Παρακολούθηση αλλαγών στις καλύψεις γης σε μία νέα περιοχή της Αιγύπτου με την χρήση δεδομένων Landsat

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1: Tοποθεσία και υποδομές της περιοχής μελέτης.

Εικόνα 2: Πληροφορίες δορυφορικών εικόνων για τη συλλογή δεδομένων (path 177/row39).

Εικόνα 3: Εικόνες Landsat για την περιοχή μελέτης. (a) MSS 1984, κανάλια 4-3-2 ως RGB, (b) TM 1990, (c) ETM+ 1999, (d) etm+ 2004, (e) ETM + 2008: όλες οι εικόνες χρησιμοποιούν κανάλια 4-5-3 ως RGB.

Εικόνα 4: Οι θεματικές εικόνες απεικονίζουν την χωρική κατανομή των διαφορετικών κατηγοριών καλύψεων γης για διαφορετικά έτη στην περιοχή μελέτης. Το διάγραμμα εξηγεί την ποσοστιαία κατανομή κάθε κατηγορίας σε διαφορετικά έτη.

Εικόνα 5: Οι εικόνες παρουσιάζουν τη χωρική κατανομή των τιμών του δείκτη NDVI για τα διαφορετικά έτη στην περιοχή μελέτης. Το διάγραμμα εξηγεί την ποσοστιαία κατανομή των δύο κατηγοριών για κάθε έτος.

Εικόνα 6: Αποτελέσματα της ταξινόμησης για τις διαφορετικές καλύψεις γης σε διαφορετικά έτη.

Applied Geography 30 (2010) 592–605

N. Bakr *, D.C. Weindorf , M.H. Bahnassy , S.M. Marei , M.M. El-Badawi

Link: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Δορυφορικές εικόνες Landsat, Αλλαγές στην κάλυψη γης, Υβριδική Ταξινόμηση, NDVI, Περιοχή Bustan 3

Εισαγωγή

Οι αλλαγές στην επιφάνεια της γης σχετίζονται με τα φυσικά φαινόμενα έιτε με ανθρωπογενείς ενέργειες και μπορούν να συμβούν είτε ξαφνικά, είτε σταδιακά (Coppin, Jonckheere, Nackaerts, Muys, & Lambin, 2004). Ο ακριβής εντοπισμός των αλλαγών στην επιφάνεια της γης βοηθάει στην καλύτερη κατανόηση των σχέσεων μεταξύ των φυσικών και των τεχνητών φαινομένων. Δύο από τις πιο συνηθισμένες χρήσεις των δορυφορικών εικόνων είναι η χαρτογράφηση των καλύψεων γης μέσω της ταξινόμησης της εικόνας και οι αλλαγές στις καλύψεις/χρήσεις γης μέσω του εντοπισμού τους (Song, Woodcock, Seto, Pax Lenney, & Macomber, 2001). Τα δορυφορικά δεδομένα Landsat είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα για τέτοιου είδους χαρτογραφήσεις, λόγω και της ελεύθερης διαθεσιμότητάς τους. Ο εντοπισμός των αλλαγών μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω επιβλεπόμενων και μη επιβλεπόμενων προσσεγγίσεων (Singh, 1989). Επίσης, ο δείκτης βλάστησης συχνά θεωρείται ως μία αποτελεσματική μέθοδο για την ενίσχυση των διαφορών των φασματικών υπογραφών κάθε κατηγορίας σε μία εικόνα (Lu, Mausel, Batistella, & Moran, 2005). Ο σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης είναι να: 1) αναδείξει μία σύγχρονη οπτική για τους διαφορετικούς τύπους καλύψεων γης που συναντώνται στην περιοχή Bustan 3 της Αιγύπτου, και 2) να καταγράψει τις αλλαγές στις καλύψεις γης της συγκεκριμένης περιοχής που έχουν λάβει χώρα από το 1984 μέχρι το 2008, χρησιμοποιώντας μία τεχνική υβριδικής ταξινόμησης και έναν δείκτη βλάστησης, τον Κανονικοποιημένο Δείκτη Βλάστησης NDVI.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή Bustan 3, χαρακτηρίζεται από ημί-ξηρο, μεσογειακό κλίμα. Εντοπίζεται στην περιοχή του Δυτικού Δέλτα στην Αίγυπτο και έχει έκταση περίπου 341.27km2, όπως παρουσιάζεται στην εικόνα 1.

