ΔΙΑΧΕΙΡIΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ∆ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ
Από RemoteSensing Wiki
Αγγλικός τίτλος: ΕΝVIRONMENTAL MANAGEMENT WITH THE USE OF REMOTE SENSING
Συγγραφείς: Ν. Χρυσουλάκης, Α. Ανδρίτσος, Ν. Αδακτύλου, Κ. Καρτάλης, Μ. Πετράκης
Έτος δημοσίευσης: 1999
Πηγή: http://www.iacm.forth.gr/_docs/pubs/4/Samos99.pdf
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να αναδείξει τη δυναμική των τρεχουσών τεχνικών και μεθοδολογιών της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος και την ορθολογική διαχείρησή του. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται τρεις εφαρμογές που αφορούν σε βιομηχανικά ατυχήματα, στο αστικό περιβάλλον και σε ευαίσθητα οικοσυστήματα. Σε αυτές τις εφαρμογές έχει γίνει επεξεργασία δορυφορικών εικόνων ΝΟΑΑ, SPOT και LANDSAT, καθώς και ανάπτυξη σχετικών αλγορίθμων.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει αποδειχτεί αποτελεσματικό και χρήσιμο εργαλείο για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος και σημαντική πηγή πληροφοριών για το σχεδιασμό και την ενίσχυση αναπτυξιακών και παραγωγικών δραστηριοτήτων. Οι δυνατότητες λήψης εικόνων για μεγάλες περιοχές, επιλογής εικόνων κατάλληλης χωρικής ανάλυσης και συλλογής δεδομένων σε σταθερή βάση είναι μερικά από τα στοιχεία που ενισχύουν τη χρήση της τεχνικής αυτής για τη διαρκή εποπτεία του περιβάλλοντος. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσονται τρεις εφαρμογές που έχουν πραγματοποιηθεί με βάση δορυφορικά δεδομένα πλουτοπαραγωγικών και μετεωρολογικών δορυφόρων.
2. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
2.1 Βιομηχανικά ατυχήματα
Στην εφαρμογή αυτή επιχειρείται η απεικόνιση πλουμίων που έχουν προκληθεί από βιομηχανικά ατυχήματα τα οποία έχουν ανιχνευτεί δορυφορικά. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες NOAA/AVHRR υψηλής ευκρίνειας. Η απεικόνιση αυτή βασίζεται στο διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στα πλούμια, αφ' ενός από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και αφ' ετέρου από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στην υποκείμενη επιφάνεια. Ο διαχωρισμός γίνεται βάσει αλγορίθμου που εισάγει ειδικό φίλτρο για τα νέφη καθώς και για περιοχές της υποκείμενης επιφάνειας, παράγοντας τελικά μια ψευδόχρωμη σύνθεση στην οποία το πλούμιο είναι απόλυτα διαχωρίσιμο. Ειδικότερα, χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος που βασίζεται στο συνδυασμό των κανονικοποιημένων λόγων (5-1)/(5+1) και (2-1)/(2+1) των καναλιών 1 και 2 και 5 του AVHRR με στόχο το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και στην επιφάνεια της γης. Ο πρώτος κανονικοποιημένος λόγος χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του πλουμίου από τα νέφη και για το φιλτράρισμα των νεφών. Ο δεύτερος λόγος είναι ο γνωστός Κανονικοποιη μένος Δείκτης Βλάστησης NDVI. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο NDVI χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του πλουμίου από την επιφάνεια της γης και για το φιλτράρισμα των υδάτινων επιφανειών (θάλασσα και εσωτερικά νερά). Στην πράξη, από την άλγεβρα των καναλιών 1, 2 και 5 του AVHRR δημιουργούνται δύο νέα ψευδοκανάλια: το CLD που είναι η εικόνα που προκύπτει από τον πρώτο κανονικοποιη μένο λόγο και το NDVI που είναι η εικόνα που προκύπτει από τον δεύτερο κανονικοποιη μένο λόγο. Τα δύο αυτά ψευδοκανάλια επιδέχονται διπλό φιλτράρισμα με τον τρόπο που έχει αναφερθεί πρωτύτερα. Αρχικά κάθε ψευδοκανάλι φιλτράρει τον εαυτό του και έπειτα δέχεται το φίλτρο που προκύπτει από το άλλο ψευδοκανάλι. Τελος παράγεται η ψευδόχρωμη RGB (CLD, NDVI, NDVI) σύνθεση των δύο εικόνων που προκύπτουν από το διπλό φιλτράρισμα. Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η περιοχή της Γαλλίας όπως προκύπτει μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου. Τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στις περιοχές με πυκνή νέφωση και σε υδάτινες επιφάνειες έχουν ψηφιακή τιμή 255 μετά την εφαρμογή των φίλτρων και εμφανίζονται με μαύρο χρώμα. Τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στο πλούμιο είναι απόλυτα διαχωρίσιμα και εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα στην περιοχή της Λυών όπου εκδηλώθηκε το ατύχημα.
