Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ
Από RemoteSensing Wiki
Βαθυμετρία Ρηχών Θαλάσσιων Νερών με Πολυφασματικά Δεδομένα ΤΜ
Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ. Μ. ΤΣΑΚΙΡΗ-ΣΤΡΑΤΗ Επίκ. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.
Πηγή:Τεχνικά Χρονικά Επιστημονικές Εκδόσεις ΤΕΕ, Ι, Τεύχος 1 1998.
Αντικείμενο Εφαρμογής: Διαχείριση Παράκτιας Ζώνης
Σκοπός Εφαρμογής: Στην εργασία αυτή διερευνήθηκε και εκτιμήθηκε η δυνατότητα μέτρησης του βάθους, σε ρηχά θαλάσσια νερά, με τη χρήση δορυφορικών πολυφασματικών δεδομένων.
Εισαγωγή
Η μέτρηση βαθών σε περιοχές ρηχών νερών με τον παραδοσιακό τρόπο των ηχοβολιστικών συσκευών είναι αρκετά χρονοβόρα και ακριβή, καθώς απαιτεί πολλές μετρήσεις. Η ανάγκη για τη γρήγορη ενημέρωση των χαρτών πλοήγησης καθώς και για την παρακολούθηση και χαρτογράφηση των παράκτιων περιοχών, που εμφανίζουν κινδύνους για τη ναυσιπλοΐα, οδήγησε πολλούς επιστήμονες στην ανάπτυξη τεχνικών βαθυμετρίας με τηλεπισκόπηση. Οι νέες τηλεπισκοπικές τεχνικές με Laser ή πολυφασματικά δεδομένα φαίνεται να δίνουν καλές προοπτικές για γρήγορη και μαζική μέτρηση και πύκνωση των βαθών καθώς και για την παρακολούθηση των μεταβολών τους. Από τα τέλη της δεκαετίας του ’60, αναπτύχθηκαν πολλοί αλγόριθμοι για τη χαρτογράφηση βαθών νερού σε παράκτιες περιοχές με τη χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων. Οι παλαιότεροι από αυτούς στηρίζονται στη θεωρία της ανάκλασης βυθού και εφαρμόζονται σε ρηχές περιοχές με υψηλή ανάκλαση βυθού και καλή ποιότητα νερού. Κατά την τελευταία δεκαετία αναπτύχθηκαν και αλγόριθμοι με δυνατότητες ευρύτερης εφαρμογής, για περιοχές με θολά νερά και βυθό με χαμηλή ανάκλαση. Το ενδιαφέρον για τη βαθυμετρία είναι μεγάλο στην Ελλάδα, που περιβάλλεται από πλήθος ακτών και όπου οικονομικοί παράγοντες, όπως η ναυσιπλοΐα και ο τουρισμός, έχουν σημαντικά οφέλη από τη μέτρηση των βαθών. Παράλληλα, οι περισσότερες ελληνικές ακτές χαρακτηρίζονται από καθαρά νερά και ομαλούς ανοιχτόχρωμους βυθούς, πράγμα που τις καθιστά κατάλληλες για την εφαρμογή των περισσότερων από τους αλγορίθμους βαθυμετρίας με τηλεπισκόπηση. Στην εργασία αυτή έγινε έρευνα για την εφαρμογή ενός μοντέλου μέτρησης βαθών σε ρηχά νερά, στη θαλάσσια περιοχή νότια της Κέρκυρας (εικόνα 1) και στη θαλάσσια περιοχή δυτικά της Αίγινας (εικόνα 2), με τη χρήση πολυφασματικών εικόνων του σαρωτή του Θεματικού Χαρτογράφου (Thematic Mapper ΤΜ) του δορυφόρου Landsat. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε και στις δύο περιπτώσεις με γνωστά βαθυμετρικά σημεία που ελήφθησαν από υπάρχοντες χάρτες των περιοχών. Για την ολοκλήρωση της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πακέτα: Imagine/ERDAS για την επεξεργασία των εικόνων, Minitab για τη βαθμονόμηση και επαλήθευση του βαθυμετρικού μοντέλου, PC/Arcinfo για την ψηφιοποίηση και την αναγωγή των βαθυμετρικών σημείων.
