Τηλεπισκόπηση μέσω δορυφόρου για λεπτομερή καταγραφή κατολισθήσεων, με τη χρήση ανίχνευσης μεταβολών και σύμπτυξης εικόνων
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Τηλεπισκόπηση μέσω δορυφόρου για λεπτομερή καταγραφή κατολισθήσεων, με τη χρήση ανίχνευσης μεταβολών και σύμπτυξης εικόνων
Πρωτότυπος τίτλος: Satellite remote sensing for detailed landslide inventories using change detection and image fusion
Συγγραφείς: J. Nichol Corresponding author & M. S. Wong
Πηγή: https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01431160512331314047
Εισαγωγή
Η καταγραφή και παρακολούθηση κατολισθήσεων αποτελεί μία διαδικασία που στηρίζεται στα δεδομένα αεροφωτογραφιών για τον εντοπισμό των συμβάντων αλλά και σε περιβαλλοντικά δεδομένα που επιδρούν στο φαινόμενο, όπως η κλίση του ανάγλυφου, τα είδη κάλυψης γης κλπ. Η διαδικασία ανίχνευσης απαιτεί τη μελέτη περιοχών μεγάλης έκτασης, ενώ ταυτόχρονα πολλές χώρες δεν έχουν τα κατάλληλα μέσα για την ανάπτυξη επαρκών βάσεων δεδομένων και χαρτών.
Στόχος της μελέτης είναι η αξιολόγηση χρήσης δορυφορικών εικόνων ως υποκατάστατο μεσαίας έως μεγάλης κλίμακας αεροφωτογραφιών για την καταγραφή κατολισθήσεων. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει τεχνικές αυτοματοποιημένης ανίχνευσης μεταβολών για την ταυτοποίηση μικρών κατολισθήσεων, με εικόνες SPOT μέσης ανάλυσης, και σύμπτυξη εικόνων IKONOS, για την απόκτηση ποιοτικής πληροφορίας υψηλής χωρικής και φασματικής ανάλυσης, για τις κατολισθήσεις και τα χαρακτηριστικά τους. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιείται η βάση δεδομένων National Terrain Landslide Inventrory (NTLI) που έχει αναπτυχθεί στο Χονγκ Κονγκ.
Περιοχή μελέτης και δορυφορικές εικόνες
Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο νησί Lantau του Χονγκ Κονγκ με έκταση 32 m2 και ιστορικό κατολισθήσεων. Το ανάγλυφο είναι απότομο και ορεινό με δάση στις πεδινές εκτάσεις και θάμνους ή βοσκότοπους στις ψηλότερες περιοχές και τους βράχους, δίνοντας συχνά ανακλαστικότητα παρόμοια με αυτή των κατολισθήσεων.
Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν είναι δύο εικόνες SPOT, μία πριν (1991) και μία μετά (1995) από ένα συμβάν κατολίσθησης του 1993 που περιλάμβανε 551 κατολισθήσεις, και μία εικόνα IKONOS του 2003, για το στάδιο σύμπτυξης εικόνας, της οποίας η αξιολόγηση έγινε βάσει πιο πρόσφατων καταγραφών.
Ανίχνευση μεταβολών με χρήση εικόνων SPOT
Το μεγαλύτερο τμήμα της περιοχής μελέτης βρίσκεται σε πάρκο και δεν υπόκειται σε ανθρωπογενείς παρεμβάσεις, με αποτέλεσμα κάθε μεταβολή κάλυψης γης μεταξύ των δύο εικόνων να οφείλεται σε κινήσεις εδάφους, όπως οι κατολισθήσεις. Χαρτογράφηση δεδομένων σε GIS είναι διαθέσιμη, ώστε αν κάποια από τις μεταβολές οφείλεται όντως σε ανθρωπογενή δραστηριότητα να εντοπιστεί. Η αυτοματοποιημένη ανίχνευση κατολισθήσεων έγκειται στην αλλαγή ανακλαστικότητας ενός τμήματος της εικόνας.
Μέθοδοι ανίχνευσης: Αρχικά πραγματοποιήθηκε προβολή των δύο εικόνων SPOT στο σύστημα συντεταγμένων του Χονγκ Κονγκ (1980), προκειμένου να είναι δυνατή τόσο η μεταξύ τους σύγκριση όσο και η υπέρθεση των αποτελεσμάτων με τη βάση NTLI. Έπειτα από εφαρμογή διαφόρων μεθόδων ανίχνευσης, επιλέχθηκε ως αποτελεσματικότερη η σύγκριση εικόνων ταξινομημένων με τη μέθοδο μέγιστης πιθανοφάνειας. Δημιουργήθηκαν κλάσεις για όλες τις σημαντικές εμφανίσεις, συμπεριλαμβανομένης της σκίασης, ώστε να μειωθεί η σύγχυση με άλλες περιοχές σκούρων τόνων. Η ακρίβεια που επετεύχθη ήταν 85% και 87% για τις εικόνες του 1991 και 1995 αντίστοιχα. Στη συνέχεια, οι δύο εικόνες συνδυάστηκαν σε ένα αρχείο για την επιβολή κατάλληλων φίλτρων και την παραγωγή δύο νέων εικόνων μεταβολών, μία για κατολισθήσεις βοσκοτόπων και μία για αυτές των δασών.
