Εφαρμογή Μεθόδων Τηλεανίχνευσης στην Παρακολούθηση...

90 Πανελλήνιο Συνέδριο Υδροτεχνικής Ένωσης – Θεσσαλονίκη 2-5 Απριλίου 2003

Π.Α -1-

ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΕΘΟ∆ΩΝ ΤΗΛΕΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΟΧΡΟΝΙΚΗΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΟΥ

ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΟΡΩΝΕΙΑΣ

Πήττας Ανδρέας Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης – Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών

Τοµέας Υδραυλικής & Τεχνικής Περιβάλλοντος 54006, Θεσσαλονίκη

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η λίµνη Κορώνεια στην κεντρική Μακεδονία αποτελεί έναν από τους σηµαντικότερους υγρότοπους της χώρας µας. Η περιοχή του οικοσυστήµατος της λίµνης προστατεύεται από την συνθήκη Ramsar, Natura 2000 καθώς και µε την κοινοτική οδηγία (E.O.K 79/409). Ωστόσο η λίµνη Κορώνεια τα τελευταία χρόνια και συγκεκριµένα από το 1990 βρίσκεται σε ένα εντατικό καθεστώς «πίεσης», µε άµεσο αποτέλεσµα µία συνεχή πτωτική πορεία αναφορικά µε τα ποιοτικά και τα ποσοτικά της χαρακτηριστικά. Επιχειρήθηκε η τηλεανίχνευση του δυναµικά εξελισσόµενου αυτού οικοσυστήµατος µε κάλυψη από 4 ορθοεικόνες Landsat και µε τη χρήση Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών. Χρησιµοποιώντας κατάλληλες τεχνικές, και θεωρώντας ως αναφορά την κατάσταση της λίµνης το 1970, είµαστε σε θέση να χαρτογραφήσουµε χωροχρονικά την εξέλιξη του υγροτοπικού αυτού συστήµατος την τελευταία δεκαετία.

APPLICATION OF SATELLITE IMAGERY IN MONITORING THE

LAKE KORONIA SHORELINE CHANGE (NORTH GREECE)

Pittas Andreas Aristotle University of Thessaloniki – Department of Civil Engineering

Division of Hydraulics & Environmental Engineering 54006, Thessaloniki

ABSTRACT

The lake Koronia, located in central Macedonia, is one of the most important biotope of our country. The ecosystem of the lake is a protected area based on the Ramsar, Natura 2000 and the 79/409 European directive. Nevertheless, the Koronia Lake, during the last years and more specifically after 1990, is experiencing strong pressures from irrigation and industrial activity, resulting in a continuous fall regarding its quantitative and qualitative characteristics. The current work focuses on the study of the environment of the lake based on satellite data of 4 Landsat images and the use of Geographical Information Systems. More specifically, the time and space evolution of the lake system during the last decade was maped, using the most appropriate techniques and having as a starting point the situation of the lake in 1970.


Π.Α -2-

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η ανθρωπογενής

επίδραση στο περιβάλλον ακολουθεί µία ραγδαία και ανεξέλεκτη τάση. Αναµφισβήτη διαπίστωση αποτελεί η σταδιακή ερηµοποίηση συγκεκριµένων περιοχών, η ταχύτατη εξαφάνιση οικοσυστηµάτων, η ολοκληρωτική εγκατάλειψη αγροτικών εκτάσεων, η σταδιακή αποξήρανση υγροτόπων και η συνεχής πολεοδοµική δόµηση κατά µήκος ακτών (Cracknel, 1999; Doerffer et al, 1999). Οι ανωτέρω, επί τω πλείστον αρνητικές επιδράσεις, έχουν καταδείξει σε σηµαντικό βαθµό τον ουσιώδη ρόλο που δύναται να διαδραµατίσει η συνεχής παρακολούθηση της µεταβολής της οικολογικής κατάστασης των οικοσυστηµάτων. Μία απάντηση στον ανωτέρω προβληµατισµό έρχεται να δώσει η εφαρµογή «περισσότερης και καλύτερης ποιότητας τεχνολογίας».

