Ανίχνευση εκτεθειμένων και υπο-επιφανειακών αρχαιολογικών καταλοίπων μέσω “multi – sensor” τηλεπισκόπισης

Από RemoteSensing Wiki

Detection of exposed and subsurface archaeological remains using multi-sensor remote sensing

Ανίχνευση εκτεθειμένων και υπο-επιφανειακών αρχαιολογικών καταλοίπων μέσω “multi – sensor” τηλεπισκόπισης

Συγγραφείς: Aled Rowlands, Apostolos Sarris

Πηγή: Journal of Archaeological Science, 2007

Στην περιοχή Ίτανος της ανατολικής Κρήτης, εφαρμόστηκε αερομεταφερόμενη πολυ-αισθητηριακή (multi-sensor) τηλεπισκόπηση για να αξιολογήσει τις δυνατότητές της στον εντοπισμό των εκτεθειμένων και θαμμένων (γνωστών) αρχαιολογικών καταλοίπων, και για να σκιαγραφήσει τα υπο-επιφανειακά κατάλοιπα, πέρα από τους περιορισμούς των επίγειων γεωφυσικών δεδομένων, προκειμένου να γίνουν δυνατές μελλοντικά στοχευμένες γεωφυσικές έρευνες και αρχαιολογικές ανασκαφές. Μια σειρά τεχνικών επεξεργασίας (π.χ. ανίχνευση ανωμαλίας ReedeXiaoli) εφαρμόστηκε σε δεδομένα CASI, ATM και Lidar, προκειμένου να ανιχνευθούν ανωμαλίες με βάση την προϋπόθεση ότι τα θαμμένα κατάλοιπα είναι πιθανό να αλλάξουν τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του χώματος, σε σύγκριση με τον περιβάλλοντα χώρο, λόγω των παραλλαγών στο βάθος και την απορροή του εδάφους. Μέσω ενός συνδυασμού δεδομένων CASI, ATM και Lidar, τα επιφανειακά κατάλοιπα ταξινομήθηκαν και χαρτογραφήθηκαν αποτελεσματικά, ακολουθώντας μια αντικειμενοστραφή προσέγγιση, ενώ η ανίχνευση υπο-επιφανειακών καταλοίπων αποδείχτηκε περισσότερο προβληματική. Παρόλα αυτά, τα θερμικά δεδομένα είναι τα πιο πολλά υποσχόμενα για αυτή την εφαρμογή.

Οι περισσότερες εφαρμογές που χρησιμοποιούν την τηλεπισκόπηση για την αρχαιολογία υιοθετούν μια “μονο-αισθητηριακή” προσέγγιση, ενώ τα πραγματικά οφέλη όσον αφορά την αρχαιολογική ερμηνεία προκύπτουν μέσω μιας “πολυ-αισθητηριακής” προσέγγισης που εκμεταλλεύεται τις διαφορετικές ιδιότητες κάθε δέκτη (Powlesland, 1997). Πολυφασματικoί δέκτες όπως ο Landsat και ο SPOT αποκτούν δεδομένα σε ευρείες (~100-200 nm) ακανόνιστα χωρισμένες φασματικές ζώνες (van der Meer & de Jong, 2001). Οι πολυφασματικοί αισθητήρες, που περιλαμβάνουν εκατοντάδες ζώνες, είναι σε θέση να ανακτήσουν φάσματα ανακλαστικότητας εργαστηριακής ποιότητας έτσι ώστε τα δεδομένα που συνδέονται με κάθε pixel να προσεγγίζουν την αληθινή φασματική υπογραφή του στοχευμένου υλικού (Lucas, 2004). Δεδομένου του κόστους αυτών των εικόνων, το εν λόγω άρθρο επιχειρεί να εξετάσει αν είναι απαραίτητο να επιλέγονται εικόνες υψηλής φασματικής όσο και χωρικής ανάλυσης για αρχαιολογικές εφαρμογές.

