Εφαρμογή Τηλεπισκόπισης στην καταγραφή της κατανάλωσης του αρδευτικού νερού στον Κάμπο του Ν. Χανίων

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Οι εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπισης στον τομέα της γεωργίας αφορούν κυρίως την μέτρηση της έκτασης των καλλιεργειών, την αναγνώριση ασθενειών, την παρακολούθηση της πορείας ανάπτυξης της βλάστησης, την εκτίμηση των ζημιών των γεωργικών καλλιεργειών, την χαρτογράφηση εδαφών κ.α. Τα τελευταία χρόνια η κατανάλωση και χρήση νερού έχει αυξηθεί ραγδαία. Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα έντονο σε ότι αφορά τις ανάγκες για αρδεύσιμο νερό. Στο σημείο αυτό η χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπισης μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση/οριοθέτηση των αρδεύσιμων καλλιεργειών, ώστε να εντοπιστούν οι πραγματικές ανάγκες για τη χρήση αρδεύσιμου ύδατος.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η κοστολόγηση του αρδευτικού νερού στον Κάμπο Χανίων, λαμβάνοντας υπόψη τις οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής. Προκειμένου να αξιολογηθούν οι πραγματικές διαστάσεις του προβλήματος, το πρώτο στάδιο της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε περιλάμβανε τη συλλογή των απαραίτητων πληροφοριών/μεταβλητών για την περιοχή μελέτης. Ακολούθως, έγινε καταγραφή και συλλογή από τα απαραίτητα χαρτογραφικά υπόβαθρα και ιδιαίτερα χαρτών χρήσεων γης (π.χ. χάρτες χρήσης γης από CORINE, χαρτών ΥΠΓΕ).

Τέλος πραγματοποιήθηκαν οι απαραίτητες γεωμετρικές και ραδιομετρικές διορθώσεις των δορυφορικών εικόνων, ώστε οι εικόνες να μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα για την χαρτογράφηση των αρδευόμενων εκτάσεων. Το επόμενο βήμα περιελάμβανε την προετοιμασία των δειγματοληπτικών εργασιών εδάφους και τη δημιουργία των εντύπων που αξιοποιήθηκαν στην φάση των επίγειων εργασιών. Τα δεδομένα δειγματοληψίας που συλλέχθηκαν και επιλέχθηκαν για χρήση στην ταξινόμηση των εικόνων χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή μεθόδου ταξινόμησης των δορυφορικών εικόνων. Επίσης, πραγματοποιήθηκε και εφαρμογή μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης με στόχο την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων εξαγωγής των χρήσεων γης. Με την τεχνική της ταξινόμησης παρήχθησαν χάρτες κατηγοριοποίησης των καλλιεργειών, καθώς και των αρδευόμενων εκτάσεων σε όλα τα στάδια ανάπτυξης τους, δίνοντας την πραγματική διάσταση σε χρήση αρδεύσιμου ύδατος.

Η όλη διαδικασία εφαρμόστηκε και στα τρία στάδια λήψης των δορυφορικών εικόνων ώστε να είναι εφικτή η παρακολούθηση τα χωρικής και χρονικής εξέλιξης των σταδίων ανάπτυξης των καλλιεργειών και της αναγνώρισης των αρδεύσιμων εκτάσεων. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης συνδέθηκαν γεωγραφικά με το Σύστημα διαχείρισης της Γεωγραφικής Πληροφορίας του έργου με στόχο την καταγραφή και αποθήκευση των δεδομένων που αφορούν στην υποστήριξη της διαχείρισης των αρδευτικών νερών και τη δημιουργία εφαρμογών προκειμένου να υπάρχει συνολική εποπτεία του έργου.

Σχήμα 1: Η χρήση της δορυφορικής Τηλεπισκόπησης ως εργαλείο υποστήριξης στη μεθοδολογία καταγραφής της κατανάλωσης του αρδευτικού νερού στον Κάμπο του Ν. Χανίων

Εισαγωγή

Η περιοχή μελέτης τοποθετείται στο βορειοκεντρικό τμήμα του Ν. Χανίων, της νήσου Κρήτης (Εικόνα 1). Είναι μια γεωργική περιοχή η οποία καλλιεργείται κυρίως με ελιές, εσπεριδοειδή και αμπέλια, με μεγάλη συμμετοχή στην τοπική οικονομία, δεδομένου ότι η γεωργία αποτελεί βασικό στήριγμα της περιοχής παρά τη θεαματική αύξηση της τουριστικής ανάπτυξης της.