Τα τελευταία χρόνια η αναβάθµιση των δορυφορικών λήψεων τόσο σε επίπεδο συστηµάτων καταγραφής όσο και σε επίπεδο επεξεργασίας των απεικονίσεων, σε συνδυασµό µε την εξέλιξη των Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών (G.I.S) ανέδειξαν µία σειρά από µεθοδολογίες σε εργαλεία λήψης απόφασης νοµικής, διοικητικής και οικονοµικής υφής (Burrough & McDonnell, 1999; Mather, 1999). Εφαρµογή των ανωτέρω τεχνικών λαµβάνει χώρα διεξοδικά στην παρούσα εισήγηση µε σκοπό την παρακολούθηση της χωροχρονικής εξέλιξης της λίµνης Κορώνειας από το 1990 ως σήµερα. Με ευρεία χρήση Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών και επεξεργασίας ∆ορυφορικών εικόνων είµαστε σε θέση: (1) να εξακριβώσουµε την κατάσταση στο χώρο του λιµναίου ταµιευτήρα κατά την τρέχουσα περίοδο, (2) να διερευνήσουµε τη χωροχρονική εξέλιξή του την τελευταία δεκαετία και (3) να απεικονίσουµε χαρτογραφικά τη µεταβολή στο οικοσύστηµα. Μία τέτοια διερεύνηση αναδεικνύει την υπεροχή των ανωτέρω µεθοδολογιών για την περιβαλλοντική παρακολούθηση και έρευνα παράκτιων, δελταϊκών και λιµναίων οικοσυστηµάτων (Yang et al, 1999). Η παρούσα εργασία αποτελεί τµήµα µελέτης που εκπονήθηκε για την Νοµαρχιακή Αυτοδιοίκηση Θεσσαλονίκης σε συνεργασία µε την αναπτυξιακή εταιρεία ΑΝΑΤΟΛΙΚΗ Α.Ε. 2. ΦΥΣΙΟΓΡΑΦΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 2.1 ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ

Η λίµνη Κορώνεια εντάσσεται γεωµορφολογικά στο εκτεταµένο τεκτονικό βύθισµα της Μυγδονίας λεκάνης (Ψιλοβίκος, 1977) στον χώρο της κεντρικής Μακεδονίας (Σχ.1). Απέχει 15 Km περίπου από το πολεοδοµικό συγκρότηµα της Θεσσαλονίκης. Μαζί µε την Βόλβη και τα στενά της Ρεντίνας συνιστούν έναν από τους σηµαντικότερους υγρότοπους της χώρας. Η περιοχή χαρακτηρίζεται επί το πλείστον ως αγροτική µε αρκετές βιοτεχνικές και βιοµηχανικές µονάδες. Εξαιτίας της ευρύτητας του υδροβιότοπου η περιοχή αποτελεί ένα σηµαντικό πέρασµα πολλών αποδηµητικών πτηνών (Υ.ΠΕ.ΧΩ.∆.Ε, 1996). Επιπλέον το υγροτοπικό σύστηµα των δύο λιµνών προστατεύεται από τη συνθήκη Ramsar, Natura 2000 καθώς και µε την κοινοτική οδηγία E.O.K 79/409.


Π.Α -3-

2.2 ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ Το Μυγδονιακό τεκτονικό βύθισµα (Ψιλοβίκος, 1977) διαχωρίζει

γεωµορφολογικά και γεωγραφικά τη χερσόνησο της Χαλκιδικής από τον ορεογραφικό άξονα της κεντρικής Μακεδονίας (Σχ.1). Στην ζώνη του εκτεταµένου, Α-∆ διεύθυνσης, επίµηκους τεκτονικού βυθίσµατος της Μυγδονίας και κατέχοντας τις δυτικές παρειές αυτού, εντάσσεται η υπολεκάνη Λαγκαδά. Η υπολεκάνη Λαγκαδά οριοθετείται ανατολικά από τα υψώµατα Στίβου-Σχολαρίου, ενώ προς τα δυτικά καλύπτει την περιοχή

µέχρι τον ορεινό όγκο της Καµήλας. Τα κατάντη γεωµορφολογικά τµήµατα αυτής καλύπτονται από τον ταµιευτήρα της λίµνης Κορώνειας. Η λίµνη Κορώνεια καταλαµβάνει το δυτικό τµήµα της υπολεκάνης µε µέσο υψόµετρο του ταµιευτήρα +75µ. και συνολική έκταση 46,9Km2 περίπου (κατάσταση λιµναίου ταµιευτήρα τη χρονική 1970-1975). 2.3 ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΛΟΓΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ

Η λίµνη Κορώνεια τα τελευταία χρόνια και συγκεκριµένα από το 1990 βρίσκεται σε ένα εντατικό καθεστώς «πίεσης» µε άµεσο αποτέλεσµα µία συνεχώς πτωτική εξέλιξη αναφορικά µε τα ποιοτικά και τα ποσοτικά της χαρακτηριστικά. Η πτώση της λιµναίας στάθµης, η µείωση του όγκου των υδαταποθεµάτων σε συνδυασµό µε τις εντατικές αντλήσεις των υπόγειων υδροφόρων, οδήγησε µονοσήµαντα στην διατάραξη του υγροτοπικού συστήµατος. Ταυτόχρονα η ποιοτική υποβάθµιση των επιφανειακών υδάτων από τις ανθρώπινες δραστηριότητες οδήγησε το καλοκαίρι του 1995 σε οµαδικό θάνατο τα εναποµείναντα είδη ψαριών της λίµνης (Υ.ΠΕ.ΧΩ.∆.Ε, 1996). Εφεξής η λίµνη καθίσταται υπερτροφική µε επακόλουθη σταδιακή συνεχή πτώση στάθµης του λιµναίου ταµιευτήρα και επακόλουθη αύξηση των αποκαλυφθεισών εκτάσεων µε τη µορφή «περιµετρικών δακτυλιδιών». Η σηµερινή κατάσταση της λίµνης δεικνύει ένα βάθος περίπου 50cm στο ανατολικό τµήµα της (Μαϊος

