Κάρλας Επαμεινώνδας

Από RemoteSensing Wiki

Η άμεση χρήση των δορυφόρων ραντάρ για τη χαρτογράφηση συμβάντων κινδύνου πλημμύρας.

The direct use of radar satellites for event-specific flood risk mapping

Συγγραφείς : G. Schumann και G. Di Baldassarre

Πηγή : Taylor and Francis

Εισαγωγή

Οι πλημμύρες αντιπροσωπεύουν πάνω από το 30% του συνόλου των φυσικών καταστροφών σε όλο τον πλανήτη, ενώ το ήμισυ του συνόλου των θανάτων προκαλούνται από θεομηνίες. Η παρακολούθηση, μοντελοποίηση και κατανόηση των πλημμυρών αποτελεί θέμα ζωτικής σημασίας όχι μόνο για την αύξηση της ακρίβειας πρόβλεψης των πλημμυρών, αλλά και για την εξουδετέρωση των καταστροφικών συνεπειών από τις εκτεταμένες πλημμύρες στις ζωές των ανθρώπων και τις εθνικές οικονομίες. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού εισάγεται μια ταχεία διαδικασία, η οποία χρησιμοποιεί δορυφορικές εικόνες πλημμυρών και στοχεύει στη δημιουργία ενός χάρτη πλημμυρικής επικινδυνότητας βάσει συγκεκριμένων συμβάντων.

Διαθέσιμα δεδομένα

Η εφαρμογή ορατών ή θερμικών εικόνων στη χαρτογράφηση πλημμυρών παρεμποδίζεται από την εκτεταμένη νεφοκάλυψη κατά τη διάρκεια πλημμυρών, ιδίως στις μικρές και μεσαίου μεγέθους λεκάνες απορροής όπου οι πλημμύρες συχνά υποχωρούν πριν μειωθεί η ένταση της νέφωσης και των βροχοπτώσεων. Η ανίχνευση και η παρακολούθηση πλημμυρών ρουτίνας φαίνεται εφικτή μόνο με εικόνες SAR, τα μήκη κύματος των οποίων διεισδύουν στη νεφοκάλυψη και δεν είναι ευαίσθητα στο φως της ημέρας. Η πολύ χαμηλή οπισθοσκέδαση των SAR που προκαλείται από κατοπτρική ανάκλαση στη λεία επιφάνεια υδατικών συστημάτων καταλήγει σε σκούρες αποχρώσεις σε μια εικόνα πλημμύρας, όπως γίνεται αντιληπτό στα υποσύνολα εικόνας της εικόνας 1, καθιστώντας τη χαρτογράφηση μιας περιοχής πλημμύρας απλή διαδικασία.Στα μέσα Δεκεμβρίου του 2006, ο Ποταμός Dee, ο οποίος βρίσκεται στη βορειανατολική Ουαλία και κατά καιρούς έχει παρουσιάσει σημαντικά πλημμυρικά συμβάντα και παρατεταμένες πλημμύρες, πλημμύρισε για ακόμη μια φορά. Τα μόνα διαθέσιμα στοιχεία του πεδίου μελέτης ήταν η μέγιστη καταγεγραμμένη στάθμη των υδάτων ανάντη και κατάντη των γεφυρών. Τα στοιχεία αυτά προέκυψαν έπειτα από μελέτη εικόνων των δορυφόρων ENVISAT και ERS-2, οι οποίοι πέρασαν από το ίδιο σημείο με διαφορά μόλις 28 λεπτών. Πιο συγκεκριμένα έλαβαν αντίστοιχα μια εικόνα ASAR χωρικής ανάλυσης wide swath medium, και μια εικόνα SAR καλύτερης ανάλυσης ακρίβειας (Εικόνα 1). Η βασικότερη διαφορά ανάμεσα στις δυο εικόνες, αφορά τη γεωμετρία του εδάφους, είναι η χωρική τους ανάλυση με την εικόνα ASAR να εμφανίζει ψηφιακή ανάλυση 150 μέτρων και την εικόνα SAR 25 μέτρων. Κάθε μια από τις δύο εικόνες αποκτήθηκε σε μήκος κύματος 5,6 εκατοστά (C), σε γωνία 23ο καθώς και σε λειτουργία πόλωσης VV. Επιπλέον η χρονική διαφορά στη λήψη των εικόνων μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα με δεδομένη την παρατεταμένη διάρκεια της αιχμής της πλημμύρας (αρκετές ώρες). Αξιοσημείωτη είναι η διαφορά της στάθμης του νερού, που καταγράφηκε κατά το σύντομο χρονικό διάστημα απόκτησης της εικόνας, μόλις 0,002 μέτρα, τόσο κατάντη όσο και ανάντη του σταθμού μέτρησης.