Περιοχή Μελέτης
Δεδομένα περιοχής μελέτης στην Κέρκυρα
Η βαθμονόμηση του μοντέλου έγινε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στην εικόνα 1 και η οποία περιλαμβάνει βάθη μέχρι 20 m. Τα πολυφασματικά δεδομένα ελήφθησαν από δορυφορική εικόνα ΤΜ του Landsat-4, λήψης 17/7/1984. Τα βαθυμετρικά σημεία, που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τη βαθμονόμηση όσο και για την επαλήθευση του μοντέλου, ψηφιοποιήθηκαν από το φύλλο "Λευκίμη" κλίμακας 1:50.000 της Γ.Υ.Σ., προβολής UTM και κατασκευής 1972. Η μέση απόσταση ανάμεσα στα ψηφιοποιηθέντα σημεία ήταν περίπου 500 m και η αναγωγή τους στο σύστημα UTM του χάρτη έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού Τα βαθυμετρικά δεδομένα του φύλλου "Λευκίμη" προήλθαν από μετρήσεις του 1958. Παρατηρείται ότι η χρονική περίοδος, που μεσολάβησε ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών δεδομένων του χάρτη και των πολυφασματικών εικόνων, είναι αρκετά μεγάλη (26 χρόνια). Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής, είναι δυνατόν να επήλθαν μεταβολές στο ανάγλυφο του βυθού και τις οπτικές ιδιότητες του νερού, με αποτέλεσμα τα δεδομένα χάρτη και εικόνας να μην περιγράφουν την ίδια κατάσταση. Η χρονική διαφορά των δεδομένων αποτελεί μειονέκτημα για την εφαρμογή της μεθοδολογίας, αλλά δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί λόγω έλλειψης ενημερωμένων βαθυμετρικών στοιχείων τόσο στο συγκεκριμένο φύλλο της Γ.Υ.Σ., όσο και στον αντίστοιχο υδρογραφικό χάρτη κλίμακας 1:100.000 της Υ.Υ.Π.Ν. Ο βυθός στην περιοχή μελέτης δημιουργείται από την αποσάθρωση πετρωμάτων που είναι τα ίδια κατά μήκος όλης της ακτής και περιλαμβάνουν μάργες, μαργαϊκούς ασβεστόλιθους, αργιλούχες μάργες, άργιλο, άμμο και ψαμμίτες. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω γεωλογικά χαρακτηριστικά, μπορεί σε γενικές γραμμές να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σε όλη την περιοχή σχετική χρωματική ομοιογένεια. Τέλος, το θαλάσσιο νερό είναι καθαρό.