Περιοχή μελέτης και δεδομένα

Ο Ίτανος (Ερημούπολη) βρίσκεται 10km βόρεια του Παλαιοκάστρου, στην Περιφέρεια Λασιθίου, κοντά στο φοινικοδάσος Βάι. Το λιμάνι του ήταν σημαντικό για το εμπόριο μεταξύ της Κρήτης και της ανατολικής Μεσογείου, και λόγω της οικονομικής της ανάπτυξης, ήταν η πρώτη κρητική πόλη που είχε νόμισμα. Η αρχαιολογική περιοχή καλύπτει περίπου 16.000 km2, εκ των οποίων μόνο το 1% έχει ανασκαφθεί. Η περιοχή επιλέχτηκε καθώς περιέχει εκτεθειμένα αρχαιολογικά κατάλοιπα, θαμμένα αρχαιολογικά κατάλοιπα σε απόσταση 1-3m από την επιφάνεια, καθώς και χαμηλή πυκνότητα βλάστησης. Τα κατάλοιπα είναι φτιαγμένα από τοπική πέτρα, γεγονός που θέτει ένα πρόβλημα στην τηλεπισκόπηση, καθώς τα ανακλαστικά χαρακτηριστικά τους είναι παρόμοια με αυτά των περιβάλλοντων υλικών.

Οι αερομεταφερόμενες εικόνες αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια δύο ημερών τον Απρίλιο του 2004, στα πλαίσια της μεσογειακής εκστρατείας πτήσης του NERC . Τα δεδομένα από τους δύο δέκτες, δηλαδή τον Airborne Thematic Mapper (ATM) και τον Compact Airborne Spectrographic Imager (CASI), εξετάζονται μαζί με τα δεδομένα Lidar και τις αεροφωτογραφίες που προέκυψαν από την ίδια εκστρατεία. Ο δέκτης CASI περιορίζεται στο ορατό και κοντά στο υπέρυθρο (NIR) φάσμα και ήταν προγραμματισμένος να λαμβάνει δεδομένα σε 15 κανάλια από 449 nm σε 940 nm με χωρική ανάλυση 2,0m, ενώ ο δέκτης ATM απόκτησε δεδομένα σε 11 ευρύτερες ζώνες, με χωρική ανάλυση 2,5m. Ο δέκτης ATM παρέχει σημαντικές πληροφορίες στο Short Wave Infrared (SWIR) και το θερμικό (TIR) κομμάτι του φάσματος όσον αφορά τις εδαφολογικές ιδιότητες και την χωρητικότητα σε θερμότητα.

Μέθοδοι επεξεργασίας των δεδομένων

Οι εικόνες από τον CASI μετατράπηκαν σε μονάδες αντανακλαστικότητας βάσει των επίγειων φασματικών μετρήσεων με ένα φασματόμετρο GER1500, ενώ τα δεδομένα του ATM διορθώθηκαν ατμοσφαιρικά (μέσω του FLAASH module) ενσωματώνοντας το MODTRAN4 radiation transfer code (Matthew, 2000) στο λογισμικό ENVI. Τα δεδομένα Lidar αποκτήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν υψηλής ευκρίνειας αερομεταφερόμενο laser σαρωτή, Optech ALTM 3033, με πυκνότητα σημείου 1,0m. Αφού διορθώθηκαν, οι εικόνες ταξινομηθήκαν βάσει μιας αντικειμενοστραφούς προσέγγισης, του προγράμματος eCognition και στη συνέχεια, επεξεργάσθηκαν μέσω του ReedXiaoli (RXD) αλγορίθμου για την ανίχνευση ανωμαλιών στο πρόγραμμα ENVI.

Αποτελέσματα

Μια βασική υπόθεση που γίνεται είναι ότι τόσο τα επιφανειακά όσο και τα υπο-επιφανειακά κατάλοιπα θα έχουν διαφορετικά φασματικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τα περιβάλλοντα υλικά, κάτι που μπορεί να αποδοθεί μέσω της ανάλυσης του ορατού ή/και των NIR και TIR τμημάτων του φάσματος. Αποδείχτηκε ότι τα ορατά/ ΝIR δεδομένα που προέκυψαν από τους δέκτες CASI και ATM, χαρτογράφησαν επιτυχώς τα επιφανειακά κατάλοιπα.