Σχήµα 1: Ευρύτερη περιοχή του υγροτοπικού συστήµατος των λιµνών Κορώνειας-Βόλβης και των ζωνών προστασίας Α,Β Ramsar.


Π.Α -4-

2002). Οι αποκαλυφθείσες εκτάσεις χαρακτηρίζονται από την παρουσία λάσπης, αυξηµένου ρυπαντικού και οργανικού φόρτου κάτω από ένα καθεστώς που εµφανίζεται πλέον ως µη αντιστρεπτό. 3. ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ ∆Ε∆ΟΜΕΝΑ

Για την αξιολόγηση της χωροχρονικής εξέλιξης του λιµναίου ταµιευτήρα της Κορώνειας χρησιµοποιήθηκαν τέσσερις δορυφορικές εικόνες (2 LANDSAT-5 MSS) και (2 LANDSAT-7 ΕΤΜ) µε ηµεροµηνίες αντίστοιχα 5/7/1995, 19/7/1999, 7/2/2001, 10/2/2002. Οι εικόνες συγκροτούνται από έξι κανάλια ορατού φάσµατος χωρικής ανάλυσης 30x30µ ανά εικονοστοιχείο και ένα κανάλι θερµικής ακτινοβολίας, ανάλυσης 60x60µ. για τη σειρά LANDSAT-7 ΕΤΜ. Οι τιµές ανάκλασης της ακτινοβολίας καταγράφονται µε µορφή εικονοστοιχείων, αντιστοιχίζονται δε µε ψηφιακούς αριθµούς θεωρώντας κβάντιση της ανάκλασης της ακτινοβολίας σε 256 επίπεδα του γκρίζου [8-bit]. Η ανάλυση των δορυφορικών εικόνων έλαβε χώρα µε τη βοήθεια του λογισµικού ψηφιακής επεξεργασίας τηλεπισκοπικών απεικονίσεων ERDAS Imagine 8.5 καθώς και του λογισµικού ArcGIS 8.2. 3.1 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ∆ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ

Η ανάλυση των δορυφορικών εικόνων στηρίχθηκε στο γεγονός ότι οι τιµές της έντασης της ανακλώµενης ακτινοβολίας, πάνω από µία υδάτινη µάζα εξαρτώνται από το βάθος του νερού, την περιεκτικότητα του σε αιωρούντα συστατικά, σωµατίδια φυτοπλαγκτού καθώς και διαφόρων ρυπαντικών ουσιών (Gordon et al, 1975). Η επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων καθοδηγείται από τρία βασικά στάδια (Συλλαίος, 2000). Το πρώτο, γνωστό και ως «Προεπεξεργασία εικόνας» βελτιστοποιεί ποιοτικά την εικόνα, µε µία σειρά από διορθώσεις (Γεωµετρικές, Ραδιοµετρικές, Καταγραφής). Το δεύτερο στάδιο καλύπτει τις διεργασίες που περιλαµβάνουν την «Ανάκτηση και Βελτίωση» της εικόνας, τον µετασχηµατισµό του οπτικού τρόπου παρουσίασης της, µε στόχο την πληρέστερη µετέπειτα ερµηνεία της. Το τρίτο στάδιο περιλαµβάνει τις τεχνικές ταξινόµησεις της δορυφορικής εικόνας. 3.1.1. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Αρχικά µε τη χρήση ειδικού αλγόριθµου (destriping) εξαλείφθηκε ο περιοδικός θόρυβος µε τη µορφή ζώνωσης που παρατηρήθηκε επιλεκτικά στα φασµατικά κανάλια 2 και 3. Για την αντιµετώπιση του περιοδικού θορύβου µε τη µορφή ζώνωσης εφαρµόστηκαν δυό αντιπροσωπευτικά φίλτρα Fourier, το φίλτρο Butterworth και το φίλτρο Hanning (Gonzales & Wintz, 1987). Μετέπειτα ακολούθησε γεωµετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων στο σύστηµα συντεταγµένων Ε.Γ.Σ.Α’87. Κατά τη διόρθωση (ορθοαναγωγή) των εικόνων περιορίστηκε το αρχικό µέγεθός τους, ώστε να καλύπτουν αποκλειστικά και µόνον την άµεση περιοχή του λιµναίου ταµιευτήρα της Κορώνειας (Σχ.2).