Δεδομένα περιοχής μελέτης στην Αίγινα
Το βαθυμετρικό μοντέλο βαθμονομήθηκε για τη διαγραμμισμένη θαλάσσια περιοχή, που φαίνεται στην εικόνα 2, και για βάθη μέχρι 20 m. Τα πολυφασματικά δεδομένα ελήφθησαν από εικόνα ΤΜ του Landsat-5, λήψης 28/1/1988. Τα σημεία για τη βαθμονόμηση και την επαλήθευση του μοντέλου προήλθαν από ψηφιοποίηση του χάρτη "Πρόσγεια και λιμήν Αίγινας-Στενό Μετώπης", κλίμακας 1:12.500, προβολής UTM της Υ.Υ.Π.Ν. Η μέση απόσταση των ψηφιοποιηθέντων σημείων ήταν περίπου 125 m και η αναγωγή τους στο σύστημα του χάρτη έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού. Τα βαθυμετρικά δεδομένα του χάρτη προήλθαν από μετρήσεις του 1969 και κατά τη χρονική περίοδο των 19 χρόνων, που μεσολάβησαν ανάμεσα στη συλλογή των βαθυμετρικών και των πολυφασματικών δεδομένων, ενδέχεται να επήλθαν και στην περιοχή αυτή αλλαγές στο βυθό και τα οπτικά χαρακτηριστικά του νερού. Ο βυθός δημιουργείται από την αποσάθρωση πετρωμάτων, που κατά μήκος της νοτιοδυτικής ακτής της νήσου Αίγινας και των ακτών της νήσου Μονής είναι γρανίτες, διορίτες, ρυόλιθοι και τραχείτες και κατά μήκος των ακτών της νήσου Μετώπης και Αγκιστρίου είναι ασβεστόλιθοι και δολομίτες της πελαγονικής ζώνης, και κατά μήκος των βορειοδυτικών ακτών της νήσου Αίγινας είναι μάργες, άργιλοι, άμμος και ψαμμίτες. Και στην περίπτωση αυτή, με βάση τα παραπάνω γεωλογικά χαρακτηριστικά, μπορεί σε γενικές γραμμές να υποτεθεί ότι ο βυθός παρουσιάζει σε όλη την περιοχή σχετική χρωματική ομοιογένεια. Και εδώ το θαλάσσιο νερό είναι καθαρό.
Επεξεργασία των Εικόνων ΤM
Η αναγωγή των εικόνων στο σύστημα UTM έγινε μέσω αφινικού μετασχηματισμού με τη χρήση 14 σημείων ελέγχου και με ακρίβεια μισής ψηφίδας. Η επαναδειγματοληψία των εικόνων έγινε με τη δικυβική παρεμβολή. Και οι δύο εικόνες στη θαλάσσια περιοχή παρουσίαζαν πολύ έντονη λωριδοποίηση. Δοκιμάστηκαν πολλές από τις υπάρχουσες μεθόδους μείωσης της λωριδοποίησης. Η επιλογή της καλύτερης μεθόδου έγινε με κριτήριο την ικανοποιητικότερη βαθμονόμηση του μοντέλου. Την αποτελεσματικότερη μείωση έδωσε η εφαρμογή του συνελικτικού χωρικού χαμηλοπερατού φίλτρου μέσης τιμής 7x7. Το συγκεκριμένο φίλτρο είναι ένα μητρώο με διαστάσεις 7Χ7 και όλα τα στοιχεία του ίσα με τη μονάδα. Στην εικόνα 3 φαίνεται σε τομή κάθετη στις λωρίδες, η μείωση της λωριδοποίησης μετά την εφαρμογή του φίλτρου. Τόσο στην εικόνα της Κέρκυρας όσο και της Αίγινας, η μείωση του θορύβου ήταν μεγαλύτερη κοντά στην ακτή. Δηλαδή η ποιότητα της ραδιομετρικής διόρθωσης σε κάποιο σημείο φάνηκε να είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασής του από την ξηρά. Η χαμηλή τιμή (<0.9) του δείκτη συσχετισμού ανάμεσα στις τιμές έντασης πάνω από τα βαθιά νερά στους διάφόρους διαύλους οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι εικόνες ήταν απαλλαγμένες από επιδράσεις του λαμπιρίσματος της θαλάσσιας επιφάνειας.
