Απεικόνιση εδαφοκάλυψης στην πολιτεία Acre, Αμαζόνιος δυτική Βραζιλία, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης από διαφορετικές χρονικές..

Από RemoteSensing Wiki

Απεικόνιση εδαφοκάλυψης στην πολιτεία Acre, Αμαζόνιος δυτική Βραζιλία, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης από διαφορετικές χρονικές περιόδους.

Monitoring land cover in Acre State, western Brazilian Amazonia, using multitemporal remote sensing data.

Συγγραφείς : Yosio Edemir Shimabukuro, Valdete Duarte, Egidio Arai, Ramon M. Freitas, Paulo Roberto Martini και Andre Lima

Πηγή : Taylor & Francis

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η εδαφοκάλυψη και οι χρήσεις γης δεν παραμένουν αμετάβλητες στο χρόνο και συνεπώς η σχετική ενημέρωση μέσω της τηλεπισκόπησης είναι ιδιαίτερα σημαντική. Η τηλεπισκόπηση παρέχει τη δυνατότητα απόκτησης δεδομένων με χωρική κάλυψη και χρονική συχνότητα κατάλληλη για τη μελέτη και παρακολούθηση της βλάστησης με χαμηλό κόστος. Οι εικόνες Landsat Thematic Mapper (TM), Enhanced Thematic Mapper Plus (ETMþ) και Terra/Aqua MODIS είναι μερικές από τις κατηγορίες δορυφορικών εικόνων που επιτρέπουν τη συλλογή πληροφοριών στο ορατό, στο εγγύς υπέρυθρο (NIR) και το μέσο υπερύθρο (MIR) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, δίνοντας τη δυνατότητα ανίχνευσης και χαρακτηρισμού της κάλυψης του εδάφους σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα. Η χρήση χωρικών δεδομένων μέσης, μέτριας ή χαμηλής ανάλυσης επιφέρει το λεγόμενο «πρόβλημα ανάμειξης», δηλαδή η τιμή του πίξελ αποτελεί μίγμα της αντανάκλασης από διαφορετικούς στόχους σε κάθε πίξελ. Διάφορες είναι οι τεχνικές που έχουν εφαρμοστεί για να απεικονίσουν την ετερογένεια των υποπίξελ στην κάλυψη του εδάφους από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Κλασματικές εικόνες που προέρχονται από τηλεπισκοπικά δεδομένα διαφόρων περιόδων έχουν παράσχει αξιόλογα αποτελέσματα από την παρακολούθηση της αποψίλωσης, τις αλλαγές της κάλυψης γης, τις ταξινομήσεις της βλάστησης και τη χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων. Η παραγωγή κλασματικών εικόνων είναι μια εναλλακτική προσέγγιση για τη μείωση των διαστάσεων των δεδομένων εικόνας και την ενίσχυση συγκεκριμένων πληροφοριών ψηφιακής ερμηνείας. Στο πλαίσιο αυτό, ο στόχος είναι η χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων διαφόρων χρονικών περιόδων για την παρακολούθηση των αλλαγών κάλυψης γης στην Acre που βρίσκεται στο δυτικό τμήμα του Αμαζονίου στη Βραζιλία.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Η Πολιτεία Acre, βρίσκεται στη δυτική περιοχή του τμήματος του Αμαζονίου που διασχίζει τη Βραζιλία (Εικόνα 1), θεωρείται ως ο τόπος μελέτης. Σύμφωνα με τους χάρτες βλάστησης της IBGE, η περιοχή μελέτης πρωταρχικά καλύπτεται από υγρά τροπικά δάση τα οποία έχουν τμηματικά αποδασωθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Το κλίμα στην Acre ταξινομείται ως τροπικό μουσονικό κλίμα σύμφωνα με το σύστημα του Koppen. Το 2005, η περιοχή του δυτικού Αμαζονίου υπέφερε από ξηρασία που προκάλεσε πλήθος πυρκαγιών, περιλαμβάνοντας πυρκαγιές που εισχώρησαν σε αμετάβλητα για χρόνια δάση στην Πολιτεία Acre.

ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Δεδομένα τηλεπισκόπησης

Το GeoCover mosaic είναι ένα παγκόσμιο σύνολο εικόνων περιοχών ψηφιοποιημένο από ένα σύνολο δεδομένων Landsat GeoCover σχεδιασμένο από τη NASA. Το 1990 εικόνες του GeoCover mosaic δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας τρία φασματικά κανάλια ΤΜ (Πράσινο, NIR και MIR) με νέα δειγματοληψία χωρικής ανάλυσης 28,5 μ. και απόλυτη ακρίβεια θέσης 50 μ. Οι εικόνες GeoCover mosaic 2000 δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας τρία φασματικά κανάλια ΕΤΜ+ (πράσινο, εγγύς υπέρυθρο και μέσο υπέρυθρο) με νέα δειγματοληψία χωρικής ανάλυσης 14,25 μ. χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Cubic Convolution Interpolation. Τα προϊόντα MOD09, δορυφορικών εικόνων MODIS, με επτά κανάλια επιφανειακής ανακλαστικότητας αποκτήθηκαν το 2005 και το 2007, χρησιμοποιήθηκαν στη χαρτογράφηση χρήσεων γης, αλλαγών εδαφοκάλυψης και καμένων εκτάσεων. Γι’ αυτό, τα κανάλια επιφανειακής ανακλαστικότητας κόκκινο, εγγύς υπέρυθρο (NIR) και μέσο υπέρυθρο (MIR) χρησιμοποιήθηκαν με 250 μ. χωρικής ανάλυσης. Η εικόνα 2 δείχνει ψηφιδωτά εικόνων MSS, TM, ETM+ και MODIS που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη.