Δεδομένα

Οι δορυφόροι Landsat 4,5 και 7 χρησιμοποιήθηκαν για την συγκεκριμένη έρευνα. Το μέγεθος των δορυφορικών εικόνων είναι 185km * 170km. Οι δορυφόροι Landsat 4 και 5 έχουν αισθητήρες TM και MSS. Τα δεδομένα του Landsat TM έχουν χωρική ανάλυση 30m. στα 6 φασματικά κανάλια, από το μπλε μέχρι και το μέσο υπέρυθρο και 120m. Στο θερμικό κανάλι. Ο Landsat 7 τέθηκε σε τροχιά τον Απρίλιο του 1999, έχοντας τους προηγούμενους αισθητήρες TM mε το νέο όργανο TM+. Για την συγκεκριμένη μελέτη επιλέχτηκαν 5 εικόνες Landsat 4,5 και 7 για τα έτη: 1984, 1990, 1999, 2004 και 2008, όπως φαίνεται στην εικόνα 2. Όλα τα δεδομένα συλλέχθηκαν υπό καθαρές ατμοσφαιρικές συνθήκες κατά την θερινή περίοδο. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν τρεις τοπογραφικοί χάρτες κλίμακας 1:50.000 της περιοχής Bustan 3 στην Αίγυπτο. Οι συγκεκριμένοι χάρτες ψηφιοποιήθηκαν από έντυπους χάρτες για να παράγουν τον χάρτη υποδομών που φαίνεται στην εικόνα 1. Ο ψηφιοποιημένος χάρτης χρησιμοποιήθηκε επίσης για την γεωμετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων, αλλά και την επαλήθευση επίγειων στοιχείων. Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν 48 επίγεια πραγματικά σημεία, που ορίστηκαν τον Ιούλιο του 2007 για να παρέχουν πληροφορίες για τον τύπο των καλύψεων γης εκείνη την εποχή.

Μέθοδοι

Προεπεξεργασία δεδομένων Όλα τα δορυφορικά δεδομένα διορθώθηκαν γεωμετρικά στην προβολή: UTM zone 36, Datum: D_Egypt_1907. Η γεωμετρική διόρθωση έγινε με την χρήση των ψηφιοποιημένων τοπογραφικών χαρτών και επίγειων σημείων ελέγχου για την εγγραφή της εικόνας του 2008 και οι υπόλοιπες εικόνες εγγράφηκαν με βάση αυτήν. Η ατμοσφαιρική διόρθωση δεν είναι απαραίτητη σε όλες τις τηλεπισκοπικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα στον εντοπισμό των αλλαγών, διότι έχει μικρή επίδραση στην ακρίβεια της ταξινόμησης εφόσον όλα τα δεδομένα εκπαίδευσης και οι εικόνες είναι στην ίδια σχετική κλίμακα. Με βάση τους Scepan, Menz, and Hansen (1999), οι πιο χρήσιμοι συνδυασμοί καναλιών του Landsat για τον διαχωρισμό των κατηγοριών γης είναι οι: 4-5-3, 4-3-2 και 3-2-1. Το κανάλι 5 του Landsat είναι ευαίσθητο στις διαφοροποιήσεις στην περιοχόμενη υγρασία στην βλάστηση και στην υγρασία του εδάφους. Για τον λόγο αυτό ο συνδυασμός 4-5-3 είναι ικανοποιητικός για την ανάλυση του εδάφους και της κατάστασης της βλάστησης στη συγκεκριμένη περιοχή. Όλες οι εικόνες χρησιμοποιούν τον συνδυασμό 4-5-3, εκτός της εικόνας MSS1 1984, διότι περιέχει μόλις 4 κανάλια, επομένως χρησιμοποιήθηκε ο συνδυασμός 4-3-2 (Εικόνα 3). Η επεξεργασία των εικόνων έγινε με το λογισμικό ERDAS IMAGINE 9.2. O δορυφόρος Landsat 7 ETM+ αντιμετώπισε ένα πρόβλημα στις 31 Μαίου του 2003 και είναι πλέον μόνιμα απενεργοποιημένος.