Εικόνα 1: Δορυφορική εικόνα IKONOS MS της περιοχής μελέτης

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η κοστολόγηση του αρδευτικού νερού στον Κάμπο Χανίων, λαμβάνοντας υπόψη τις οικονομικές, κοινωνικές και περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής. η κοστολόγηση του αρδευτικού νερού θα αποτελέσει τη βάση της μελλοντικής τιμολογιακής πολιτικής, όπως αυτή ορίζεται από την Ευρωπαϊκή Οδηγία Πλαίσιο για το Νερό (2000/60) και τη νέα εθνική νομοθεσία. Μια τέτοια τιμολόγηση θα πρέπει να στηρίζεται σε τιμές που να αντανακλούν την πραγματική αξία του συγκεκριμένου φυσικού πόρου με σκοπό της όσο το δυνατόν πιο ορθολογική και αποτελεσματική χρήση του.

Μεθοδολογία

Η καθιερωμένη πρακτική διαδικασία για τη χαρτογράφηση των αρδεύσιμων καλλιεργειών με τη χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπισης ακολουθεί τα εξής στάδια (σχήμα 1):

• Συλλογή απαραίτητων χαρτογραφικών υποβάθρων, ιδιαίτερα των χαρτών χρήσεων γης Χάρτες χρήσης γης από CORINE, χαρτών ΥΠΓΕ κτλ.

• Επιλογή κατάλληλων χρονικών δορυφορικών εικόνων Αρχικά έγινε προμήθεια μιας πολυφασματικής εικόνας του δορυφόρου IKONOS και της αντίστοιχης παγχρωματικής και κατόπιν μιας δεύτερης δορυφορικής πολυφασματικής εικόνας του ίδιου δορυφόρου σε διαφορετική χρονική περίοδο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των καλλιεργειών ανάλογα με το φαινολογικό τους τύπο (π.χ. στάδιο πρώιμης, μέσης και τελικής ανάπτυξης).

• Επεξεργασία των εικόνων και αναγωγή τους σε επιθυμητό γεωγραφικό σύστημα αναφοράς Η πρώτη επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων είναι η γεωμετρική ορθοαναγωγή σε μια κοινή τοπογραφική βάση και η αναδόμηση τους με βάση το Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα αναφοράς (ΕΓΣΑ ΄87). Στη συνέχεια ακολουθεί η ραδιομετρική διόρθωση των εικόνων ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι χρωματικές διαφορές που προέρχονται από τις συνθήκες του φωτισμού που υπήρχαν κατά την στιγμή της λήψης. Η ραδιομετρική διόρθωση έγινε με το λογισμικό ERDAS IMAGINE 8.7.

• Λήψη φασματικών ταυτοτήτων από δειγματοληπτικές περιοχές Πριν τα στάδια της ταξινόμησης ελήφθησαν δείγματα από εργασία πεδίου (150 στον αριθμό) που αντιπροσώπευαν όλους τους τύπους καλλιεργειών (πίνακας 1).

Πίνακας 1: Τύποι καλλιέργειας της περιοχής μελέτης

• Εφαρμογή τεχνικών ανάλυσης μοντέλων και αλγορίθμων και δημιουργία τροποποιημένων εικόνων (π.χ. σύνθετες εικόνες διαφορετικών χρονικών περιόδων) Για την καλύτερη οπτική ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η χρωματική διαβάθμιση των διαφόρων καλλιεργειών στην οθόνη. Αυτό επιτυγχάνεται με τον υπολογισμό των ιστογραμμάτων των καναλιών που χρησιμοποιούνται και επεκτείνοντας γραμμικά (linear stretching) το τμήμα του ιστογράμματος που αντιπροσωπεύει γεωργικές χρήσεις.