Π.Α -5-

Σαράντα σηµεία επίγειου ελέγχου ευδιάκριτα στις ψηφιακές πολυφασµατικές απεικονίσεις, επιλέχθησαν από θεµατικούς Ορθοφωτοχάρτες του Υπουργείου Γεωργίας (1995) και αποτέλεσαν τη βάση για την γεωµετρική διόρθωση των δορυφορικών εικόνων. Με τη χρήση κατάλληλου πολυωνυµικού µετασχηµατισµού δευτέρου βαθµού (Toutin, 1995; Jensen, 1986), έλαβε χώρα η ορθοαναγωγή των εικόνων. Η µέθοδος αυτή λαµβάνει υπόψη της τη θέση και την κατανοµή των σηµείων επίγειου ελέγχου, εξασφαλίζοντας τη µεγαλύτερη και ακριβέστερη δυνατή προσαρµογή αυτών µε τα εικονοστοιχεία της δορυφορικής εικόνας (Bernstein, 1983). Σύµφωνα µε τους (Dai & Khorram, 1988) το µέσο τετραγωνικό σφάλµα (RMS) για πολυφασµατικά δεδοµένα τύπου LANDSAT µε διακριτική ικανότητα 30m., γίνεται αποδεκτό όταν έχει τιµή µικρότερη από το ½ της διακριτικής ικανότητας της δορυφορικής εικόνας (σε µέγεθος εικονοστοιχείου). Στην προκειµένη περίπτωση το µέσο τετραγωνικό σφάλµα υπολογίστηκε σε (RMS=0.3 για τις ορθοανηγµένες εικόνες αποτέλεσµα που δεικνύει ακρίβεια διόρθωσης πλέον αποδεκτή των 10m. Οι προκύπτουσες ορθοεικόνες εξασφαλίζουν θεµατική, χωρική ακρίβεια και παρόµοιες συντεταγµένες µε τα χαρτογραφικά υποβάθρα αναφοράς (ορθοφωτοχάρτες). Μετά την υλοποίηση του µετασχηµατισµού υλοποιήθηκε αναδόµηση (resampling) των ραδιοµετρικών τιµών µε τη µέθοδο «εγγύτερου σηµείου» (nearest neighbor) σε µέγεθος εικονοστοιχείου 30x30µ. (ERDAS, 1999). Μεθοδολογία που συνίσταται όταν έπεται διαδικασία ταξινόµησης της εικόνας, λόγω του ότι διατηρεί τις αρχικές τιµές φωτεινότητας των εικονοστοιχείων (Lillesand et al 1994). Οι ραδιοµετρικές διορθώσεις της δορυφορικής εικόνας, είθισται να λαµβάνουν χώρα τόσο πριν από τις τεχνικές ταξινόµησης, όσο και πριν από την εφαρµογή γεωµετρικών διορθώσεων και διαδικασιών αναδόµησης της ψηφιακής εικόνας (Αργιαλάς, 2000).

Σχήµα 2: RGB σύνθετα ΤΜ321 των διαδοχικών εικόνων LANDSAT.


Π.Α -6-

3.1.2.ΑΝΑΚΤΗΣΗ – ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ Στη συνέχεια τα πολυφασµατικά δεδοµένα βελτιστοποιούνται µε σκοπό την ενίσχυση (Pitas, 1993) του οπτικού τρόπου παρουσίας τους, µε την αύξηση της διακριτικής ικανότητας µικρών ραδιοµετρικών διαφορών των εικονοστοιχείων, οι οποίες δεν είναι άµεσα αναγνωρίσιµες. Η ψηφιακή ενίσχυση των πολυφασµατικών δεδοµένων, έλαβε χώρα επεκτείνοντας τη διαβάθµιση του τόνου µε την τεχνική της ισοδυναµοποίησης του ιστογράµµατος (Pratt, 1978) (De-equalized). Η ανωτέρω επέµβαση συµβάλλει τα µέγιστα στη διεύρυνση της αντίθεσης (contrast-stretching) της εικόνας εισόδου και στην διευκόλυνση της φωτοερµηνείας των απεικονίσεων (Jensen, 1986). 3.1.3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ Η ταξινόµηση πολυφασµατικών δορυφορικών δεδοµένων χρησιµοποιείται ευρέως και µε επιτυχία για την θεµατική χαρτογράφηση φυσιογραφικών και βιοφυσικών κλάσεων της γήινης επιφανείας (Mather, 1999). Η ταξινόµηση των δορυφορικών εικόνων έχει δείξει µία ακρίβεια στην αξιολόγηση της τάξης του 80% (Duda & Hatt, 1973). Η ταξινόµηση του υγρού στοιχείου εµφανίζει αποτελέσµατα µε ακρίβεια της τάξης του 90% (White et al, 1993). Ο αλγόριθµος ISODATA (Iterative Self Organized Data Analysis) (Ball & Hall 1967, Duda & Hart 1973, Bow 1992) εφαρµόζεται µε µεγάλη επιτυχία σε πολυσύνθετα οικοσυστήµατα καθώς και σε εδάφη µε µεγάλες τιµές εδαφικής υγρασίας (Richards,