Μεθοδολογία υβριδικής ταξινόμησης

Επιβλεπόμενη διαδικασία

• Ένα ιεραρχικό σύστημα ταξινόμησης καλύψεων γης (Anderson, Hardy, Roach, & Witmer, 1976) χρησιμοποιήθηκε για τον εντοπισμό των διαφορετικών καλύψεων γης στην περιοχή μελέτης. Με βάση το σύστημα αυτό, προέκυψαν 4 κατηγορίες: 1) urban or built-up land, 2) agricultural land, 3) water, και 4) barren land. Διαφορετικά δεδομένα εκπαίδευσης αντιστοιχήθηκαν σε κάθε κατηγορία, τα οποία επιβεβαιώθηκαν μέσω τοπογραφικών χαρτών, επίγειων χαρακτηριστικών σημείων και την οπτική ερμηνεία διαφορετικών εικόνων. Η ταξινόμηση που χρησιμοποιήθηκε είναι ο κανόνας της μέγιστης πιθανοφάνειας.

Μη επιβλεπόμενη διαδικασία

• Η μη επιβλεπόμενη μέθοδος ταξινόμησης είναι γνωστή ως clustering, διότι βασίζεται στις φυσικές ομαδοποιήσεις των pixels σε μία εικόνα. Μόλις ολοκληρωθεί η ταξινόμηση, ο αναλυτής γνωρίζει εκ των προτέρων τις τιμές των φασματικών κλάσεων που θα λάβουν οι θεματικές κατηγορίες (Thapa & Murayama, 2009). Για κάθε εικόνα σε κάθε χρόνο χρησιμοποιήθηκαν 25 φασματικά clusters για να διαχωρίσουν την πληροφορία της εικόνας σε μία πιο κατανοητή μορφή με ένα κατώφλι κοντά στο 0.97.

Διαδικασία συνένωσης

• Και η εικόνα που προέκυψε από την επιβλεπόμενη ταξινόμηση και η εικόνα από την μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση αντιστοιχήθηκαν στον ίδιο αριθμό των κλάσεων Η κάθε κλάση εκπροσωπείται από μία ομάδα φασματικών υπογραφών ή από μία ομάδα clusters. Η τελική θεματική ταξινομημένη εικόνα για κάθε έτος περιέχει 4 κατηγορίες καλύψεων γης: urban or build-up land, agricultural land, water, and barren land.

NDVI

O δείκτης NDVI είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος δείκτης στην επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων (Myneni, Hall, Sellers, & Marshak, 1995; Tucker, 1979). Δμιουργήθηκαν 5 δείκτες NDVI για όλες τις εικόνες και για όλες τις ημερομηνίες με τις εξλης 2 τιμές: 0 για την γη χωρίς βλάστηση και 1 για την γη με βλάστηση.

Υπολογισμός ακρίβειας

Η ακρίβεια υπολογίστηκε εμπειρικά, με τη συλλογή 200 τυχαίων δειγμάτων από τον παραγόμενο χάρτη και με έλεγχο αν οι κατηγορίες αντιστοιχούν στις κατηγορίές των δεδομένων αναφοράς(τοπογραφικοί χάρτες και χαρακτηριστικά σημεία).