Μεθοδολογική προσέγγιση

Η διαδικασία ψηφιακής ταξινόμησης βασίζεται σε δεδομένα πολυαισθητήρων (Εικόνα 3) και πιο συγκεκριμένα σε εικόνες που ανήκουν στις κατηγορίες Landsat Multispectral Scanner (MSS), GeoCover ορθά διορθωμένες Landsat TM, GeoCover ορθά διορθωμένες Landsat ETM και MODIS. Το σύνολο δεδομένων MSS, TM και ETM+ αξιοποιούνται για την ανάλυση των αλλαγών των χρήσεων γης και εδαφοκάλυψης (LULC) κατά την περίοδο μελέτης, ενώ οι εικόνες MODIS 2005 και 2007 χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων και της αποδάσωσης αντίστοιχα. Τα χαρακτηριστικά της εδαφοκάλυψης ενισχύονται μετατρέποντας τις εικόνες Landsat-MSS, -TM και –ΕΤΜ+ και Terra –MODIS σε κλασματικές εικόνες βλάστησης, εδάφους και σκίασης. Οι κλασματικές εικόνες προκύπτουν από το Linear spectral mixing model (LSMM) που έχει τη δυνατότητα να εκτιμά την ποσότητα του εδάφους, της βλάστησης και της σκίασης για κάθε πίξελ από την φασματική ανταπόκριση στα κανάλια των αισθητήρων. Οι αισθητήρες των καναλιών χρησιμοποιούνται για να διαμορφώσουν ένα σύστημα γραμμικών εξισώσεων που μπορεί να επιλυθεί από κάποιο αλγόρυθμο. Οι κλασματικές εικόνες που προκύπτουν περιέχουν ειδικές πληροφορίες, με την κλασματική εικόνα εδάφους να τονίζει κυρίως περιοχές χωρίς βλάστηση, την κλασματική εικόνα βλάστησης να παρουσιάζει την κατάσταση φυτοκάλυψης όμοια με το δείκτη NDVI και την κλασματική εικόνα σκίασης να ενισχύει τα υδάτινα σώματα, τη δομή της φυτοκάλυψης και τις καμένες εκτάσεις. Η δημιουργία αυτών των εικόνων είναι μια εναλλακτική προσέγγιση για τη μείωση των διαστάσεων των εικόνων των δεδομένων και την ενίσχυση των ειδικών πληροφοριών για ψηφιακή ερμηνεία. Έπειτα από ψηφιακή ταξινόμηση των κλασματικών εικόνων προκύπτουν οι χάρτες εδαφοκάλυψης, ακολουθώντας μια διαδικασία βασισμένη στην κατάτμηση των εικόνων, ταξινόμηση χωρίς επίβλεψη και μετά - ταξινομημένη έκδοση. Σε αυτή τη μελέτη, οι κλασματικές εικόνες σκίασης και εδάφους (1980 MSS, 1990 TM, 2000 ETM+ και 2007 MODIS), χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση αποδασωμένων περιοχών, ενώ οι κλασματικές εικόνες της βλάστησης για τη χαρτογράφηση αναπτυσσόμενων περιοχών. Για τη χαρτογράφηση καμένων περιοχών από τα δεδομένα των δορυφορικών εικόνων MODIS του 2005, η κλασματική εικόνα σκίασης ήταν η πρωταρχική πηγή πληροφοριών. Η αύξηση της αναλογίας σκίασης σε ένα πίξελ δασικής έκτασης παρέχει τις πληροφορίες για την ανίχνευση των επιδράσεων της πυρκαγιάς στη σκίαση του δάσους. Ομοίως, η αύξηση της αναλογίας σκίασης σε ένα πίξελ βλάστησης δείχνει τις επιδράσεις της πυρκαγιάς σε αποδασωμένες εκτάσεις. Η κατάτμηση εικόνων είναι μια τεχνική ομαδοποίησης των δεδομένων, με την οποία μόνο παρακείμενες περιοχές και όμοια φασματικά χαρακτηριστικά μπορούν να συνδεθούν. Η προσέγγιση κατάτμησης των εικόνων που χρησιμοποιείται βασίζεται σε μια τεχνική ανάπτυξης μιας περιοχής. Δυο παράμετροι εκκίνησης πρέπει να οριστούν από τον αναλυτή για να καθορίσει τις κατατμήσεις που θα χρησιμοποιηθούν κατά τις μεταγενέστερες διαδικασίες ταξινόμησης το κατώφλι ομοιότητας και το κατώφλι περιοχής. Κατατμημένες εικόνες ταξινομούνται χρησιμοποιώντας το ISOSEG, ο αλγόριθμος ταξινόμησης περιοχής στηρίζεται σε τεχνικές συσταδοποίησης. Ο αλγόριθμος χωρίς επιτήρηση χρησιμοποιεί τον πίνακα συνδιασποράς και τη μέση τιμή των περιοχών για την εκτίμηση των κέντρων των τάξεων. Ο αναλυτής καθορίζει ένα κατώτατο όριο