Το βαθυμετρικό μοντέλο στην Κέρκυρα
Για τη βαθμονόμηση χρησιμοποιήθηκαν αρχικά 216 βαθυμετρικά σημεία με βάθη που κυμαίνονταν από 1.5 m έως 20 m. Λόγω του περιορισμένου αριθμού βαθυμετρικών στον εν χρήσει χάρτη, για την πληρέστερη κάλυψη της περιοχής χρησιμοποιήθηκαν και επιπλέον σημεία που προήλθαν από τις υπάρχουσες στο χάρτη ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 66 σημεία από ισοβαθείς (30 από την ισοβαθή των 5 m και 36 από την ισοβαθή των 10 m), τα οποία αποτέλεσαν το 30% του συνόλου. Τα σημεία αυτά ελήφθησαν τυχαία πάνω στις καμπύλες, σε μια μέση απόσταση 500 περίπου μέτρων, όση δηλαδή ήταν και η μέση απόσταση των υπαρχόντων βαθυμετρικών. Η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης στα 216 σημεία βρέθηκε ίση με 3,1 m, ενώ η συσχέτιση r ανάμεσα στα γνωστά βάθη και τις αντίστοιχες τιμές των μεταβλητών Xi ίση με 73%. Παρατηρήθηκε ότι η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης βελτιωνόταν σημαντικά, όσο περιοριζόταν η συμμετοχή βαθυμετρικών σημείων με μεγάλα βάθη. Παράλληλα, μια μικρή βελτίωση παρουσίαζε και η συσχέτιση r. Το s απέκτησε ικανοποιητική τιμή, όταν κανένα από τα χρησιμοποιούμενα σημεία δεν είχε βάθος μεγαλύτερο από 11 m. Έτσι, η περιοχή μελέτης περιορίστηκε μέχρι το βάθος αυτό. H διαδικασία της βαθμονόμησης ξεκίνησε με 159 σημεία που τα βάθη τους κυμαίνονταν από 1,5 m έως 10,8 m (εικόνα 4). Τα χαρακτηριστικά της παλινδρόμησης φαίνονται στον πίνακα 1. Μετά την απομάκρυνση των σημείων, στα οποία τα γνωστά βάθη τους παρουσίαζαν μεγάλη διαφορά από τα αντίστοιχα προβλεφθέντα από το μοντέλο, η τελική βαθμονόμηση προέκυψε από την εφαρμογή της παλινδρόμησης σε 119 σημεία (75% των αρχικών) με βάθη που κυμαίνονταν από 1,5 m έως 10 m και έδωσε s =0,98 m και r = 92,3%. Το μοντέλο που προέκυψε είχε τη μορφή: z = 14,1 + 1,46ln(L1-96) – 8,14ln(L2-26) + 2,38ln(L3-22). Στην εικόνα 5 δίνεται η σχέση των προβλεφθέντων, μέσω του μοντέλου βαθών, με τα αντίστοιχα βάθη του χάρτη. Είναι εμφανής ο καλός συσχετισμός τους. Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 10 βαθυμετρικά σημεία που δεν συμμετείχαν στη βαθμονόμησή του και τα οποία ελήφθησαν αναγκαστικά από τις ισοβαθείς των 5 και 10 μέτρων, λόγω της προαναφερθείσας έλλειψης βαθυμετρικών στο χάρτη. Στον πίνακα 2 φαίνονται για κάθε σημείο ελέγχου οι τιμές βάθους στο χάρτη, οι τιμές βάθους που προέκυψαν από το μοντέλο, η απόλυτη τιμή της διαφοράς των δύο προηγούμενων βαθών και το διάστημα εμπιστοσύνης 95% για κάθε προβλεπόμενο βάθος. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών των διαφορών όλων των σημείων ελέγχου είναι 1,3 m. Στην εικόνα 6 φαίνεται ο τρόπος που κατανέμονται οι διαφορές αυτές. Θεωρήθηκε ικανοποιητική η πρόβλεψη του βάθους για τα σημεία, στα οποία το αρχικό βάθος και το προβλεπόμενο βάθος δεν διέφεραν περισσότερο από 1 m (πίνακας 2), λαμβανομένης υπόψη και της ακρίβειας, με την οποία μετρήθηκαν τα βάθη των σημείων του χάρτη που χρησιμοποιήθηκαν για τη βαθμονόμηση. Από τον πίνακα 2 προκύπτει ότι τα σημεία ελέγχου, που έχουν ικανοποιητική πρόβλεψη βάθους (συμβολίζονται με (*)), αποτελούν το 60%. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών των διαφορών των βαθών στα σημεία αυτά είναι 0,75 m. Στον πίνακα 2 φαίνεται ότι το 33% των ικανοποιητικών σημείων έχει διαφορά βάθους κάτω από 1 m και το 67% έχει διαφορά ίση με 1 m. Στην εικόνα 7 είναι εμφανές ότι οι μικρότερες απόλυτες διαφορές αντιστοιχούν στα σημεία με βάθος 5 m.