Εντοπισμός των αλλαγών στις καλύψεις γης

Οι θεματικές εικόνες που προέκυψαν από την υβριδική διαδικασία ταξινόμησης και οι εικόνες που προέκυψαν από την ανάλυση του δείκτη NDVI χρησιμοποιήθηκαν για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση των αλλαγών στις καλύψεις γης στην περιοχή μελέτης μεταξύ διαφορετικών ετών, από το 1984 έως το 2008. Για κάθε ζευγάρι ετών, παράχθηκε ένας χάρτης αλλαγών. Για τις θεματικές εικόνες, εντοπίστηκαν οι αλλαγές σε κάθε κατηγορία, ενώ για τις εικόνες με τον δείκτη NDVI, εντοπίστηκαν οι αλλαγές μόνο μεταξύ των περιοχων με και χωρίς βλάστηση.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Αποτελέσματα υβριδικής ταξινόμησης

Για κάθε έτος, εξετάστηκαν 4 διαφορετικές κατηγορίες στην περιοχή Bustan 3. Η εικόνα 4 επεξηγεί τις θεματικά ταξινομημένες εικόνες και παρουσιάζει τα ποσοστά επιφάνειας της κάθε κατηγορίας.

Αποτελέσματα NDVI

Η εικόνα 5 παρουσιάζει τις εικόνες του NDVI και την έκταση των επιφανειών και των δύο κατηγοριών σε όλα τα έτη. Τα αποτελέσματα του δείκτη NDVI δεν κρίνονται ικανοποιητικά, ειδικά στην εικόνα του 2008, όπου πολλές περιοχές με βλάστηση κατηγοριοποιήθηκαν στις περιοχές χωρίς βλάστηση.

Αποτελέσματα εκτίμησης ακρίβειας της ταξινόμησης

Η εικόνα 6 παρουσιάζει την καταγραφή των αποτελεσμάτων σχετικά με την ακρίβεια των διαδικασιών ταξινόμησης και φαίνεται πως για κάθε έτος τα ποσοστα ακριβείας είναι ιδιαίτερα υψηλά, από 94,5% μέχρι και 100%.

Συμπέρασμα

Κατά την διάρκεια των τελευταίων 24 χρόνων, η αλλαγή στις καλύψεις γης είναι εντυπωσιακή. Στη συγκεκριμένη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της υβριδικής ταξινόμησης και της ανάλυσης μέσω του NDVI για τον εντοπισμό αυτών των αλλαγών. Με βάση τα αποτελέσματα, ο συνδυασμός της επιβλεπόμενης και της μη επιβλεπόμενης ταξινόμησης μέσω της υβριδικής μεθόδου ταξινόμησης παρείχε πιο ακριβείς και αξιόπιστες εικόνες για την παρακολούθηση των αλλαγών στη συγκεκριμένη περιοχή μελέτης. Αντίθετα, ο δείκτης NDVI δεν μπόρεσε να παράγει αποδεκτά δεδομένα για το έτος 2008. Σε περιοχές όπως η συγκεκριμένη, απαιτείται και γνώση της επίγειας κατάστασης για να αξιοποιηθούν πλήρως τα δορυφορικά δεδομένα Landsat, αλλιώς τα αποτελέσματα υστερούν σε ακρίβεια.

Συνεισφορά της τηλεπισκόπησης

Η συγκεκριμένη μελέτη αναδεικνύει την αξία ανεύρεσης αξιόπιστων στοιχείων σε βάθος χρόνου, καθώς και τη σημασία εντοπισμού και ανάλυσης των μεταβολών που συμβαίνουν στη γήινη επιφάνεια με σκοπό τον βέλτιστο σχεδιασμό και την προστασία του φυσικού περιβάλλοντος, μέσω συνδυασμών τηλεπισκοπικών μεθόδων.