1993). Ο υπολογισµός της οµοιότητας µεταξύ των ραδιοµετρικών τιµών των θεµατικών κλάσεων, συνιστά δοµικό στοιχείο της ταξινόµησης. Επιπλέον βασική προϋπόθεση του ταξινοµητή ISODATA αποτελεί η a priori υπόθεση ότι οι ραδιοµετρικές τιµές µίας θεµατικής κλάσης τοποθετούνται σε εγγύτητα µε κάποιες άλλες όταν κάποιος συντελεστής οµοιότητας έχει την µικρότερη δυνατή τιµή (Παπαµάρκος, 2000). Ακολουθώντας τη συλλογιστική

αυτή, η µέτρηση της οµοιότητας δύναται να χρησιµοποιηθεί προκειµένου να ταξινοµηθούν οι ραδιοµετρικές τιµές σε καθορισµένες βιοφυσικές κλάσεις. Ο αλγόριθµος ISODATA, ξεκινά την διαδικασία ταξινόµησης δεχόµενος σαν κριτήριο για την ένταξη ή µη των εικονοστοιχείων σε κάποια από τις βιοφυσικές κλάσεις, την Ευκλίδεια απόσταση κάθε εικονοστοιχείου από τα κέντρα των θεµατικών κλάσεων. Η επαναληπτική διαδικασία ολοκληρώνεται, όσο ο αλγόριθµος συγκλίνει προς τα πραγµατικά κέντρα των θεµατικών κλάσεων σε συνδυασµό µε ένα κριτήριο ολοκλήρωσης (Fu, 1982). Η εφαρµογή του ταξινοµητή υλοποιήθηκε στα φασµατικά κανάλια ΤΜ345 των δορυφορικών εικόνων. Ο συνδυασµός αυτός δεικνύεται για την διάκριση ξηράς/νερού (Richards, 1993). Επικουρικά έλαβε χώρα έρευνα πεδίου στην άµεση περιοχή του

Σχήµα 3: Φασµατικό νέφος των 5 βιοφυσικών κλάσεων όπως διακρίνονται στο διάγραµµα των φασµατικών καναλιών ΤΜ54.


Π.Α -7-

υγροτοπικού συστήµατος της Κορώνειας ή οποία έδειξε πέντε διαφορετικές βιοφυσικές κλάσεις αναφορικά µε τις χρήσεις γης: (1) Λιµναίος ταµιευτήρας (2) Παραλίµνια βλάστηση (καλαµιώνες) (3) ∆άση αειφύλλων-πλατυφύλλων (4) Χορτολιβαδικές εκτάσεις (5) Αροτριαίες εκτάσεις. Ο αλγόριθµος εφαρµόστηκε µε την εκ των προτέρων γνώση των ανωτέρω 5 βιοφυσικών κλάσεων. Στο φασµατικό νέφος (Σχ.3) διακρίνεται η θεµατική κλάση 1 του Λιµναίου ταµιευτήρα σε σαφή διάκριση µε τις λοιπές κλάσεις.

3.2 ΤΕΛΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ ∆ΙΑΚΡΙΣΗΣ ΛΙΜΝΑΙΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ

Μετά το στάδιο της ταξινόµησης των δορυφορικών εικόνων, διαπιστώθηκαν ολιγάριθµες χωρικές συγκεντρώσεις εικονοστοιχείων εντός των τελικά αξιολογηθέντων θεµατικών κλάσεων. Πρόκειται για εικονοστοιχεία τα οποία πρεσβεύουν µικρές σε έκταση βιοφυσικές κλάσεις (συστάδες αειφύλλων–πλατυφύλλων εντός χορτολιβαδικών εκτάσεων) ή αρκετές φορές και σφάλµατα. Με απώτερο στόχο τη διάκριση των κυρίαρχων βιοφυσικών κλάσεων, οι «νησίδες» αυτές είθισται να ενσωµατώνονται σε κάποια κυρίαρχη (Burrough and McDonnell, 1999). Η εφαρµογή ενός φίλτρου εξοµάλυνσης 3x3 είναι σε θέση να αποµονώσει τις υψίσυχνες λεπτοµέρειες της εικόνας (θόρυβο, µεµονωµένα

