Η Τηλεπισκόπηση στην Έρευνα των Κοινωνικών επιστημών
Από RemoteSensing Wiki
Η Τηλεπισκόπηση στην Έρευνα των Κοινωνικών επιστημών
Remote Sensing in Social Science Research
Συγγραφείς:Ola Hall Πηγή: The Open Remote Sensing Journal, 2010
Στόχος Θέματος
Από τη πρώτη χρήση των στρατιωτικών δορυφόρων των ΗΠΑ στο τέλος της δεκαετίας του 1950 ως σήμερα ο ρόλος της τηλεπισκόπησης όπως και η ποιότητα και η πρόσβαση συνεχώς βελτιώνεται. Ένα ευρύ φάσμα τεχνολογίας χρησιμοποιείται στην έρευνα των κοινωνικών επιστημών. Σκοπός της εργασίας είναι να ερευνήσει κατ’ αρχάς πως τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης εφαρμόζονται στη μελέτη των κοινωνικών επιστημών και στη συνέχεια μία συνοπτική περίληψη των εφαρμογών αυτών. Στον επίλογο διαφαίνεται ότι η τηλεπισκόπηση στις κοινωνικές επιστήμες είναι μεγαλύτερης αξίας ή αξιοπιστίας όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με τις παραδοσιακές μεθόδους των ερευνών - χωρομετρήσεων, των δημοσίων αρχείων ,των συνεντεύξεων και γενικά των άμεσων παρατηρήσεων.
Βασικά στοιχεία της Τηλεπισκόπισης
Φυσικές Αρχές
Η πρώτη απαίτηση της τηλεπισκόπησης είναι να υπάρχει μία πηγή ενέργειας η οποία να δημιουργεί ενδιαφέρον με ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Αν κατατάξουμε όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συνεχόμενη σειρά σε σχέση με το μήκος κύματος τους (λ) ή τη συχνότητά τους (σε Hz) –η σχέση τους είναι αντιστρόφως ανάλογη-τότε έχουμε το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Όταν η μετάδοση της ακτινοβολίας μέσα στην ατμόσφαιρα είναι υψηλή ονομάζεται ατμοσφαιρικό παράθυρο (ορατό τμήμα του φάσματος) και είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στη λειτουργία της τηλεπισκόπισης. Όλα τα υλικά μπορούν να μελετηθούν, να εντοπισθούν και να απεικονισθούν χρησιμοποιώντας την αντανακλαστική τους συμπεριφορά. Πολλές φορές, αν και διαφορετικά αντικείμενα έχουν παρόμοιες φασματικές αντιδράσεις, όταν όμως μελετώνται τα ηλεκτρομαγνητικά μήκη κύματος τότε διακρίνονται ξεκάθαρα. Αυτή είναι και μία θεμελιώδης παρατήρηση στην ανάλυση της τηλεσκοπικής απεικόνισης.
Ανιχνευτές Δορυφόρων
Οι ανιχνευτές διακρίνονται σε παθητικούς και ενεργητικούς ανάλογα με την προέλευση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Παθητικοί είναι εκείνοι που ανιχνεύουν την ακτινοβολία που προέρχεται από μια φυσική πηγή (π.χ. ήλιος), ενώ ενεργητικοί σαρωτές είναι εκείνοι που φωτίζουν οι ίδιοι το στόχο χρησιμοποιώντας τη δική τους πηγή ακτινοβολίας όπως τα εικονοληπτικά ραντάρ (τεχνικές LIDAR και SAR). Aυτό ονομάζεται ραδιοεντοπισμός. Ο αριθμός των ανιχνευτών που μας παρέχει πληροφορίες για τη γη αυξάνει. Οι περισσότερες εφαρμογές στις κοινωνικές επιστήμες βασίζονται στα δεδομένα Landsat (σειρά δορυφόρων).