2.2 Αστική Θερμική Νησίδα
H δεύτερη εφαρμογή έχει σαν αντικείμενο το φαινόμενο της Αστικής Θερμικής Νησίδας. Το φαινόμενο της Αστικής Θερμικής Νησίδας (Urban Heat Island -U.H.I) αποτελεί σημαντική παράμετρο του αστικού μικροκλίματος. Οι διαφορές θερμοκρασίας ανάμεσα στον αστικό ιστό και τις γύρω αγροτικές - υπαίθριες εκτάσεις μετρώνται ή υπολογίζονται με χρήση επίγειων και δορυφορικών δεδομένων. Στην παρούσα μελέτη γίνεται προσπάθεια ποιοτικής και ποσοτικής ανάδειξης του φαινομένου της Θερμικής Νησίδας για την περιοχή της Αθήνας με χρήση δορυφορικών εικόνων από ΝΟΑΑ AVHRR και LANDSAT TM. Οι καθημερινές λήψεις εικόνων NOAA AVHRR ανά 6ωρο δίνουν την δυνατότητα παρακολούθησης του φαινομένου σε ημερήσια και διημερήσια βάση. Κατάλληλοι αλγόριθμοι παράγουν τα επίπεδα α- CH4/NDVI (Ψηφιακή τιμή στο κανάλι 4/ Δείκτης βλάστησης) και β- θερμοκρασίας λαμπρότητας εδάφους. Ο δείκτης βλάστησης (NDVI) παράγεται από τον συνδυασμό των καναλιών 1 και 2 του AVHRR στην σχέση NDVI=(CH2-CH1)/(CH2+CH1). H υψηλή ανακλαστικότητα των φυτών στο κανάλι 2 (εγγύς υπέρυθρο) σε σχέση με το κανάλι 1 (ορατό) επιτρέπει τον εντοπισμό των εκτάσεων με φυτοκάλυψη στα εικονοστοιχεία που ο δείκτης λαμβάνει μεγάλες θετικές τιμές. H παραγωγή νέου επιπέδου με βάση την σχέση CH4/NDVI επιτρέπει την διάκριση των αστικών και ξηρών περιοχών από της φυτοκαλυμένες εκτάσεις. Οι αστικές και ξηρές εκτάσεις έχουν μεγάλες τιμές εκπομπής στο θερμικό υπέρυθρο (CH4) και μικρές τιμές NDVI σε αντίθεση με τις εκτάσεις με φυτοκάλυψη. Για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας λαμπρότητας (Brightness temperature) εφαρμόζεται η θεωρητική προσέγγιση των Becker and Li. Η θερμοκρασία εδάφους αποδίδεται σε βαθμούς Κελσίου ανά pixel εικόνας και αποθηκεύεται σε νέο επίπεδο (Εικόνα 2). Ο συνδυασμός των παραχθέντων επιπέδων σε περιβάλλον Γ.Σ.Π. (Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφόρησης) επιτρέπει την αποτύπωση της αστικής και αγροτικής περιοχής με παραμέτρους την θερμοκρασία εδάφους και τα μετεωρολογικά στοιχεία για το λεκανοπέδιο. Το φαινόμενο παρακολουθείται σε ενδοημερήσια βάση για την περίοδο λήψης των εικόνων. Οι εικόνες Landsat TM παρέχουν υψηλή διακριτική ικανότητα (30x30m/pixel) με δυνατότητα παρακολούθησης του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας σε συνάρτηση με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του αστικού ιστού όπως η πυκνότητα δόμησης, βιομηχανικές ζώνες, χρήσεις γης και ανάγλυφο, κ.ά. Ο αστικός ιστός αναδεικνύεται με επεξεργασία επιβλεπόμενης ταξινόμησης (Supervised Classification) και κυρίων συνιστωσών (Principal Components). Υπολογίζεται η θερμοκρασία λαμπρότητας ανα pixel με εφαρμογή της θεωρητικής προσέγγισης του Singh. Τα παραχθέντα επίπεδα συνδυάζονται με επίπεδα Ψηφιακού Ανάγλυφου D^.M (Digital Elevation Model) και Χρήσεων Γης σε περιβάλλον Γ.Σ.Π (G.I.S). Οι συνδυασμοί των επιπέδων πραγματοποιούνται με ανάπτυξη κατάλληλων αλγορίθμων ώστε να αποτυπώνεται το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας σε συνάρτηση με τις περισσότερες δυνατές αστικές παραμέτρους.