εικονοστοιχεία) και να αποδώσει τα αναµενόµενα αποτελέσµατα (ERDAS, 1999). Η ραδιοµετρικά-γεωµετρικά ενισχυµένη και ταξινοµηµένη εικόνα µετατρέπεται από ψηφιδωτή µορφή (Raster) σε διανυσµατική (Vector) µε στόχο την ταύτιση των ψηφιδωτών θεµατικών τάξεων µε την θέση ενός πολυγώνου στη διανυσµατική του αναπαράσταση (Κουτσόπουλος, 2002). Με τη χρήση ειδικού αλγόριθµου (raster to vector) οριοθετείται η ξηρά από τον λιµναίο ταµιευτήρα. Συνήθως µία τέτοια τεχνική, οδηγεί σε διανυσµατικά παράγωγα µε οδοντωτή τροχιά (zigzag - stair step effect). Εφαρµόζωντας µία συνάρτηση spline εξοµαλύνεται η προκύπτουσα ακτογραµµή (Pavlidis, 1982; Burrough and McDonnell, 1999). Μολονότι

Σχήµα 4: Σταδιακά αποκαλυφθείσες εκτάσεις λιµναίου ταµιευτήρα Κορώνειας κατά τις περιόδους 1.) 1970 2.) 5/7/1995 3.) 29/7/1999 4.) 7/2/2001 5.) 10/2/2002.


Π.Α -8-

η Spline δεικνύεται σαν τους καλύτερους εκτιµητές διανυσµάτων που προκύπτουν από ψηφιδωτές εικόνες, ωστόσο µία εκπαίδευση εξοµάλυνσης στο σύστηµα, για την εξακρίβωση της ικανοποιητικότερης τιµής ανοχής κρίνεται απαραίτητη. (Piwowar et al, 1990). Η µεθοδολογία που εφαρµόστηκε για την παρακολούθηση της εξελικτικής χωροχρονικής πορείας του λιµναίου ταµιευτήρα της Κορώνειας είχε σαν αποτέλεσµα: α) την παραγωγή χαρτογραφικών υποβάθρων και β) την στατιστική αξιολόγηση της ταξινόµησής µας. Πρώτο µέληµα µετά την ταξινόµηση των εικόνων αποτέλεσε η κατασκευή «χωρικής µάσκας» η οποία καλύπτει τις επάλληλες στιγµιογραφήσεις των δορυφορικών εικόνων (Σχ.4). Τα αποτελέσµατα αναφορικά µε την εξέλιξη της πτώσης στάθµης διακρίνονται στον πίνακα 1.

Πίνακας 1: Χωροχρονική εξέλιξη έκτασης λιµναίου ταµιευτήρα Κορώνειας 4. ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗΣ

Απαραίτητη διαδικασία µετά την ταξινόµηση των δορυφορικών εικόνων σε κλάσεις εδαφικής κάλυψης, αποτελεί η εκτίµηση ακρίβειας της µεθόδου ταξινόµησης (accuracy assessment). Ένας παράγοντας που οδηγεί στην ορθότερη εκτίµηση των αποτελεσµάτων αποτελεί η κατά το δυνατόν χρονική σύµπτωση εργασιών πεδίου και λήψης των δορυφορικών εικόνων (Ρόκος, 1988). Στο στάδιο έρευνας πεδίου ακολουθήθηκε ένα σχήµα δειγµατοληψίας µε τη βοήθεια G.P.S. Έλαβε χώρα δειγµατοληψία επίγειων σηµείων ελέγχου µε γνωστές συντεταγµένες τα οποία εντάχθηκαν στην κλάση εδαφικής κάλυψης που ανήκουν πραγµατικά. Συλλέχθησαν 250 σηµεία έρευνας πεδίου τα οποία µε τη βοήθεια των αντιστοίχων σηµείων δειγµατοληψίας από τις ταξινοµηµένες εικόνες, συντέθηκε ο πίνακας σύγχυσης (Congalton, 1991) (confusion matrix). Ο πίνακας σύγχυσης αποτελεί µία περιγραφική στατιστική προσέγγιση µε στόχο τη σύγκριση ανάµεσα στα αποτελέσµατα της ταξινόµησης και των δεδοµένων έρευνας πεδίου. Σύµφωνα µε το σκεπτικό αυτό, η µέθοδος υποδηλώνει τη πιθανότητα ορθής ταξινόµησης

ενός εικονοστοιχείου σε σχέση µε τις τιµές αναφοράς (δεδοµένα πεδίου). Για την αξιολόγηση του βαθµού κατά τον οποίο λαµβάνει χώρα σύµπτωση τιµών σαν προϊόν αληθούς και όχι τυχαίας συµφωνίας, ανάµεσα στην ταξινοµηµένη εικόνα και τα δεδοµένα έρευνας πεδίου, o Cohen 1960 χρησιµοποιεί τον δείκτη Κ (Lo & Watson