Αποτελέσματα ανίχνευσης μεταβολών: Τα ποσοστά ανίχνευσης που προέκυψαν ήταν υψηλά και συγκεκριμένα 67% για τους βοσκότοπους και 71% για τα δάση. Στην εικόνα 1 φαίνονται χαρακτηριστικές κατολισθήσεις που αναγνωρίστηκαν, καθώς και κατολίσθηση μεγέθους κάτω του οποίου αντίστοιχες εμφανίσεις δεν εντοπίστηκαν. Τα σφάλματα που επέδρασαν στα ποσοστά είναι τόσο παράληψης όσο και συμπερίληψης. Στα σφάλματα παράληψης εντάσσονται μικρές εμφανίσεις πλάτους μικρότερου των 10 m και κατολισθήσεις σε σκιασμένες περιοχές ή που έλαβαν χώρα στο ίδιο σημείο με παλαιότερες, ενώ υπήρξαν κατολισθήσεις που ανιχνεύτηκαν αλλά ταυτίζονταν λιγότερο από 60% με τις πρότυπες της βάσης NTLI, κάτι που είχε τεθεί ως προαπαιτούμενο, οπότε αγνοήθηκαν (εικόνα 2). Στα σφάλματα συμπερίληψης περιλαμβάνονται κυρίως ανθρωπογενείς παρεμβάσεις στο τοπίο κατά την περίοδο μελέτης.
Σύμπτυξη εικόνων IKONOS
Εκτός της απλής ανίχνευσης κατολισθήσεων, χρειάζονται περαιτέρω ποιοτικά στοιχεία για την ερμηνεία τους. Η σύμπτυξη εικόνων μπορούν να παρέχουν τέτοιου είδους πληροφορία. Για την αξιολόγηση του τελικού αποτελέσματος της σύμπτυξης χρησιμοποιήθηκε ψηφιακή ορθοφωτογραφία ημερομηνίας πολύ κοντινής στη διαθέσιμη δορυφορική εικόνα.
Τεχνικές σύμπτυξης: Μέσω της σύμπτυξης εικόνων αξιοποιούμε τα πλεονεκτήματα του συνδυασμού σε μια εικόνα της υψηλής χωρικής ανάλυσης ενός παγχρωματικού καναλιού και της πληροφορίας πολυφασματικών απεικονίσεων της περιοχής. Για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις τεχνικές. Οι τεχνικές Intensity, Hue and Saturation (HIS) και Brovey Transform έχουν ως βασικά μειονεκτήματα το όριο εισαγωγής έως τριών καναλιών, καθώς και κάποιες χρωματικές αναντιστοιχίες μετά την εισαγωγή του παγχρωματικού καναλιού. Η Smoothing filter-based modulation (SFIM) τεχνική επιτρέπει την εισαγωγή όλων των καναλιών και έχει καλύτερη απόδοση της φασματικής πληροφορίας, ενώ η Pan-sharpening (PCI Geomatica) είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για εικόνες, αφού διατηρεί όλη την πληροφορία των πολυφασματικών εικόνων αλλά και τη χωρική ανάλυση της παγχρωματικής.
Αποτελέσματα σύμπτυξης: Εστιάζοντας σε μια πλαγιά με δύο κατολισθήσεις συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με την ορθοφωτογραφία και παρατηρούμε πως οι αρχικές δορυφορικές εικόνες είναι κατώτερες αυτής, ενώ οι συμπτυγμένες έχουν καλή αντίθεση και χωρική ανάλυση. Παρόλα αυτά, οι τεχνικές HIS και Brovey, έχασαν φασματική πληροφορία, με αποτέλεσμα εμφανίσεις που είναι ευαίσθητες στο εγγύς υπέρυθρο, όπως η βλάστηση, να έχουν αλλοιωμένη τιμή ανακλαστικότητας. Η SFIM ήταν χρωματικά σαφώς βελτιωμένη, αλλά είχε απώλειες σε επίπεδο χωρικής ανάλυσης. Η PCI Geomatica παρείχε την καλύτερη πληροφορία, αναδεικνύοντας συνοδές προς τις κατολισθήσεις εμφανίσεις με καλή αντίθεση και ευδιάκριτο τρόπο. Τα αποτελέσματα, που φαίνονται στην εικόνα 3, επιβεβαιώνονται και με στατιστικό έλεγχο, μέσω συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των συμπτυγμένων καναλιών με τα αρχικά, όπου η μέθοδος PCI Geomatica είχε τη μεγαλύτερη συσχέτιση.
Συμπεράσματα
Η πολύ καλή ακρίβεια των αποτελεσμάτων καταγραφής των κατολισθήσεων της περιοχής, της τάξης του 70%, αναδεικνύουν τη χρησιμότητα φωτοερμηνείας δορυφορικών εικόνων αφενός για τον εντοπισμό των κατολισθήσεων (εικόνες SPOT) και αφετέρου για την ποιοτική ερμηνεία συνοδών προς αυτές χαρακτηριστικών (εικόνα IKONOS).