2.3. Παρακολούθηση ευαίσθητων οικοσυστημάτων
Η τρίτη εφαρμογή αφορά στη χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση των μεταβολών που παρουσιάζονται σε ευαίσθητα οικοσυστήματα. Το εξεταζόμενο οικοσύστημα στην προκειμένη περίπτωση είναι το νησί της Μυκόνου. Η Μύκονος έχει μία έκταση 90 Km2 και υποδέχεται κάθε χρόνο πάνω από ένα εκατομμύριο επισκέπτες. Η τεράστια εποχιακή αύξηση του πληθυσμού δημιουργεί σημαντικές πιέσεις στο θαλάσσιο, παράκτιο και χερσαίο περιβάλλον του νησιού, ιδιαίτερα στις περιοχές εκείνες όπου οι υποδομές και οι υπηρεσίες δεν επαρκούν για να ανταπεξέλθουν στις αυξημένες απαιτήσεις. Στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση δορυφορικών αλλά και επίγειων δεδομένων για την παρακολούθηση των τάσεων που διαμορφώνονται διαχρονικά στο νησιωτικό περιβάλλον. Η συνδυασμένη μελέτη της περιοχής καλύπτει μία περίοδο 16 ετών (1982 - 1998) και επικεντρώνεται στην εκτίμηση της εξάπλωσης του αστικού ιστού, στην παρακολούθηση των φαινομένων διάβρωσης του εδάφους καθώς και στην παρακολούθηση των αλλαγών στην παράκτια ζώνη του νησιού. Αρχικά εφαρμόζονται τεχνικές επεξεργασία εικόνας που καταλήγουν στην επιβλεπόμενη ταξινόμηση των εικόνων Landsat TM (χωρική ανάλυση 30m) του νησιού. Η επεξεργασία διευκολύνεται με την συνδυασμένη χρήση εικόνων SPOT PAN (χωρική ανάλυση 10m) που επιτρέπει τη βελτίωση της χωρικής ανάλυσης των παραγόμενων χαρτών και τον καλύτερο διαχωρισμό των ορίων των διαφορετικών περιοχών, καθώς επίσης και με τη χρήση αεροφωτογραφιών που είναι διαθέσιμες για τη μελετούμενη χρονική περίοδο. Στη συνέχεια, με την εφαρμογή κατάλληλου αλγορίθμου αποδίδονται στις διαφορετικές περιοχές του νησιού διαφορετικοί δείκτες ευαισθησίας ανάλογα με την επικρατούσα κάλυψη γης και γίνεται χαρακτηρισμός των περιοχών του νησιού σε ότι αφορά τον κίνδυνο διάβρωσης, με βάσει το DEM (Digital Elevation Model) του και τα στοιχεία που έχουν ήδη προκύψει σχετικά με τις χρήσεις και την κάλυψη γης. Τα δύο αυτά επίπεδα πληροφορίας συνδυάζονται με τη χρήση του κατάλληλου αλγορίθμου και έτσι αποδίδονται στις διάφορες περιοχές του νησιού συνολικότεροι δείκτες ευαισθησίας, με τη δημιουργία του τελικού επιπέδου πληροφορίας (Sensitivity Analysis Layer). Παράλληλα, κατά τη διάρκεια της μελέτης γίνεται προσδιορισμός χαρακτηριστικών δεικτών (αστική / μη αστική περιοχή, ρυθμός αστικοποίησης (%)), οι οποίοι και χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των τάσεων που επικρατούν και μπορούν να αξιοποιηθούν, μέσα από την ενσωμάτωσή τους σε Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών (GIS) σε ένα Πρόγραμμα Ολοκληρωμένης Διαχείρισης του νησιωτικού περιβάλλοντος.
