και δεν μπορούμε να διακρίνουμε κάποιες διαφορές.

Συμπεράσματα

• Η χρήση της Τηλεπισκόπησης, προσφέρει τη δυνατότητα της παρακολούθησης των διαχρονικών αλλαγών στις χρήσεις γης.
• Η μέθοδος της Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis (PCA)), παρέχει ποιοτικά αποτελέσματα, για τον εντοπισμό των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης σε μια περιοχή.
• Ο μετασχηματισμός των πολυφαματικών εικόνων, σε κύριες συνιστώσες, εφαρμόστηκε ως μια τεχνική ενίσχυσης, πριν από την Φωτοερμηνεία.