Ανάλυση εικόνων
Οι ανιχνευτές διακρίνονται επίσης με το πόσα κανάλια ανιχνεύουν και σε τι φασματικό εύρος. Οι μονοφασματικοί ανιχνευτές καταγράφουν σε μια φασματική ζώνη και μπορούν να ανιχνεύουν τη φασματική αντανάκλαση σε ένα στενό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ή σε ένα ευρύτερο. Οι παγχρωματικές εικόνες που δίνουν καταγράφονται σ’ ολόκληρο το ορατό τμήμα και στο υπέρυθρο. Οι εικόνες διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τα βασικά φωτοερμηνευτικά χαρακτηριστικά τους που είναι ο τόνος, η υφή, το χρώμα, το σχήμα, η σκιά, το πρότυπο, η θέση και η συσχέτιση των αντικειμένων στο χώρο. Για παράδειγμα οι παγχρωματικές εικόνες δημιουργούνται συνδυάζοντας εκείνα τα φασματικά κανάλια (bands) που είναι πιο κοντά σε αυτό που βλέπει το ανθρώπινο μάτι. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, μια ορατή έγχρωμη εικόνα του Landsat ETM δημιουργείται συνδυάζοντας το κόκκινο στο κανάλι 3 (band 3), το πράσινο στο κανάλι 2 (band 2) και το μπλε στο κανάλι 1 (band 1), δίνοντας μια εικόνα που είναι πολύ κοντά σε αυτό που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι σε μια φωτογραφία. Αντίστοιχα μια εικόνα στο εγγύς υπέρυθρο δημιουργείται αντικαθιστώντας το κανάλι του ορατού μπλε με το κανάλι του εγγύς υπέρυθρου (NIR) που είναι το κανάλι 4 (band 4). Αυτό φαίνεται και από την Εικόνα 2 του Landsat ETM, όπου η εικόνα του εγγύς υπέρυθρού δημιουργείται συνδυάζοντας το κανάλι 4 (band 4) στο κόκκινο, το κανάλι 3 (band 3) στο πράσινο και το κανάλι 2 (band 2) στο μπλε. Επίσης ταξινόμηση μπορεί να γίνει και με φασματική υπογραφή δηλαδή κατηγοριοποίηση των εικονοστοιχείων (pixels) σχετικών με το εγγύς περιβάλλον τους.
Εφαρμογές της Τηλεπισκόπισης στην Έρευνα των Κοινωνικών Επιστημών
Αστικές μελέτες
Οι πρώτες μελέτες ξεκίνησαν με αεροφωτογραφίες σαν μια βοηθητική πηγή πληροφόρησης στις απογραφές ή στη πρόβλεψη κοινωνικοοικονομικών μεταβλητών όπως η φτώχεια σε πυκνοκατοικημένες περιοχές κλπ . Οι αεροφωτογραφίες χρησιμοποιούνται ως και σήμερα αν και η ανάγκη για συχνή και περιεκτική πληροφόρηση σε χαμηλό κόστος μας έχει οδηγήσει στη χρήση δορυφόρων. Οι πρώτης γενιάς ανιχνευτές επέτρεπαν περιορισμένη δυνατότητα ανάλυσης και χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σε μερικές μεγάλες πολιτείες της Βόρειας Αμερικής. Με την έλευση του Landsat TM και του SPOT HRV έγινε εφικτή η μελέτη Ευρωπαϊκών πόλεων ,οι οποίες είναι μικρότερης κλίμακας. Κατ’ ουσία όλες οι έρευνες στις αστικές περιοχές επικεντρώθηκαν στη χρήση ή στη ταξινόμηση της κάλυψης της γης και είναι προφανές ότι η ταξινόμηση της χρήσης της αστικής γης και των αστικών περιοχών είναι ένα απαιτητικό έργο σύμφωνα με το μείγμα των υλικών που χρειάζονται ταξινόμηση , αλλά και για τον επαναπροσδιορισμό της διφορούμενης έννοιας “αστικός”. Η τηλεπισκόπιση πλέον χρησιμοποιείται με νέες τεχνικές όπως ανάλυση υφής και συγχώνευση δεδομένων , ώστε να αναγνωρισθούν τα αστικά χαρακτηριστικά καθώς και το είδος και η πυκνότητα των κτισμάτων. Το κύριο χαρακτηριστικό του αστικού περιβάλλοντος είναι