Χαρτογράφηση κατολισθήσεων με οπτικά δεδομένα και δεδομένα ραντάρ : Mελέτη περίπτωσης του Αμύνταιου, Δυτική Μακεδονία
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος:
Landslide mapping using optical and radar data: a case study from Aminteo, Western Macedonia Greece
Συγγραφείς:
Aggeliki Kyriou & Konstantinos Nikolakopoulos
Πηγή:
Kyriou, A., & Nikolakopoulos, K. (2019). Landslide mapping using optical and radar data: a case study from Aminteo, Western Macedonia Greece. European Journal of Remote Sensing https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/22797254.2019.1681905?af=R&
Εισαγωγή
Η αξιολόγηση, η πρόβλεψη και η παρακολούθηση κατολισθήσεων αποτελούν βασικά σημεία της μακροχρόνιας έρευνας κατολισθήσεων, καθώς είναι ο πιο ευρέως διαδεδομένος γεωκίνδυνος σε παγκόσμια κλίμακα. Έτσι, αρκετές μελέτες σχετίζονται με την ανάπτυξη μεθοδολογιών για την εκτίμηση της ευπάθειας στην ολίσθηση. Συγκεκριμένα, έγινε μια προσέγγιση για την αξιολόγηση της ευπάθειας κατολισθήσεων και μια προσπάθεια να καθοριστούν οι ζώνες ευπάθειας κατολισθήσεων χρησιμοποιώντας μόνο τρέχουσες παραμέτρους όπως εντροπία (Sharma, Patel, Ghose, & Debnath, 2012). Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας έχει επικεντρωθεί στην εκμετάλλευση δεδομένων γεωσκόπησης από διαφορετικούς αισθητήρες τηλεπισκόπησης για τη χαρτογράφηση, το χαρακτηρισμό και την παρακολούθηση κατολισθήσεις. Η εργασία αυτή ασχολείται με την εκμετάλλευση οπτικών δεδομένων καθώς και με δεδομένα ραντάρ με στόχο τη χαρτογράφηση μιας κατολισθήσεως που βρίσκεται στη Δυτική Μακεδονία, Ελλάδα. Οι κύριοι στόχοι αυτής της εργασίας είναι : α) η αξιολόγηση της καταλληλότητας του Sentinel-1 για χαρτογράφηση κατολισθήσεων σε ανοιχτό ορυχείο β) να συγκρίνει την αποτελεσματικότητα των διαθέσιμων πολυφασματικών δεδομένων (Sentinel-2 και Landsat-8) στη χαρτογράφηση γ) να αξιολογγθούν τα αποτελέσματα και να αποδειχθεί εάν τα οπτικά ή τα δεδομένα ραντάρ είναι πιο αποτελεσματικά στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας.
Περιοχή μελέτης και περιγραφή κατολισθήσεων
Η περιοχή που επιλέχθηκε για τη μελέτη περιλαμβάνει το ορυχείο λιγνίτη του Αμύνταιου που βρίσκεται στην περιοχή της Δυτικής Μακεδονίας στο βορειοδυτικό τμήμα της Ελλάδας (Εικόνα 1). Η τεκτονική τάφρος της Δυτικής Μακεδονίας περιέχει τα μεγαλύτερα αποθέματα λιγνίτη της χώρας που παράγουν το 70% της ηλεκτρικής ενέργειας της Ελλάδας. Η ευρύτερη περιοχή είναι γεωλογικά δομημένη από πλειόκαινο λιγνίτη, ο οποίος εμφανίζεται κυρίως με ένθετα στρώματα, αποτελούμενοι από εναλλασσόμενα στρώματα λιγνίτη χαμηλού πάχους με πηλό και μάρμαρο. Ο ειδικός λιγνίτης είναι μαλακός, καστανός έως μαύρος και έχει κατατεθεί σε χαμηλή βλάστηση. Η κατολίσθηση εκδηλώθηκε στις 10 Ιουνίου 2017 λόγω του συνδυασμού διαφορετικών παραγόντων όπως: α) η παρουσία στρωμάτων υλικών χαμηλής αντοχής στους γεωλογικούς σχηματισμούς που περιβάλλουν την εναπόθεση λιγνίτη, β) την παρουσία βλαβών, γ) την παρουσία υπογείων υδροφορέων κάτω από το ορυχείο και την ανάπτυξη των πιέσεων του νερού και δ) τη γεωμετρία και τις μεμονωμένες πλαγιές του μετώπου εξόρυξης. Η εμφάνιση της κατολίσθησης προκάλεσε την εμφάνιση πολλών ρωγμών και αρκετών ζημιών στα σπίτια που βρίσκονται κοντά στην κορυφή της επιφάνειας ολίσθησης, οπότε οι αρχές αποφάσισαν την εκκένωση του οικισμού των Αγ. Αναργύρων.