αποδοχής, τη μέγιστη επιτρεπόμενη απόσταση Mahalanobis που ο μέσος ψηφιακός αριθμός μπορεί να απέχει από το κέντρο μίας κατηγορίας, για να μπορεί να θεωρηθεί ότι ανήκει στην εν λόγω κατηγορία. Μετά από τη διαδικασία ταξινόμησης, ορισμένες τάξεις μπορεί να επαναομαδοποιούνται για να εκφράσουν πιο πιστά χαρακτηριστικά του εδάφους. Μετά από την ταξινόμηση χωρίς επίβλεψη, είναι απαραίτητο να ελεγχθούν οι χάρτες που προκύπτουν. Γι’ αυτό, τα πραγματικά χρωματικά σύνθετα χρησιμοποιούνται προς σύγκριση. Αυτό το έργο ελαχιστοποιεί τα σφάλματα παράλειψης και ανάθεσης, τα οποία προκύπτουν από κάθε ψηφιακό ταξινομητή. Τα προϊόντα που προκύπτουν επιτρέπουν την εκτίμηση των αλλαγών στις LULC κατηγορίες κατά την εξεταζόμενη χρονική περίοδο, καθώς και την αύξηση των αποψιλωμένων εκτάσεων από τη μια χρονική περίοδο στην άλλη.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Η LSMM εφαρμόστηκε σε πολλούς αισθητήρες τηλεπισκοπικών δεδομένων, προκειμένου να τονίσει τις κατηγορίες χρήσεων γης στην περιοχή μελέτης. Η εφαρμογή της στον MODIS 2007 αναδεικνύει τις κλασματικές εικόνες βλάστησης, εδάφους και σκιάς όπως απεικονίζονται στην εικόνα 4. Η ταξινόμηση της εδαφοκάλυψης με χρήση εικόνων διαφορετικών χρονικών περιόδων παρατηρείται στην εικόνα 5 παρουσιάζοντας τις αλλαγές που έχει υποστεί. Η ανάλυση πακέτων δεδομένων Landsat που αντιστοιχούν στις χρονικές περιόδους, 1980 (MSS), 1990 (TM) και 2000 (ETMb) έδειξε ότι οι αποψιλωμένες περιοχές αυξήθηκαν για κάθε μια από τις δεκαετίες της περιόδου 1980-2007. Επίσης παρατηρήθηκε στις εικόνες ΕΤΜb 2000 (Πίνακας 1) περίπου 2100 km2 περιοχών αυξανόμενης βλάστησης, οι οποίες μπορούν να χωριστούν σε τρεις ηλικιακές κατηγορίες : 1) Περιοχές αναπτυσσόμενης βλάστησης για λιγότερο από 10 έτη, 2) Περιοχές αναπτυσσόμενης βλάστησης μεταξύ 10 και 20 ετών και 3)Περιοχές αναπτυσσόμενης βλάστησης για περισσότερα από 20 έτη. Οι αποψιλωμένες περιοχές που υπολογίστηκαν από την προτεινόμενη μεθοδολογία, σύμφωνα με τα δεδομένα των αισθητήρων MSS, TM, ETMþ και MODIS, εμφανίζουν μείωση της τάξης του 3% και 23% για το διάστημα 1990-2000 και 2000-2007 αντίστοιχα και παρουσιάζονται στον πίνακα 2. Οι χαρτογραφημένες καμένες εκτάσεις όπως προέκυψαν από τον αισθητήρα MODIS, επαληθεύτηκαν από δορυφορικές εικόνες Landsat TM και παρουσιάζονται στην εικόνα 6. Η ανάλυση των εικόνων MODIS έδειξε ότι 6500km2 από την επιφάνεια της γης αποτεφρώθηκαν στην Άκρε το 2005. Από αυτά, τα 3700 km2 αντιστοιχούσαν σε αποψιλωμένες κατά το παρελθόν εκτάσεις και τα 2800 km2 σε δασικές περιοχές (Εικόνα 7). Οι πληροφορίες που προέκυψαν σχετικά με την αποψίλωση των δασών, τις περιοχές αναπτυσσόμενης βλάστησης και τις καμένες περιοχές είναι ιδιαίτερα σημαντικές για την περιφερειακή αλλά και παγκόσμια περιβαλλοντική εκτίμηση καθώς και για τις προσπάθειες ελέγχου πυρκαγιών και αποψιλώσεων στο μέλλον.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μέθοδος που περιγράφεται στο παρόν άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ψηφιακή ταξινόμηση μεταβολών της εδαφοκάλυψης χρησιμοποιώντας εικόνες πολυαισθητήρων για την πολιτεία του Άκρε. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα δεδομένα πολυαισθητήρων αποτελούν σημαντικές πηγές πληροφοριών για τη χαρτογράφηση και παρακολούθηση των διαφοροποιήσεων της εδαφοκάλυψης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιφεριακό επίπεδο για την περιοχή του Αμαζονίου στη Βραζιλία.