(α) Πιθανή επέκταση του αρχαίου λιμανιού προς την ενδοχώρα

Όσον αφορά τα ρηχά υπο-επιφανειακά κατάλοιπα, προκύπτει η πιθανή επέκταση του αρχαίου λιμανιού προς την ενδοχώρα. Η κορυφή του βραχώδους στρώματος, που αποτελείται από διαβρωμένα phyllites, φθάνει σε μέγιστο βάθος 10m κάτω από την επιφάνεια (εικ. 1a). Τα δεδομένα Lidar δείχνουν ότι δεν υπάρχουν προσδιορίσιμες τοπογραφικές παραλλαγές (εικ. 1b). Τα αποτελέσματα από την επεξεργασία RXD των δεδομένων CASI και ATM παρουσιάζονται στις εικόνες 1c και 1d αντιστοίχως, και δείχνουν το επίπεδο ανωμαλίας σε μία κλίμακα από το μπλε ως το κόκκινο και το κίτρινο, με το κόκκινο να υποδηλώνει περιοχές με υψηλή ανωμαλία.

Εικόνα 1: Σειρά εικόνων που εστιάζουν στην πιθανή επέκταση του λιμανιού προς τα δυτικά. α) αεροφωτογραφία των θαμμένων αρχαιολογικών καταλοίπων, b) εικόνα από τα δεδομένα lidar, c) αποτέλεσμα του ReedXiaoli (RXD) αλγορίθμου από τον CASI, d) αποτέλεσμα του ReedXiaoli (RXD) αλγορίθμου από τον ΑΤΜ

(β) Αρχαίο φρούριο

Εντοπίστηκε επίσης η παρουσία ενός τοίχους που διασχίζει το λόφο στο νότιο μέρος της εν λόγω περιοχής. Η θέση του επιβεβαιώνεται από τις αεροφωτογραφίες και τις εικόνες που προέκυψε από τα δεδομένα Lidar και τα ορατά κανάλια των CASI και ATM (εικ. 2a-c, W1).

Συμπεράσματα

Ενώ η επιφανειακή αρχαιολογία έχει χαρτογραφηθεί καλά από τους διάφορους δέκτες, η σκιαγράφηση των υπο-επιφανειακών καταλοίπων μέσω της τηλεπισκόπησης είναι προβληματική, παρόλο που οι ανωμαλίες έχουν χαρτογραφηθεί στις ζώνες που αντιστοιχούν σε γνωστά υπο-επιφανειακά κατάλοιπα. Οι δυσκολίες προέρχονται από την παρουσία βραχών, βλάστησης και ανάμικτων pixels στις βασικές αρχαιολογικές περιοχές. Η μελέτη έδειξε ότι οι πολυφασματικές και υπερφασματικές εικόνες αξιοποιούνται καλύτερα μέσα μιας διεπιστημονικής προσέγγισης που ενσωματώνει και άλλα εργαλεία τηλεπισκόπησης (π.χ. επίγειες γεωφυσικές τεχνικές, Lidar). Τέλος, το πλεονέκτημα για την επιλογή υψηλής χωρικής ανάλυσης είναι ότι τα δεδομένα αποκτώνται σε μια ανάλυση κοντά στα πραγματικά χωρικά σχέδια των καταλοίπων, έτσι ώστε η πιθανότητα των «αμιγών» pixels να είναι μεγαλύτερη.

Εικόνα 1: Εικόνες που εστιάζουν στο αρχαίο τοίχος στο λόφο στο νότιο Ιτανό, a) παγχρωματική αεροφωτογραφία, b) εικόνα NDVI από τον CASI, c) εικόνα από τα δεδομένα lidar, d) εικόνα από το θερμικό κανάλι του ΑΤΜ.