• Εφαρμογή τεχνικών ταξινόμησης για την εξαγωγή ποιοτικά διαφοροποιημένων κλάσεων με βάση επιθυμητά κριτήρια

Σε δύο εικόνες IKONOS υψηλής χωρικής ανάλυσης, μια πολυφασματική (myltispectral) με χωρική ανάλυση 4m και μια παγχρωματική με χωρική ανάλυση 1m με ημερομηνία λήψης 16/07/2006, εφαρμόστηκε συνδυασμός των δύο τεχνικών ταξινόμησης. Της καθοδηγούμενης και της μη-καθοδηγούμενης με μεγαλύτερο βάρος στην καθοδηγούμενη. Η ταξινόμηση εφαρμόστηκε στην πολυφασματική εικόνα ενώ η pansharpened (σύνθεση παγχρωματικής και πολυφασματικής ορθοεικόνας) χρησιμοποιήθηκε ως βασικό στοιχείο ελέγχου για τα αποτελέσματα της ταξινόμησης.

Εικόνα 2: Δείγματα κατηγοριών κάλυψης/χρήσης γης που υπάρχουν στην περιοχή μελέτης

Η ταξινόμηση των διαθέσιμων δορυφορικών εικόνων έγινε με την μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood Classification Method).

• Στατιστικός και συγκριτικός έλεγχος των αποτελεσμάτων

Η συνολική ακρίβεια της ταξινόμησης είναι 65.54% και ο συντελεστής kappa 0.651. Η υπολογισμένη, κατά προσέγγιση, έκταση ανα τύπο καλλιεργειών μετά την ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας είναι (πίνακας 2):

Πίνακας 2: Έκταση ανα τύπο καλλιεργειών μετά την ταξινόμηση

Εικόνα 3: α) Ορθοεικόνα IKONOS και β) Θεματική εικόνα IKONOS

Εικόνα 4: Τελικός θεματικός χάρτης

Συμπεράσματα

Τα αρχικά δεδομένα που συλλέχθηκαν δεν βοήθησαν πολύ στην ταξινόμηση των καλλιεργειών. Το πρόγραμμα CORINE έδωσε δεδομένα κλίμακας 1:100.000 τα οποία είναι περιορισμένης χρησιμότητας λόγω της παλαιότητας τους και σε καμία περίπτωση δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πρακτικό επίπεδο όσον αφορά την λεπτομερή κάλυψη/χρήση γης.

Τα δορυφορικά δεδομένα του IKONOS παρουσίασαν μια αδυναμία διάκρισης συγκεκριμένων τύπων χρήσης γης λόγω της περιορισμένης φασματικής ανάλυσης τους και των παραγόντων εκείνων που συναντώνται στην περιοχή και αφορούν του πολυτεμαχισμό του αγροτικού κλήρου, τις μικρές εκτάσεις των αγροτεμαχίων, τη συχνή συγκαλλιέργεια και τις παραπλήσιες φασματικές υπογραφές των κλάσεων ταξινόμησης.

Όλα τα παραπάνω προβλήματα είναι αντιμετωπίσιμα και οδεύουν προς λύση. Ήδη έχει ξεκινήσει καθοδηγούμενη ταξινόμηση σε επίπεδο ΤΟΕΒ (Τοπικοί Οργανισμοί Εγγείων Βελτιώσεων) όπου θα ληφθούν καινούργια δείγματα εδάφους και έτσι θα περιοριστεί κατά μεγάλο ποσοστό το πρόβλημα σύγχυσης της φασματικής υπογραφής μεταξύ παρόμοιων καλλιεργειών. Επίσης χρησιμοποιόντας το ψηφιακό μοντέλο εδάφους θα γίνει καλύτερος διαχωρισμός των ελαιόδεντρων από τα εσπεριδοειδή φυτά αφού τα πρώτα καλλιεργούνται σε μεγαλύτερα και απότομα υψόμετρα ενώ τα εσπεριδοειδή συναντώνται κατά μήκος των παραποτάμιων πεδιάδων.

Βάζοντας τέτοιας φύσεως περιορισμούς και κριτήρια, λαμβάνοντας περισσότερα δείγματα εδάφους αλλά και διορθώνοντας λάθος αποτελέσματα, τα αποτελέσματα της ταξινόμησης θα βελτιωθούν και στόχος είναι να προσεγγίσουν ποσοστό ακρίβειας 80% περίπου.

Πηγή: Γκιούρου Α. (2007). Εφαρμογή Τηλεπισκόπισης στην καταγραφή της κατανάλωσης του αρδευτικού νερού στον Κάμπο του Ν. Χανίων. GEOMET ltd