1998). Ο δείκτης Κ αντιπροσωπεύει µία διακριτή πολυµεταβλητή εξίσωση µε διακύµανση τιµών στο διάστηµα [0,1]. Τιµές του δείκτη Κ συγκλίνουσες προς το 0 καθιστούν προϊόν τυχαίου γεγονότος τη συµφωνία τιµών. Ο µαθηµατική διατύπωση του δείκτη Κ βρίσκει έκφραση µε τη εξίσωση (4.1) (Congalton & Green 1999). Όπου κ ο αριθµός των

Περιοχή αξιολόγησης Χρονολογία Πηγή ∆εδοµένων Έκταση Km2

Ταµιευτήρας Κορώνειας

1970 Γ.Y.Σ - 1: 50000 46.9

5/7/1995 Landsat MSS 38,7 29/7/1999 Landsat MSS 37,2 7/2/2001 Landsat TM 11.15

10/2/2002 Landsat TM 4.81

∑

∑∑

=++

=++

=

−

−=Κ k

ii

k

ii

k

iii

nnn

nnnn

i

i

1

2

11

)*(

)*(

(4.1)


Π.Α -9-

γραµµών του πίνακα, nii τα στοιχεία της κύριας διαγωνίου, ni+ και n+i τα µερικά αθροίσµατα κατά γραµµή και στήλη αντίστοιχα και n ο αριθµός των εικονοστοιχείων. Στην διαδικασία εκτίµησης του δείκτη Κ τα επίγεια σηµεία ελέγχου τα οποία συλλέχθησαν στο στάδιο έρευνας πεδίου, χρησιµοποιήθηκαν σαν δεδοµένα αναφοράς προς σύγκριση µε τα αποτελέσµατα της µη επιτρεπόµενης ταξινόµησης (αλγόριθµος - ISODATA). Η εκτίµηση του δείκτη Κ προσδιορίστηκε για την βιοφυσική κλάση “Λιµναίος ταµιευτήρας» και έδειξε εκτίµηση ακρίβειας 97,18% (πίνακας 2) ποσοστό που καθιστά απολύτως ενδεδειγµένη την µεθοδολογία που ακολουθήθηκε για χαρτογράφηση και ενηµέρωση χαρτογραφικών υποβάθρων σε κλίµακες ως 1:25000.

Πίνακας 2: Εκτίµηση του δείκτη Κ, για την Βιοφυσική κλάση «Λιµναίος Ταµιευτήρας». 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η πιλοτική εφαρµογή τεχνικών ∆ορυφορικής τηλεπισκόπησης και

Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών (G.I.S) στα πλαίσια περιβαλλοντολογικών ερευνών παρακολούθησης, αξιολόγησης και αποκατάστασης οικοσυστηµάτων είναι σε θέση να αποφέρει σηµαντικά αποτελέσµατα και εµπειρία. Σε επίπεδο δράσης, επιβάλλεται προκεχωρηµένο Σύστηµα Περιβαλλοντολογικής Πληροφόρησης µε συνδυασµένη χρήση ∆ορυφορικών δεδοµένων υψηλής ευκρίνειας, ψηφιακών µοντέλλων εδάφους, µετεωρολογικών συστηµάτων παρακολούθησης και δεδοµένων υπαίθριας παρατήρησης. Η δηµιουργία τράπεζας πληροφοριών µε συνέπεια και συνέχεια στη συστηµατική συλλογή δεδοµένων είναι σε θέση να οδηγήσει στη λήψη συνδυαστικών δράσεων για τη διάσωση ευαίσθητων οικοσυστηµάτων, όπως αυτό της λίµνης Κορώνειας. Η «περισσότερη και καλύτερης ποιότητας τεχνολογία» των

µεθοδολογιών τηλεανίχνευσης αναδεικνύεται σε πρωταγωνιστικό εργαλείο λήψης απόφασης.

Κλάση Εικονοστοιχεία Ταξινοµηθέντα

∆ειγµατοληψία Πεδίου

Εικονοστοιχεία Λίµνης

Εκτίµηση ακριβείας

∆είκτης Κ

Ταµιευτήρας Κορώνειας

71 69 50801 97.18% 1


Π.Α -10-

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Adam, R. N. and Gangopadhyay, A. 1997. Data base issues in

Geographic Information Systems. Norwell Mass: Kluwer. Αργιαλάς, ∆. Π. 2000. Φωτοερµηνεία-Τηλεπισκόπηση. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης, Τµήµα Αγρονόµων Τοπογράφων. Εκδόσεις Ε.Μ.Π.

Ball, G.H. & Hall, D.J. 1967. ISODATA: An iterative method of multivariate analysis and pattern classification. Proc. IEEE Int. Communications Conf., 1966.

Burrough, P. and McDonnell, R. 1999. Principles of Geographic Information Systems. Oxford University Press, New York, 333 pp.

Bernstein, R. 1983. Image Geometry and Rectification. Chapter 21, In the Manual of Remote Sensing, R. N. Colwell, ed. Bethesda, MD. American Society of Photogrammetry, 1:875-881.