ο συνδυασμός υλικών και ταξινόμησης της χρήσης της γης. Ο διαχωρισμός πλέον μεγέθους διαμερισμάτων(δυάρι, τριάρι κα) είναι πλέον εφικτός από τους ανιχνευτές Ιkonos και Quickbird. Επιπρόσθετα ,ο τύπος κτιρίου ανάλογα του ύψους του απεικονίζεται τρισδιάστατα. Υπερφασματικά δεδομένα (από Mivis) καταφέρνουν να προσδιορίσουν ακόμα και το είδος υλικού των κτιρίων(πχ. τούβλα, σίδηρος ). Η τεχνική της τηλεπισκόπισης επίσης έχει συνεισφέρει στη μέτρηση φυσικών ιδιοτήτων των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας, των παραγόντων μόλυνσης ή της υγροποίησης και της βιομάζας. Πολλές μελέτες υπάρχουν που ποσοτικοποιούν τις αλλαγές στην επιφάνεια της γης ώστε να παρακολουθείται η αστική εξάπλωση. Απαιτείται όμως η συνεχής επανεξέταση των δεδομένων της τηλεπισκόπισης . Η περιβαλλοντική ποιότητα και η ποιότητα ζωής είναι έννοιες που πολλές φορές εναλλάσσονται. Η πρώτη αντίληψη είναι συγγενής με το περιβάλλον ενός ανθρώπινου πληθυσμού. Η τελευταία αντίληψη συνήθως εμπλέκει κάποιες μεταβλητές της κοινωνικοοικονομικής ποιότητας όπως η αφθονία/ευημερία και η ποιότητα στέγασης.
Δημογραφία
Η επιτήρηση κατανομής πληθυσμού γίνεται παραδοσιακά από δημογράφους αλλά πρόσφατα η συνεισφορά των διαστημικών επιστημών είναι ενδιαφέρουσα . Οι χωρικές κατανομές πληθυσμού αντανακλούν και στους κατοίκους αλλά και στο “μετακινούμενο /περιβάλλοντα “ πληθυσμό που κινείται στη συγκεκριμένη περιοχή. Ο “μετακινούμενος” πληθυσμός μπορεί να εντοπισθεί ακριβώς εκεί που κινείται . Αυτή η πληροφορία είναι χρήσιμη στο προσδιορισμό διοικητικών ή πολιτικών συνόρων.
Μετρήσεις Πληθυσμού
Είναι ξεκάθαρο ότι σειρές εικόνων, ακόμα και από υψηλής ανάλυσης δορυφόρους, δεν σχετίζονται με δεδομένα πληθυσμού και δεν μπορούν να συμβάλουν στην μέτρηση των πληθυσμών. Οι δημογράφοι όμως, αναγνωρίζουν ότι οι εικόνες της τηλεπισκόπισης, είναι μία αξιοσημείωτη βοήθεια στην αρχική επιλογή των δειγματοληπτικών ομάδων όπου θα γίνει απογραφή με τη κλασσική μέθοδο. Επιπλέον, το περιθώριο λάθους είναι ιδιαίτερα μεγάλο και καθιστά αναξιόπιστη τη τηλεπισκόπιση σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές.
Κατανομή Πληθυσμού
Τα δεδομένα της απογραφής μπορούν να συνδυαστούν με τις πληροφορίες της τηλεπισκόπισης στη δημιουργία μιας χωρικής κατανομής πληθυσμού. Οι κατανομές μπορούν να επιδείξουν πληθυσμό που κατοικεί ή “μετακινείται”. Ο καταμερισμός των πληθυσμών γίνεται με χωρική παρεμβολή η οποία βασίζεται σ’ ένα ή περισσότερα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να αντληθούν από εικόνες τηλεανίχνευσης και είναι συνήθως δρόμοι, φώτα νυκτός και άλλα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν την ανθρώπινη παρουσία. Τα νυκτερινά φώτα φαίνεται ότι είναι αντιπροσωπευτικά για την επίδειξη κατοίκων καθώς τη μέρα οι άνθρωποι μετακινούνται στο τόπο εργασίας τους. Αν και οι εικόνες από τη τηλεπισκόπιση, μπορούν να δώσουν συμπληρωματικά στοιχεία στους ερευνητές για περαιτέρω κοινωνική έρευνα, εντούτοις παραμένουν απλά εμπειρικές παρατηρήσεις και οι προβλέψεις πληθυσμών δε μπορούν να βασιστούν σ’ αυτές.