Το βαθυμετρικό μοντέλο στην Αίγινα
Στον υδρογραφικό χάρτη της περιοχής αυτής λόγω της κλίμακάς του υπήρχε διαθέσιμος μεγάλος αριθμός βαθυμετρικών σημείων. Έτσι, χρησιμοποιήθηκαν εξαρχής πολύ περισσότερα σε σχέση με την Κέρκυρα βαθυμετρικά, τόσο για τη βαθμονόμηση όσο και για την επαλήθευση του μοντέλου. Για τη βαθμονόμηση αρχικά χρησιμοποιήθηκαν 305 σημεία με βάθη που κυμαίνονταν από 1,5 m έως 20 m. Η τυπική απόκλιση s της παλινδρόμησης με τα σημεία αυτά προέκυψε ίση με 1,67 m και η συσχέτιση r ίση με 79%. Μετά την απομάκρυνση των σημείων, των οποίων τα βάθη παρουσίαζαν μεγάλες διαφορές από το μοντέλο, η τελική βαθμονόμηση έγινε με 266 σημεία (87% των αρχικών) με βάθη, που κυμαίνονταν από 1,5 m έως 19 m (εικόνα 8), και έδωσε s = 0,95 m και r = 95%. Το μοντέλο, που προέκυψε από την εφαρμογή της παλινδρόμησης στα σημεία αυτά, είχε τη μορφή: z=12,6 + 2.94ln(L1-53) – 8,73ln(L2-14) + 0,80ln(L3-11). Στην εικόνα 9 παρουσιάζεται το διάγραμμα των προβλεφθέντων βαθών που υπολογίσθηκαν μέσω του μοντέλου, σε σχέση με τα αντίστοιχα βάθη του χάρτη. Αποδεικνύεται η καλή τους συσχέτιση. Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν 61 βαθυμετρικά σημεία, τα οποία δεν συμμετείχαν στη βαθμονόμησή του, και με βάθη που κυμαίνονταν από 3,3 m έως 18 m (εικόνα 10). Στην εικόνα 11 φαίνεται ότι για τα περισσότερα σημεία ελέγχου οι απόλυτες τιμές των διαφορών ανάμεσα στο βάθος του χάρτη και στο προβλεφθέν βάθος είναι μικρότερες του 1,5 m. Η μέση τιμή των απόλυτων διαφορών όλων των σημείων ελέγχου είναι 1,1 m. Η μέση τιμή των απόλυτων τιμών των διαφορών στα σημεία αυτά είναι 0,52 m. Στο 95% των ικανοποιητικών σημείων οι διαφορές βάθους είναι μικρότερες του 1 m και μόνο το 5% έχει διαφορές ίσες με 1 m. Στην εικόνα 12 φαίνεται ότι και πάλι οι μικρές διαφορές αντιστοιχούν σε σημεία με μικρά βάθη (περίπου από 4 m έως 10 m).
Συμπεράσματα
Τελικά, προκύπτει το συμπέρασμα ότι για την αποτελεσματικότερη απόδοση του μοντέλου για βαθυμετρία ρηχών νερών, τα πολυφασματικά δεδομένα πρέπει να έχουν καλή ραδιομετρική ποιότητα και η διόρθωση του θορύβου να είναι όσο γίνεται καλύτερη. Επίσης, τα χαρτογραφικά δεδομένα πρέπει να προέρχονται από χάρτες μεγάλης κλίμακας και να είναι της ίδιας χρονικής περιόδου με τα πολυφασματικά.
Βιβλιογραφία
1. Antoniou A., Wong C. H.,Two-Dimensional Signal Processing Techniques
for Airborne Laser Bathymetry, IEEE Ôransactions on Geoscience
and Remote Sensing, vol. 34, Ío 1, January 1996, pp. 57-66.