Υλικά και μέθοδοι
Όπως έχει ήδη ειπωθεί, αυτή η εργασία επικεντρώνεται στην εκμετάλλευση πολλαπλών φασματικών σφαιριδίων καθώς και σε δεδομένα ραντάρ για χαρτογράφηση κατολισθήσεων. Έτσι, για τη περιοχή μελέτης πέντε δεδομένα Landsat-8 (Εικόνα 4) και τέσσερα δεδομένα Sentinel-2 (Εικόνα 4) ελήφθησαν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία πριν και μετά την εμφάνιση της κατολίσθησης. Όσον αφορά τα δεδομένα ραντάρ, 15 δεδομένα Sentinel-1 (Εικόνα 4) σε αύξουσα και φθίνουσα σειρά, που καλύπτουν την ευρύτερη περιοχή του ορυχείου αποκτήθηκαν και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία.
Οπτική ανάλυση δεδομένων
Η προσέγγιση της χαρτογράφησης κατολισθήσεων με χρήση πολυφασματικών δεδομένων βασίστηκε στην εφαρμογή τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας, όπως η Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (PCA) ή η Ανεξάρτητη ανάλυση συνιστωσών (ICA) και ταυτόχρονα ταυτόχρονα στην εφαρμογή της διαδικασίας αυτόματης ανίχνευσης αλλαγών. Συγκεκριμένα, η PCA είναι μια τεχνική μαθηματικής μετατροπής της αρχικής εικόνας σε ένα νέο σύνολο μη συσχετισμένων συνιστωσών που προέρχονται από φθίνουσα σειρά σπουδαιότητας εφαρμόζοντας μια κατανομή Gauss. Από την άλλη πλευρά η ICA αποτελεί μια τεχνική εξαγωγής χαρακτηριστικών υψηλής τάξης που εκτελεί έναν γραμμικό μετασχηματισμό των φασματικών ζωνών της αρχικής εικόνας. Η αυτοματοποιημένη διαδικασία εντοπισμού αλλαγών βασίζεται στην εξερεύνηση του εργαλείου παρακολούθησης ιστότοπου DeltaCue, το οποίο προσδιορίζει τις αλλαγές μεταξύ δύο ημερομηνιών ή ωρών εικόνων χρησιμοποιώντας αλγόριθμο Tasseled Cap σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία και όχι σε ευρείες περιοχές.
Ανάλυση δεδομένων ραντάρ
Όσον αφορά τη χαρτογράφηση κατολισθήσεων με χρήση δεδομένων ραντάρ, η προσέγγιση βασίστηκε στην εκτίμηση της μετατόπισης της γραμμής όρασης (LOS) καθώς και της κατακόρυφης μετατόπισης μέσω μετρήσεων της ιντερφερομετρικής φάσης.
Αποτελέσματα
Πιο αναλυτικά, όσον αφορά την ανάλυση οπτικών δεδομένων, οι θεματικές περιοχές της τεχνικής PCA και ICA που χρησιμοποιούν τα δεδομένα Landsat-8 και Sentinel-2 φαίνεται να ταιριάζουν με τα όρια της κατολισθήσεως. Ωστόσο, οι χαρτογραφημένες περιοχές που προκύπτουν από τα δεδομένα του Sentinel-2 αντιπροσωπεύουν με καλύτερο τρόπο την κατολίσθηση, η οποία μπορεί να είναι συνέπεια του γεγονότος ότι η εκχώρηση παρέχει δεδομένα με σύντομη περίοδο επανεξέτασης και επομένως τα αποτελέσματα είναι πιο κοντά στην ημερομηνία της κατολισθήσεως. Η διαδικασία αυτόματης ανίχνευσης αλλαγών, χρησιμοποιώντας το εργαλείο παρακολούθησης ιστότοπου DeltaCue είναι μια πολύ γρήγορη διαδικασία, ωστόσο τα αποτελέσματα δεν είναι τόσο ακριβή όσο τα αποτελέσματα των τεχνικών PCA και ICA. Έτσι, το εργαλείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αρχικό βήμα για τη χαρτογράφηση κατολισθήσεων, αλλά χρειάζεται μια πιο λεπτομερή προσέγγιση μεθοδολογιών ψηφιακής επεξεργασίας. Όσον αφορά την ανάλυση δεδομένων ραντάρ, τα αποτελέσματα φαίνεται να έχουν χαμηλή ακρίβεια όσον αφορά την πραγματική μετατόπιση, ωστόσο συμφωνούν με δεδομένα πεδίου από αντίστοιχη μελέτη που δείχνει την παρουσία ρωγμών στην ευρύτερη περιοχή. Επομένως, μια περαιτέρω ανάλυση ραντάρ θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε μελλοντικό στάδιο που θα περιέχει περισσότερα δεδομένα Sentinel-1 για τη βελτίωση της ακρίβειας των τελικών αποτελεσμάτων.
Συμπεράσματα
Γενικά, θα μπορούσε να ειπωθεί ότι τα δεδομένα Sentinel-1 και Sentinel-2 είναι αρκετά αποτελεσματικά για χαρτογράφηση κατολισθήσεων, ενώ η εικόνα Sentinel-1 φαίνεται αρκετά υποσχόμενη για την παρακολούθηση κατολισθήσεων. Επιπλέον, η τεχνική PCA έδωσε καλύτερα αποτελέσματα με τα δεδομένα Sentinel-2 σε σύγκριση με τα δεδομένα Landsat-8. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα οπτικά δεδομένα μπορούν να υποστηρίξουν τα δεδομένα ραντάρ παρέχοντας καλύτερη ακρίβεια και αξιοπιστία στα τελικά αποτελέσματα.