Αρχαιολογία
Η χρήση αεροφωτογραφιών το περασμένο αιώνα βοήθησε ιδιαίτερα τους αρχαιολόγους ώστε να εντοπίσουν αρχαίους οικισμούς, λείψανα, σχέδια βλάστησης και γενικά ότι αποτελούσε στοιχείο ανθρώπινης δραστηριότητας στο παρελθόν. Μετά όμως το 1984 και με τη συνεισφορά της ΝΑSA στην εκπαίδευση μέσω συνεδρίων, οι αρχαιολόγοι πολύ γρήγορα ενστερνίστηκαν και υιοθέτησαν για τις ανάγκες των ερευνών τους τη τεχνολογία της τηλεπισκόπισης. Οι τεχνικές τηλεανίχνευσης SAR και LIDAR είχαν σημαντική επίδραση στην έρευνα της αρχαιολογικής κοινότητας. Προϊστορικά αποτυπώματα απεικονίσθηκαν κάτω από βλάστηση, κάλυψη άμμου ή πηγές νερού. Η χρήση εικόνων από ραντάρ έδωσε τη δυνατότητα να “διαπερνώνται” συγκεκριμένα αντικείμενα και ν’ ανακαλύπτονται στοιχεία ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την ανθρώπινη ιστορία. Σαρωτές όπως ο ΙΚΟΝΟS και Quickbird έδωσαν τη δυνατότητα παγχρωματικών και πολυφασματικών εικόνων που σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ψηφιακής ανάλυσης, έκαναν τη τεχνολογία της τηλεπισκόπισης να συμβάλει στο έργο των αρχαιολόγων και ειδικά στο πρώτο στάδιο της έρευνας.
Χρήση και Κάλυψη Γης
Η ανάγκη κατανόησης των αλλαγών της γης έχει έρθει στην επιφάνεια και είναι ένα θεμελιώδες στοιχείο του τρόπου που μεταβάλλει το περιβάλλον του πλανήτη. Η βιωσιμότητα των επιστημών δημιουργεί την αναγκαιότητα ενσωμάτωσης των κοινωνικών και φυσικών επιστημών. Η χρήση της γης από τους ανθρώπους είναι ένας σημαντικός κρίκος μεταξύ της κοινωνίας και της τροποποίησης της υδρολογίας, οικολογίας, γεωμορφολογίας, του κλίματος και των βιοχημικών διαδικασιών. Η χρήση γης είναι η δραστηριότητα των ανθρώπων, η οποία έχει συνήθως κοινωνικοοικονομικό χαρακτήρα (γεωργία, βοσκή ζώων). Κάλυψη γης είναι οι φυσικές και τεχνητές οντότητες που αναγνωρίζονται στην επιφάνεια αυτής (δένδρα, άσφαλτος, νερό κα). Η δορυφορική τηλεανίχνευση παρέχει παγκοσμίως ευκαιρίες στη μέτρηση των αλλαγών στη χρήση γης. Και αυτό γιατί, η χωροχρονική ανάλυση δεδομένων βελτιώνεται συνέχεια και το εύρος της παρακολούθησης μεταβλητών αυξάνεται. Αυτό είναι ενδιαφέρον γιατί οι κοινωνικοί επιστήμονες έχουν έλλειψη ενημέρωσης των κοινωνικοοικονομικών δραστηριοτήτων βασιζόμενοι συνήθως στη συλλογή δεδομένων και στις αεροφωτογραφίες. Διάφοροι επιστημονικοί κλάδοι όπως η ανθρωπολογία, τα οικονομικά, η δημογραφία και η γεωγραφία συμβάλουν στη προσέγγιση των αλλαγών στη χρήση και στη κάλυψη της γης με διάφορες μεθόδους. Η διάθεση προσέγγισης μέσω της τηλεπισκόπισης χρήζει όμως ιδιαίτερης προσοχής, καθώς σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές έχει οδηγήσει πολλές φορές τους κοινωνικούς επιστήμονες στη παρερμηνεία και τη γενίκευση. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις σημαντική είναι η σύνδεση των στοιχείων και η βοήθεια της ψηφιακής ανάλυσης.