Ταχεία χαρτογράφηση κινδύνων πλημμύρας με εικόνες SAR που συμπίπτουν

Ο κίνδυνος πρόκλησης πλημμυρών ορίζεται ως :

• Κίνδυνος = Επικινδυνότητα x Ευπάθεια (1)

Η επικινδυνότητα καθορίζεται με βάση τις πιθανότητες ακραίων υδρολογικών συμβάντων που έχουν μετατραπεί σε σχετικές υδραυλικές διαδικασίες. Η ευπάθεια αποδεικνύεται χρησιμοποιώντας εκτιμήσεις των επιπτώσεων, που συνήθως αντανακλούν ζημιές από πλημμύρες και βασίζονται στη μαθηματική σχέση depth-damage function. Η προαναφερθείσα μαθηματική σχέση στηρίζεται στη μέτρηση του αριθμού των μονάδων μιας κατηγορίας χρήσης γης στην πληγείσα περιοχή και στον πολλαπλασιασμό του με το συντελεστή ζημιών που προκύπτει εμπειρικά από έρευνες. Αξίζει να καταγραφεί ότι μόνο σε σπάνιες περιπτώσεις η χρήση τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση πλημμυρικού κινδύνου ενεργεί καθ’ υπέρβαση των στοιχείων κάλυψης γης που παρέχονται. Ως συμπλήρωμα των υφιστάμενων μελετών, επεξηγείται πως τοπογραφικά διανυσματικά δεδομένα μπορούν να συγχωνεφθούν με δορυφορικές πλημμυρικές εικόνες SAR για τη δημιουργία χάρτη πλημμυρικού κινδύνου βάσει ειδικών συμβάντων.

Χάρτης πλημμυρικής επικινδυνότητας ειδικών συμβάντων

Η ιδέα της χρησιμοποίησης τηλεπισκοπικών εικόνων για τη χαρτογράφηση πλημμυρικών κινδύνων βασίζεται στην έννοια των τονικών διαφορών εικόνων πλημμυρισμένων πεδιάδων, οι οποίες συσχετίζονται με ποικίλα πλημμυρικά βάθη. Αυτό βρίσκει ιδιαίτερη εφαρμογή στην περίπτωση των εικόνων SAR , καθώς τα μικροκύματα είναι ευαίσθητα στις αλλαγές της περιεκτικότητας του νερού. Γενικότερα, στην περίπτωση της κατοπτρικής ανάκλασης από τη λεία επιφάνεια των υδάτων, φαίνεται λογικό να υποθέσουμε ότι η πλημμυρική επικινδυνότητα θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη σε αυτή την περιοχή από ότι σε μια περιοχή η οποία επιστρέφει μέρος ή το μεγαλύτερο μέρος του σήματος SAR. Αυτή η υπόθεση εξετάστηκε με έναν έλεγχο Kolmogorov-Smirnov (KS) και αποκάλυψε ότι η κατανομή πιθανοτήτων της οπισθοσκέδαση SAR (σ) και της προσομοίωσης του πλημμυρικού βάθους έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά σε επίπεδο σημαντικότητας 95%. Η εικόνα 2 δείχνει το ιστόγραμμα κατανομής καθώς και την αντίστοιχη αθροιστική συνάρτηση πυκνότητας για τη σ και το πλημμυρικό βάθος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αποδεδιγμένη σχέση μεταξύ της οπισθοσκέδασης SAR και του πλημμυρικού βάθους καθίσταται αμφίβολη, όπου υπάρχουν:

• σημαντικές παραμορφώσεις στη λεία επιφάνεια του νερού λόγω της αναδυόμενης βλάστησης, των ισχυρών ανέμων ή της έντονης βροχόπτωσης,
• μη φύσικα δάπεδα κοιλάδων ή συμβάντα κορεσμού των κοιλάδων, ή
• υδραυλικές κατασκευές

Η διάκριση πλημμυρισμένων και μη περιοχών σε μια εικόνα SAR μπορεί να γίνει με κάποια από τις διαθέσιμες μεθόδους. Στην προσέγγιση που παρουσιάζεται, συγκεντρώνοντας ζευγάρια υγρών / ξηρών πλημμυρικών χαρτών που προέρχονται από κάθε εικόνα SAR χρησιμοποιώντας πέντε τεχνικές επεξεργασίας εικόνας οδηγηθήκαμε σε έναν πλημμυρικό χάρτη ειδικών συμβάντων, που εκφράζει την πεποίθηση ότι ένα πίξελ είναι πιθανότατα πλημμυρισμένο. Αυτός ο βαθμός πίστης αναμένεται να έχει σημαντική θετική συσχέτιση με το βάθος των πλημμυρών και, κατά συνέπεια, την επικινδυνότητα. Οι αλλαγές της κλίσης μεταξύ των πλημμυρισμένων πεδιάδων και των κλίσεων των παρακείμενων λόφων, που είναι ορατές σε ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο από αερομεταφερόμενα LiDAR, χρησιμοποιήθηκαν για τον περιορισμό της επέκτασης των πλημμυρών στη βάση της κοιλάδας. Ένας τόνος ορίστηκε για κάθε πίξελ χρησιμοποιώντας έναν πίνακα έκτακτης ανάγκης με βάση το δείκτη απόδοσης που μέτρα την ομοιότητα μεταξύ δύο εικόνων για κάθε ζευγάρι πλημμυρικού χάρτη.Ο χάρτης PI στην εικόνα 3(α) βασίζεται στην αντίληψη ότι αυξάνοντας τον αριθμό των μεθόδων για την εξαγωγή πληροφοριών, η συνοχή όλων των χαρτών που προκύπτουν συνδέεται με την αξιοπιστία των πληροφοριών που έχουν συγχωνευθεί. Όπως αναμένονταν, η βεβαιότητα ένα πίξελ να είναι πλημμυρισμένο μειώνεται πλησιάζοντας προς τα όρια της πλημμύρας, ενώ είναι κοντά στο μηδέν στα άκρα της. Έχοντας εξετάσει νωρίτερα την υπόθεση ύπαρξης ενός στενού δεσμού μεταξύ οπισθοσκέδασης SAR και του βάθους των πλημμυρών, μπορεί να θεωρηθεί ότι για αυτή την περιοχή μελέτης και για το πλημμυρικό συμβάν PI υπάρχει μεγάλη θετική συσχέτιση με το βάθος πλημμύρας. Πράγματι, ο συσχετισμός μεταξύ της PI και του πλημμυρικού βάθους είναι 0,7. Αυτό επιβεβαιώνει ότι ο χάρτης PI αντικατοπτρίζει την χωρική κατανομή του βάθους των πλημμυρών και, κατά συνέπεια, την επικινδυνότητα.