2. Benny H. A., Dawson J. G., Satellite Imagery as an Aid to Bathymetric Charting in the Red Sea, The Cartographic Journal, vol. 20, Ío 1, June 1983, pp. 5-16.
3. Campbell B.J., Introduction to Remote Sensing, The Guilford Press, New York, 1987, pp. 404-417.
4. Cracknell A. P, Ibrahim Ì., McManus J., Use of Satellite and Aircraft Data for Bathymetry Studies, Advances in Digital Image Processing, Proceedings of the Annual Conference of the Remote Sensing Society, Íottingham, September 1987, pp. 391-402.
5. Cracknell A. P., Hayes L. W. B., Introduction to Remote Sensing. Taylor & Francis, London, 1993, pp. 70-74.
6. Ehlers E.G., Blatt H., Petrology. Igneous, Sedimentary and Metamorphic., Freeman & Company, N.York, 1982, pp. 732.
7. Helder L.D., Quirk B. K., Hood J. J., A Technique for the Reduction of Banding in Landsat Thematic Mapper Images, PERS, vol. 58, no. 10, October 1992, pp. 1425-1431.
8. Ji W.,Civco D. L.,KennardW.C., Satellite Remote Bathymetry: A New Mechanism for Modeling, PERS, vol. 58, Ío 5, May 1992, pp. 545-549.
9. Jupp B. L. D., Mayo K. K.,. Kuchler D. A, Claasen R. D.V., Kenchington R. A.,Guerin P. R., Remote Sensing for Planning and Managing the Great Barrier Reef of Australia, Photogrammetria, vol. 40, 1985, pp. 21-42.
10. Lyzenga R. D., Passive Remote Sensing Techniques for Mapping Water Depth and Bottom Features, Applied Optics, vol. 17, Ío 3, February 1978, pp. 379-383.
11. Lyzenga R. D., Remote Sensing of Bottom Reflectance and Water Attenuation Parameters in Shallow Water using Aicraft and Landasat Data, Int. J. Remote Sensing, vol. 2, Ío 1, 1981, pp. 71-82.
12. Lyzenga R. D., Shallow-water Bathymetry using combined Lidar and Passive Multispectrall Scanner Data, Int. J. Remote Sensing, vol. 6, Ío 1, 1985, pp. 115-125.
13. Milne P.H., Underwater Acoustic Positioning Systems, Gulf Publishing Company, 1983.
14. Pan J. J., Chang Ch., Destriping of Landsat Mss Images by Filtering Techniques, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, vol. 58, Ío 10, October 1992, pp. 1417-1423.
15. Paredes M. J., Spero R. E., Water Depth Mapping from Passive Remote Sensing Data under a generalized Ratio Assumption, Applied Optics, vol. 22, Ío 8, 15 April 1983, pp. 1134-1135.
16. Philpot D. W., Bathymetry Mapping with Passive Multispectral Imagery, Applied Optics, vol. 28, Ío 8, 15 April 1989, pp. 1569-1578.
17. Poros J.D., Peterson Ch. J., Methods for Destriping Landsat Thematic Mapper Images-A Feasibility Study for an Online Destriping Process in the Thematic Mapper Image Processing System (TIPS), PERS, vol. 51, Ío. 9, September 1985, pp. 1371-1378.
18. Spitzer D. , van Hengel W., Multi-temporal Water Depth Mapping by Means of Landsat TM, Int. J. Remote Sensing, vol. 12, Ío 4, 1991, pp. 703-712.
19. Spitzer D. R.,Dirks W. J., 1987, Bottom Influence on the Reflectance of the Sea, Int. J. Remote Sensing, vol. 8, Ío 3, 1987, pp. 279-290.
20. Wonnacot T., Wonnacot R., Introductory Statistics, John Wiley & Sons, 5th edition, 1990, pp. 396-433.
