ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΛΕΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΓΕΩΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ
Από RemoteSensing Wiki
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ LANDSAT 5, TM KAI SPOT/PAN ΤΗΣ ΝΟΤΙΑΣ ΑΡΓΟΛΙΔΑΣ
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στην παρούσα μελέτη, δύο ψηφιακές δορυφορικές εικόνες LANDSAT 5, TM και SPOT/PAN από την περιοχή της Αργολίδας επεξεργάσθηκαν, με σκοπό κυρίως τον προσδιορισμό ρηγμάτων αλλά και γενικότερα τεκτονικών και γεωλογικών επαφών και γεωμορφολογικών ενοτήτων. Οι δομές που προσδιορίσθηκαν επιβεβαιώθηκαν στο ύπαιθρο και στη συνέχεια εισήχθησαν στο Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών «ΠΡΩΑΝΑ» που αναπτύχθηκε για την περιοχή, ώστε αφού συσχετίσθηκαν με τα υπόλοιπα δεδομένα κατασκευάσθηκε ο «Χάρτης Ρηξιγενούς Ιστού» και ο «Συνθετικός Γεωλογικός Χάρτης». Οι συγκεκριμένοι χάρτες με την απαραίτητη φυσικά βάση δεδομένων που τους συνοδεύει, χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη της Γεωδυναμικής Εξέλιξης της Νότιας Αργολίδας.
ΕΙΣΑΓΩΓΉ
Η Τηλεανίχνευση, όσον αφορά στην Γεωμορφολογία - Τεκτονική - Νεοτεκτονική αλλά και Γεωδυναμική, χρησιμοποιείται ευρέως, εφόσον βοηθά στην μελέτη μεγάλων συνήθως δομών, όπου είναι δύσκολη η παρατήρηση στο ύπαιθρο. Χρησιμοποιείται για την μελέτη υδρογραφικών δικτύων - υδροκριτών και χαρακτηριστικά τους, προσανατολισμό - χαρακτηριστικά οροσειρών, μορφολογία ακτών, ηφαιστειακών δομών (κρατήρες, ροές λάβας κ.ά), δελταϊκών αποθέσεων, αλλουβιακών αποθέσεων, γενικά διάκριση αλπικών - μεταλπικών σχηματισμών καθώς και οριοθέτηση μεταλπικών λεκανών, αναγνώριση τεκτονικών στοιχείων όπως αξόνων πτυχών, εφιππεύσεων, επωθήσεων, αλλά κυρίως ρηγμάτων και περισσότερο νεοτεκτονικών. Στην παρούσα μελέτη δύο ψηφιακές δορυφορικές εικόνες LANDSAT 5, TM και SPOT/PAN από την περιοχή της Αργολίδας επεξεργάσθηκαν και ερμηνεύθηκαν με σκοπό κυρίως τον προσδιορισμό ρηγμάτων αλλά και γενικότερα τεκτονικών και γεωλογικών επαφών και γεωμορφολογικών ενοτήτων. Η επεξεργασία και ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων έγινε στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε στο Τμήμα Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών (Βασιλοπούλου, 1999). Στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη της Γεωδυναμικής Εξέλιξης της Νότιας Αργολίδας, μέσω της Ανάλυσης Αναγλύφου με την ανάπτυξη Συστήματος Γεωγραφικών Πληροφοριών και την χρήση Δεδομένων Τηλεανίχνευσης. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε το ειδικό λογισμικό «ΠΡΩΑΝΑ» («Πρωτότυπο Ανάλυσης Αναγλύφου»), προσαρμοσμένο στο Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών Workstation Arc/Info, με σκοπό την διαχείριση διαφόρων ειδών δεδομένων (γεωλογικών, τεκτονικών, τοπογραφικών κ.ά), την παραγωγή αντίστοιχων θεματικών επιπέδων και χαρτών, αλλά κυρίως την αυτόματη παραγωγή θεματικών ή συνθετικών επιπέδων και χαρτών ανάλυσης αναγλύφου (Ψηφιακού Μοντέλου Αναγλύφου, Μορφολογικών Κλίσεων, Μορφολογικών Ασυνεχειών, Επιφανειών Επιπέδωσης κ.ά) και διαγραμμάτων απαραίτητων για την μελέτη της Γεωδυναμικής Εξέλιξης της περιοχής(Βασιλοπούλου, 1999, Vassilopoulou, 2001). Οι δομές που προσδιορίσθηκαν από την ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων (ρήγματα, τεκτονικές επαφές, γεωλογικά όρια, γεωμορφολογικά όρια) επιβεβαιώθηκαν στο ύπαιθρο και στη συνέχεια εισήχθησαν στο «ΠΡΩΑΝΑ», όπου διαχειρίσθηκαν και συνδυάσθηκαν με τα υπόλοιπα δεδομένα, για την σύνθεση χαρτών (Γεωλογικού, Ρηξιγενούς Ιστού, Μορφοτεκτονικού κ.ά) απαραίτητων για την Ανάλυση Αναγλύφου.
ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ - ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ
Οι ψηφιακές δορυφορικές εικόνες SPOT και LANDSAT που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη, έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά:
Δορυφορική Εικόνα SPOT/PAN:
Ημερομηνία λήψης: 16/8/1994, Όργανο καταγραφής: HRVI, Ηλιακό αζιμούθιο (sun azimuth): +136.50, Ηλιακή ανύψωση (sun elevation): 60.30.
Δορυφορική εικόνα LANDSAT 5, TM:
Αποτελεί τμήμα της Δορυφορικής εικόνας με στοιχεία: Ημερομηνία λήψης: 16/8/1991, Ηλιακό αζιμούθιο: N1190, Ηλιακή ανύψωση: 520, Επτά (7) φασματικά κανάλια.
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ
Η ψηφιακή επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων έγινε μέσω του Προγράμματος ψηφιακής επεξεργασίας IMAGINE του ERDAS, ver. 8.2 και 8.3 σε περιβάλλον PC και ειδικότερα σε υπολογιστές Pentium II, 300Mhz με 256Mram. Η ψηφιακή επεξεργασία των δύο εικόνων εστιάσθηκε στα δύο πρώτα στάδια (προεπεξεργασία και βελτίωση). Για την LANDSAT ακολούθησε επιπλέον η δημιουργία σύνθετων ψευδέγχρωμων εικόνων και η δημιουργία ψευδέγχρωμης εικόνας Κυρίων Συνιστωσών. Στη συνέχεια, ακολούθησε η κλασσική φωτοερμηνεία, όλων των εικόνων που προέκυψαν. Η ψηφιακή ταξινόμηση, από μόνη της, όσον αφορά τη γεωλογική - λιθολογική χαρτογράφηση, έχει περιορισμένες εφαρμογές. Τελευταίο στάδιο βέβαια αποτέλεσε η επαλήθευση - επιβεβαίωση των δομών στο ύπαιθρο.
Επεξεργασία της Εικόνας SPOT
Προεπεξεργασία της Εικόνας Εφόσον η εικόνα έχει ήδη υποστεί ραδιομετρικές διορθώσεις (επίπεδο απόκτησης 1A), η λειτουργία που επιχειρείται στο στάδιο αυτό είναι η γεωμετρική διόρθωση της εικόνας, ώστε να της αποδοθούν ιδιότητες χάρτη (κλίμακα, προβολικές ιδιότητες κ.λ.π.). Για τον λόγο αυτόν, γίνονται προσαρμογή και αναγωγή των συντεταγμένων και η εικόνα προβάλλεται στο χαρτογραφικό σύστημα UTM. Η προσαρμογή και αναγωγή των συντεταγμένων βασίζεται σε επιλεγμένα εδαφικά σημεία ελέγχου (Ground Control Points – GCPs), τα οποία αναγνωρίζονται στην εικόνα σε συνδυασμό με τους τοπογραφικούς χάρτες της Γ.Υ.Σ. που καλύπτουν την περιοχή αναφοράς της. Συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται οι τοπογραφικοί χάρτες – φύλλα: «Σπέτσες», «Ύδρα», «Λυγουριό», «Κόρινθος», «Ναύπλιο», «Σοφικό» και «Άστρος», κλίμακας 1/50.000 και χρονολογίας 1989-1992. Αρχικά, επιλέγονται πενήντα πέντε (55) εδαφικά σημεία ελέγχου, σε διασταυρώσεις δρόμων, σε πολύ κλειστές στροφές δρόμων, εκκλησίες, ακρωτήρια λιμενοβραχίονες κ.λ.π. Μέσω της διαδικασίας του μετασχηματισμού, κατά την οποία αφαιρούνται σημεία (GCPs), τα οποία δίνουν σφάλμα μεγαλύτερο από το επιτρεπτό, χρησιμοποιούνται τελικά σαράντα επτά (47) σημεία και πραγματοποιείται μετατροπή 4ου βαθμού, με σφάλμα RMS = 16m (περίπου 1.5 pixel). Στη συνέχεια, γίνεται αναδόμηση της εικόνας (resampling) με την μέθοδο της πλησιέστερης γειτονίας (nearest neighbor) και τελικά παράγεται η διορθωμένη γεωμετρικά SPOT με νέα τιμή κυψελίδας = 12m (pixel, δηλαδή χωρική διακριτική ικανότητα).