Καθορισμός ενός πίξελ με βάση το συντελεστή ευπάθειας

Για να διευκολυνθεί η εφαρμογή και η περαιτέρω επεξεργασία, εντοπίστηκαν έξι τάξεις κάλυψης γης, ενώ μια απόχρωση σχετίστηκε με κάθε κατηγορία αντικατοπτρίζοντας την ευπάθεια (πίνακας 1). Χρησιμοποιώντας ένα κινούμενο παράθυρο 75 μέτρων, το μέγεθος του οποίου καθορίζεται από την χωρική ανάλυση του πλημμυρικού χάρτη επικινδυνότητας, λήφθηκε ο αριθμός των τοπογραφικών στοιχείων που περιέχονται σε ένα πίξελ εικόνας SAR και σε όλες τις σχετικές αποχρώσεις αναλογούσε ένας συντελεστής ευπάθειας. Ο χάρτης, ειδικών συμβάντων επικινδυνότητας, που προέκυψε και παρουσιάζεται στην εικόνα 3(β) εξασφαλίστηκε από τον τύπο της εξίσωσης (1). Είναι σαφές ότι ο χάρτης επικινδυνότητας που παρουσιάζεται είναι εξειδικευμένος και δεν έχει δημιουργηθεί από μια πιθανοτική κατανομή των περιστατικών πλημμύρας. Ως εκ τούτου, δεν πρέπει να θεωρείται συμβατικός χάρτης επικινδυνότητας, αλλά περισσότερο χάρτης κινδύνου βασισμένος σε γεγονότα. Επιπλέον μπορεί να δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια ή μετά το γεγονός και να στηρίξει τα υπάρχοντα σχέδια διαχείρισης των πλημμυρών. Παρόλο που η διαδικασία που περιγράφεται μπορεί να φαίνεται προφανής, η δημιουργία ενός χάρτη επικινδυνότητας από δορυφορικές εικόνες ραντάρ δεν είναι τόσο απλή.

Συμπεράσματα

Η διαδικασία που παρουσιάστηκε αγνόησε τις ταχύτητες ροής και τα πραγματικά βάθη των πλημμυρών, δύο παραμέτρους που περιλαμβάνονται τις περισσότερες αναλύσεις κινδύνου πλημμύρας των υδραυλικών μοντέλων. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η επικινδυνότητα που αποδίδεται σε εδικά συμβάντα έχει προέλθει από παρατηρήσεις οι οποίες, αν και αβέβαιες, πιστεύεται ότι είναι πιο αξιόπιστες από ό τι οι προσεγγίσεις των περισσοτέρων υδραυλικών μοντέλων. Προσεχείς δορυφορικές αποστολές που θα φέρουν ραντάρ μέτρησης του υψομέτρου για άμεσες μετρήσεις της στάθμης του νερού, όπως το SWOT, αναμένεται να προσφέρουν σημαντικά στο ρόλο της τηλεπισκόπησης στην ταχεία χαρτογράφηση κινδύνων πλημμύρας. Όσον αφορά τις εκτιμήσεις ευπάθειας, είναι πιθανή η πρόβλεψή τους προβαίνοντας σε μια ενδελεχέστερη ανάλυση για τον υπολογισμό των συντελεστών ευπάθειας. Προϊόντα και υπηρεσίες εικόνων δορυφορικών αισθητήρων έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά που τα καθιστούν χρήσιμα για την παρακολούθηση συμβάντων και την εκτίμηση του κινδύνου σε μεγάλες περιοχές σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Εφόσον δορυφόροι καλύτερης χωρικής ανάλυσης (π.χ TerraSAR-X, Radarsat-2 or COSMO-SkyMed) παρέχουν διαθέσιμα δεδομένα σε λιγότερο από 24 ώρες, η επιρροή στις επιχειρήσεις του ασφαλιστικού τομέα θα είναι ουσιώδης.

[[category:]]