Πόλεμος και Μελέτες Συγκρούσεων
Η ακαδημαϊκή έρευνα που χρησιμοποιεί τη τηλεπισκόπιση, κατά τη διάρκεια ενός πολέμου ή μιας σύγκρουσης και ο απόηχος, είναι ιδιαίτερα περιορισμένη. Η επιτήρηση των δορυφόρων, από το 1960 και μετά, έχει γίνει αισθητή στις πολεμικές συρράξεις καθώς παρέχει πληροφορίες για τη θέση του εχθρού, τις θέσεις των πυραύλων και την ανάπτυξη των στρατευμάτων. Στις μελέτες συγκρούσεων, η ακολουθία δορυφορικών εικόνων, χρησιμοποιείται για τη παρατήρηση των άμεσων επιδράσεων μιας στρατιωτικής ενέργειας. Έχουν δε χρησιμοποιηθεί αρκετές φορές για την ενδυνάμωση των συμβατικών δυνατοτήτων (πόλεμος του Κόλπου, Ιράκ και αλλού) καθώς και για τον εντοπισμό πυρηνικών όπλων. Επίσης, τα αποτελέσματα της χρήσης της τηλεπισκόπισης στον εντοπισμό ναρκών ξηράς είναι ικανοποιητικά και χρήσιμα καθώς οι νάρκες ξηράς μπορούν να παραμείνουν για αρκετό καιρό ενεργές ακόμα και μετά το πέρας μιας σύγκρουσης.
Συμπεράσματα
Η συνολική εντύπωση για τη τηλεπισκόπιση στις κοινωνικές επιστήμες, είναι ότι η χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι διαδεδομένη αλλά, μπορεί σε αρκετά πεδία ερευνών, να χαρακτηρισθεί ως “ανώριμη”. Στις έρευνες των αστικών μελετών τα δεδομένα σύντηξης και η προηγμένη μοντελοποίηση έχουν συνδυασθεί επιτυχημένα με τη τηλεπισκόπηση. Επίσης η τηλεπισκόπιση χρησιμοποιείται με ασφάλεια σ’ αυτές τις επιστήμες που εξαρτώνται από το προσδιορισμό αντικειμένων στο έδαφος ή το υπέδαφος, όπως η αρχαιολογία . Στα άλλα , όμως, πεδία οι ερευνητές δεν έχουν καταφέρει να συνδυαστούν με αυτή, όπως στην ακρίβεια της αξιολόγησης ταξινόμησης. Η έλλειψη ισορροπίας ανάμεσα στη τεχνολογική ανάπτυξη και στην αύξηση διάθεσης δεδομένων τηλεπισκόπισης, έχει πολλές φορές ,σε αρκετές περιοχές του κόσμου όπου τα κοινωνικοοικονομικά δεδομένα είναι σπάνια, οδηγήσει σε απλοποίηση των δεδομένων και ευτελισμό των θεμάτων . Η τηλεπισκόπιση χρειάζεται περισσότερο σε περιπτώσεις ραγδαίως εξελισσόμενων διαδικασιών σε κοινωνικούς τομείς και όταν αυτά τα δεδομένα συνδυασθούν με παραδοσιακές μεθόδους όπως συνεντεύξεις, χάρτες, στατικές έρευνες, άμεση παρατήρηση. Πολλές από τις μεταβλητές ενδιαφέροντος στη σύγχρονη κοινωνική επιστημονική έρευνα δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα από το διάστημα. Και εκεί όμως, είναι μόνο το πρώτο βήμα και οι παραδοσιακές μέθοδοι αναλαμβάνουν περαιτέρω. Συμπεραίνουμε ότι, στις κοινωνικές επιστήμες, η σύνδεση κοινωνικοοικονομικών δεδομένων με αυτών της τηλεπισκόπισης είναι άκρως απαραίτητη. Η πρόκληση του σήμερα, όσο αφορά τη χρήση της τηλεπισκόπισης στις κοινωνικές επιστήμες, δεν τίθεται τόσο σε τεχνικά θέματα όσο στη βαθύτερη προσέγγιση, ότι οι εικόνες της τηλεπισκόπισης είναι μια πηγή πληροφόρησης με μειονεκτήματα και όρια.