Βελτίωση της Εικόνας Μετά τη γεωμετρική διόρθωση, ακολουθεί η βελτίωση της εικόνας. Στη συγκεκριμένη περίπτωση εφαρμόζεται η τεχνική της γραμμικής επέκτασης του ιστογράμματος (linear contrast streching) και στη συνέχεια βελτιώνεται η αντίθεση και η φωτεινότητα της εικόνας.
Επεξεργασία της Εικόνας LANDSAT
Αρχικά επιλέγονται και συνδυάζονται οι έξι από τις επτά φασματικές ζώνες (όλες εκτός του θερμικού υπέρυθρου, η οποία δεν είναι απαραίτητη για τη συγκεκριμένη μελέτη).
Προεπεξεργασία της Εικόνας Η γεωμετρική διόρθωση των δεδομένων LANDSAT γίνεται με βάση την τεχνική «εικόνα προς εικόνα» (image to image - registration) σε σχέση με τη γεωμετρικά διορθωμένη εικόνα SPOT. Στην εικόνα LANDSAT επιλέγονται GCPs αναφορικά με την SPOT, καθώς και επιπλέον σημεία, αναφορικά με τους τοπογραφικούς χάρτες της περιοχής, επειδή η SPOT καλύπτει μικρότερη περιοχή από την LANDSAT. Συνολικά επιλέγονται ογδόντα δύο (82) σημεία. Μέσω της διαδικασίας του μετασχηματισμού κατά την οποία αφαιρούνται σημεία (GCPs), τα οποία δίνουν σφάλμα μεγαλύτερο από το επιτρεπτό, τελικά χρησιμοποιούνται εβδομήντα επτά (77) σημεία ελέγχου και στη συνέχεια πραγματοποιείται 3ου βαθμού μετασχηματισμός, με σφάλμα RMS = 32m (περίπου 1 pixel). Ακολουθεί αναδόμηση της εικόνας με την μέθοδο της πλησιέστερης γειτονίας και παράγεται η γεωμετρικά διορθωμένη εικόνα με νέο μέγεθος κυψελίδας 28m.
Βελτίωση της Εικόνας Μετά τη γεωμετρική διόρθωση ακολουθεί η βελτίωση της εικόνας. Όπως και στην εικόνα LANDSAT έτσι και στην SPOT εφαρμόζεται η τεχνική της γραμμικής επέκτασης του ιστογράμματος και στη συνέχεια βελτιώνεται η αντίθεση και η φωτεινότητα της εικόνας.
Δημιουργία Σύνθετων Ψευδέγχρωμων Εικόνων Διάφοροι συνδυασμοί των φασματικών καναλιών του Θεματικού Χαρτογράφου μπορούν να επιλεχθούν και να παράγουν σύνθετα χρωματικά αποτελέσματα. Επίσης διάφορα χρωματικοί τόνοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναδείξουν τα ζητούμενα χαρακτηριστικά. Στην εργασία δημιουργούνται οι παρακάτω συνδυασμοί: 7-3-2 (RGB), 7-5-3 (RGB), 7-5-1 (RGB), 4-7-2 (RGB). Ειδικά η εικόνα που προκύπτει από τον συνδυασμό 4-7-2 (εικ. 1, 2, 3) αποδίδει το μέγιστο εύρος χρωματικών υπογραφών και θεωρείται ο ιδανικός συνδυασμός για γεωλογικές εφαρμογές σε ημίξερες περιοχές (Sabins, 1997). Στην συγκεκριμένη εικόνα διακρίνονται περιοχές έντονου ανάγλυφου και λεκάνες με διάφορους καλυμματικούς τύπους, όπως γυμνά εδάφη και πετρώματα, θαμνώδεις εκτάσεις, πυκνή φυσική βλάστηση, καλλιέργειες κ.λ.π. Τα γυμνά πετρώματα και εδάφη εμφανίζονται με πράσινες αποχρώσεις ως και λευκές (περιοχές έντονα διαβρωμένες). Οι καλλιέργειες και η φυσική βλάστηση παρουσιάζονται με αποχρώσεις του ερυθρού.
Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών Η συγκεκριμένη μεθοδολογία έχει ως σκοπό την μείωση του αριθμού των δεδομένων, στην περίπτωση των πολυφασματικών δεδομένων, ενώ ταυτόχρονα διατηρείται το σύνολο σχεδόν της πληροφορίας των αρχικών δεδομένων, μέσω της δημιουργίας ενός ανυσματικού διαστήματος με τόσους άξονες ή διαστάσεις όσες είναι οι φασματικές συνιστώσες (φασματικά κανάλια) που συνδέονται με κάθε κυψελίδα της εικόνας. Στην συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιούνται όλα τα φασματικά κανάλια πλην του θερμικού υπέρυθρου (φασματικό κανάλι 6), επομένως το ανυσματικό διάστημα που προκύπτει έχει 6 διαστάσεις. Στον ΠΙΝΑΚΑ Ι δίδονται οι ιδιοτιμές, ενώ στον ΠΙΝΑΚΑ ΙΙ δίδονται τα ιδιοδιανύσματα που προκύπτουν από την επεξεργασία για την μετατροπή σε Κύριες Συνιστώσες. Παρατηρώντας τον πίνακα των ιδιοτιμών (ΠΙΝΑΚΑΣ Ι), συμπεραίνεται σχετικά με το ποσοστό της πληροφορίας των αρχικών δεδομένων που περιέχεται στις διάφορες συνιστώσες. Συγκεκριμένα, η πρώτη συνιστώσα περιέχει το 88% της πληροφορίας, η δεύτερη το 9,4%, ενώ στις υπόλοιπες συνιστώσες το ποσοστό είναι μικρότερο από το 1,5%. Το γεγονός ότι οι τελευταίες συνιστώσες έχουν μικρό ποσοστό πληροφορίας, δεν σημαίνει ότι δεν είναι σημαντικές και ότι δεν αξιολογούνται. Αντίθετα συχνά περιέχουν πληροφορία συγκεκριμένη και εμφανή στην εικόνα. Από τον πίνακα των ιδιοδιανυσμάτων (ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ) συμπεραίνεται η συνεισφορά των αρχικών φασματικών καναλιών σε κάθε μια συνιστώσα ξεχωριστά. Διακρίνεται επίσης ότι: Η συνιστώσα PC1 έχει θετική συνεισφορά από όλα τα αρχικά φασματικά κανάλια με χαμηλότερη τιμή (0,21) από το κανάλι ΤΜ2 και υψηλότερη τιμή συνεισφοράς (0.67) από το ΤΜ5. Η συνιστώσα PC2 έχει θετικές και αρνητικές συνεισφορές. Έχει αρνητικές συνεισφορές από τα κανάλια της ορατής ακτινοβολίας με μέγιστη αρνητική συνεισφορά (–0,80) από το ΤΜ1 και θετική u945 από τα κανάλια της υπέρυθρης με μέγιστη θετική συνεισφορά (0,40) από το ΤΜ5. Η συνιστώσα PC3 έχει θετικές και αρνητικές συνεισφορές. Αρνητικές έχει από τα κανάλια ΤΜ2, ΤΜ3 και ΤΜ4 και θετική από τα κανάλια ΤΜ1, ΤΜ5 και ΤΜ7. Η συνιστώσα PC4 έχει αρνητική συνεισφορά από τα κανάλια ΤΜ2, ΤΜ3 και ΤΜ7 και θετική από τα κανάλια ΤΜ1, ΤΜ4 και ΤΜ5. Η συνιστώσα PC5 έχει αρνητική συνεισφορά μόνο από ένα φασματικό κανάλι και συγκεκριμένα το ΤΜ3 με (-0,41), ενώ όλα τα άλλα συνεισφέρουν θετικά με χαρακτηριστικότερη τιμή αυτή του ΤΜ7 με (0,79). Η συνιστώσα PC6 δέχεται αρνητική συνεισφορά από τα κανάλια ΤΜ2 και ΤΜ5 και θετική από τα υπόλοιπα. Η οπτική συγκριτική μελέτη των διαφόρων συνδυασμών των συνιστωσών δείχνει ότι ο συνδυασμός 6-3-1 είναι ο καταλληλότερος, για την συγκεκριμένη περίπτωση. Η συνιστώσα PC1 δεν περιέχει συγκεκριμένη φασματική πληροφορία, έχει χαρακτηριστικά πανχρωματικής εικόνας και δίδονται πληροφορίες σχετικά με την τοπογραφία. Η συνιστώσα PC3 αφορά σε πληροφορία σχετικά με τους καλυμματικούς τύπους της περιοχής (π.χ. κατανομή της βλάστησης), ενώ η PC6 αν και περιέχει σε μεγάλο βαθμό «θόρυβο», η συνεισφορά από τα φασματικά κανάλια 2 και 3 θεωρείται σημαντική τόσο για τους καλυμματικούς τύπους, όσο και για την ανάδειξη του υδρογραφικού δικτύου. Συμπερασματικά, στο συνδυασμό 6-3-1, καταγράφονται με μεγάλη ευκρίνεια τα μορφολογικά χαρακτηριστικά της περιοχής, το υδρογραφικό δίκτυο και οι καλυμματικοί τύποι, χαρακτηριστικά τα οποία αποτελούν άμεσα ή έμμεσα κριτήρια αναγνώρισης δομών.