Bow, S.T. 1992. Pattern Recognition and Image Preprocessing. Marcel Dekker, N.Y, 1992.

Congalton, R.G. 1991. A review of assessing the accuracy of classifications of remotely sensed data. Remote Sensing., 53(12): 1659-1663.

Congalton, R.G. & Green, Κ. 1999. Assessing the accuracy of remotely sensed data Principles and practices. Lewis Publishers. Boca Raton, FL.

Cracknell, A.P. 1999. Remote sensing techniques in estuaries and coastal zones – an update. Int. Journal Remote Sensing., Vol.20, No3: 485-496.

Dai & Khorram, 1988. The effects of Image Mis-registration on Remotely sensed change detection. IEEE Trans. Geoscience & Remote Sensing. 36(5): 1566-1577.

Doerffer, R., Sorensen, K., Aiken, J. 1999. MERIS potential for coastal zone applications. Int. Journal Remote Sensing, Vol. 20, No.9: 1809-1818.

Duda, R.O. and Hart, P.E., 1973. Pattern Classification and Scene Analysis, Wiley, N.Y, 345 pp.

ERDAS, 1999. “Erdas Field Guide” Erdas Incorporated, Atlanta, Fourth ed. GA, 672 pp.

Gordon H., Brown O., Jacobs M., 1975. Journal of Applied optics. 14: 417-427.

Gonzales, R.C. and Wintz, P. 1987. Digital image Processing, 2nd ed., Addison-Wesley. Fu, K.S., 1982. Introduction appeared in Applications of Pattern

Recognition, edited by K.S. Fu, CRC Press, Boca Raton. Lillesand, Th.M. and Kiefer, R.W., 1994. Remote sensing and image

interpretation. Wiley, N.Y, 750 pp. Lo, C.P. and L.J. Watson, 1998. The influence of geographic sampling

methods on vegetation map accuracy evaluation in a swappy environment. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 63: 79-86.

Mather, P. 1999. Computer Processing of Remotely-Sensed Images, An Introduction, 2nd ed. Wiley, New York , 350 pp.

Παπαµάρκος, Ν., 2000. Ψηφιακή επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Εκδόσεις ∆ηµοκρίτειου Πανεπιστηµίου Ξάνθης.


Π.Α -11-

Piwowar, J. M. et al. 1990. Integration os Spatial Data in vector and raster formats in a G.I.S environment. International Journal of Geographical Information Systems, Vol.4, No4: 429-444.

Pavlidis, T. 1982. Algorithms for graphics and image processing. Springer Verlag, Berlin.

Pitas, I. 1993. Digital Image Processing Algorithms. Prentice Hall, 362 pp. Pratt, K.W., 1978. Digital image processing, John Wiley & Sons, Inc, New York, 1978. Ρόκος, ∆., 1988. Ειδικά κεφάλαια Τηλεπισκόπησης, Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης Ε.Μ.Π.

Toutin, Th., 1995. Multi-Source data fusion with an intergrated and unified geometric modeling. EARSel Journal-Advances in Remote Sensing, 4(2): 118-129.

Jensen, J., 1986. Introductory digital image processing, Prentice-Hall. Κουτσόπουλος, Κ., 2002. Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών και Ανάλυση χώρου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου, Αθήνα, 400 pp.

Richards, J., 1993. Remote Sensing Digital Image Analysis. Springer, Berlin, 340 pp. Συλλαίος, Ν., 2000. Εισαγωγή στην Τηλεπισκόπηση και στα Γεωγραφικά συστήµατα πληροφοριών. Εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη.

White, K., Clark, R., Pohl, A., and Van Genderen, J.L. An application of image classification and auto-vectorization in charting coastlines. Coastlines of the Gulf of Mexico, American Society of Civil Engineering, N.Y., 44-55 pp.

Yang, X., Damen, M.C.J., Van Zuidam, R.A. 1999. Use of Thematic mapper imagery with a geographic information system for geomorphologic mapping in a large deltaic lowland environment. Int. Journal Remote Sensing, Vol. 20, No4: 659-681.

Υ.ΠΕ.ΧΩ.∆Ε, 1996. Περιβαλλοντική έκθεση «Σχέδιο διάσωσης Λίµνης Κορώνειας». ∆ιεύθυνση Περιβάλλοντος και Χωροταξίας Κεντρικής Μακεδονίας. Τµήµα Περιβάλλοντος.

Ψιλοβίκος, A., 1977. Παλαιογεωγραφική εξέλιξη της λεκάνης και της λίµνης της Μυγδονίας (Λαγκαδά-Βόλβης), ∆ιδακτορική ∆ιατριβή. Φ.Μ.Σ (Α.Π.Θ).

Εφαρμογή Μεθόδων Τηλεανίχνευσης στην Παρακολούθηση...

Documents