ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ SRTM, ASTER, EU-DEM ΚΑΙ ALOS ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ.

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα «Γεωπληροφορική» Κατεύθυνση «Τοπογραφικές Εφαρμογές Υψηλής Ακρίβειας» Μεταπτυχιακή Εργασία ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΕΔΑΦΟΥΣ SRTM, ASTER, EU-DEM ΚΑΙ ALOS ΣΤΟΝ ΕΛΛΑΔΙΚΟ ΧΩΡΟ. ΕΡΜΙΔΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ Επιβλέπων Καθηγητής: Κωτσάκης Χριστόφορος Εκπονήθηκε και υποβλήθηκε για την απόκτηση του μεταπτυχιακού διπλώματος στη «Γεωπληροφορική». (Κατεύθυνση: Τοπογραφικές εφαρμογές υψηλής ακρίβειας) ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2018

2 Εξεταστική επιτροπή Χριστόφορος Κωτσάκης Βέργος Γεώργιος Βασίλειος Γρηγοριάδης Καθηγητής Αναπληρωτής Επίκουρος Καθηγητής Καθηγητής

3 Περίληψη Η ανάγκη για την κατανόηση της μορφολογίας της Γης και ως επακόλουθο αυτού τη χρήση όγκου δεδομένων τέτοιων που δεν μπορούν να αντληθούν μέσω των κλασσικών μεθόδων, είτε λόγω του μεγάλου μεγέθους της έκτασης μιας περιοχής μελέτης είτε της έντονης μορφολογίας του εδάφους, έφεραν στο προσκήνιο δορυφορικά συστήματα που με τα κατάλληλα όργανα και τεχνικές να είναι ικανά να την καλύψουν. Τα δορυφορικά συστήματα μπήκαν στον χώρο της έρευνας πριν μισό αιώνα περίπου και σήμερα είναι ένα αναπόσπαστο εργαλείο του επιστημονικού κλάδου καθώς η εξέλιξη υψηλής ακρίβειας οργάνων σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης λειτούργησαν ως καταλύτης για την κάλυψη ενός ευρέος φάσματος εφαρμογών. Ένα πολύ σημαντικό τμήμα των δυνατοτήτων τους, με το οποίο ασχολείται και η παρούσα εργασία, είναι και η δημιουργία ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Παγκοσμίου επιπέδου ερευνητικά κέντρα και δορυφορικές αποστολές όπως η NASA, η TERRA η JAXA και η ΕΕΑ έχουν καταφέρει να δημιουργήσουν Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους παγκόσμιας εμβέλειας με κάλυψη 80% - 99%. Παρά την ανάπτυξη τους, πολλές περιοχές της Γης βασίζονται σε DEM που διατίθενται ελεύθερα, τα οποία υποφέρουν από σημαντικά σφάλματα που έχουν επίπτωση σε ένα ευρύ φάσμα των γεωεπιστημών και των μηχανικών εφαρμογών. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την αξιολόγηση της ορθότητας και της ποιότητας των ψηφιακών μοντέλων εδάφους τεσσάρων δορυφορικών αποστολών : (α) Το μοντέλο SRTM-v3 της αποστολής Shuttle Radar Topography Mission (β) Το μοντέλο ASTER-v2 της αποστολής TERRA (γ) Το μοντέλο EU-DEM που είναι ένα υβριδικό προϊόν του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος που βασίζεται στον συδιασμό δεδομένων SRTM και ASTER με σταθμισμένη προσέγγιση μέσης τιμής και (δ) Το μοντέλο ALOS της Ιαπωνικής δορυφορικής αποστολής DAICHI. Εκτός από τη χωρική και στατιστική ανάλυση των παραπάνω DEM για την περιοχή της Ελλάδας και την αξιολόγηση του επιπέδου συνοχής τους, η εργασία αυτή παρουσιάζει και μία εξωτερική αξιολόγηση ακρίβειας για κάθε μοντέλο με βάση την υψομετρική πληροφορία 2000 σημείων αναφοράς εθνικού δικτύου. Η χρήση ενός λογισμικού GIS (Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών) εμφανίζεται ως η βέλτιστη επιλογής για την διαχείριση αυτών των δεδομένων αλλά και για την εξαγωγή όλης της απαραίτητης πληροφορίας για την κατάληξη των τελικών αποτελεσμάτων καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα εργαλείο τόσο για την επίλυση προβλημάτων γεωχωρικού και περιγραφικού χαρακτήρα όσο και για την λήψη αποφάσεων. i

4 Abstract The need to understand the Earth s morphology and the use of an immense load of data that cannot be derived from classic methods, either because of the large scale of the area to be studied or because of the diverse morphology of the earth, led us to develop satellite systems that provide us with the proper means and technics capable of meeting that need. These satellite systems entered the research sector about half a century ago and they are, nowadays, an integral instrument in the hands of the scientist as the development of high precision instruments in combination with the development of remote sensing precipitated the covering of a wide range of applications. A small sample of their capabilities is the creation of digital terrain models. World level research centers and satellite missions such as NASA, TERRA, JAXA and EEA have already managed to create digital terrain models with an 80%-99% global reach. Despite their development, lots of areas around the globe are based on DEM that are available for free but have significant disadvantages and negatively influence the geoscientific and engineering applications. This study deals with the evaluation of the advisability and the quality of the digital terrain models of four different satellite missions: (a) the SRTM-v3 model of the Shuttle Radar Topography Mission, (b) the ASTER-v2 of the TERRA mission, (c) the EU-DEM model that is a hybrid model of the European Environment Agency based on the fusion of SRTM and ASTER data according to a weighted approach and (d) the ALOS model of the Japanese satellite mission DAICHI. Apart from the spatial and statistical analysis of the aforementioned DEM for the continental zone of Greece and the evaluation of their cohesion level, this study presents an external precision evaluation for each model according to elevation data of 2000 reference points of the national network. The use of GIS software appears to be the best choice for managing this data but also for extracting all the necessary information to reach the final results as it can be used as a tool both to solve geo- spatial and descriptive attribute and decision-making. ii

5 Ευχαριστίες Αισθάνομαι την ανάγκη να επισημάνω την απέραντη ευγνωμοσύνη και σεβασμό μου στον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Χριστόφορο Κωτσάκη για την κατανόηση, την εμπιστοσύνη, την υποστήριξη και την υπομονή που έδειξε προς το πρόσωπο μου όχι μόνο το διάστημα της εκπόνησης της εργασίας αυτής αλλά και σε όλη τη διάρκεια του μεταπτυχιακού προγράμματος καθώς επίσης για την πληθώρα πληροφοριών και γνώσεων που μου μετέδωσε και τον σημαντικό και πολύτιμο χρόνο που μου αφιέρωσε. Επίσης θα ήθελα να εκφράσω ιδιαίτερες ευχαριστίες στην σύντροφο μου Αλίκη για την υπομονή της και την απεριόριστη στήριξη της καθ όλη τη διάρκεια του μεταπτυχιακού προγράμματος, τους γονείς μου Τάσο και Ξανθούλα, την αδερφή μου Ευγενία καθώς επίσης και τον επί χρόνια φίλο και συνάδελφο μου Γιάννη για την στήριξη τους. Δεν θα μπορούσα σε αυτό το σημείο να μην ευχαριστήσω το σύνολο του εκπαιδευτικού, διδακτικού, επιστημονικού και γραμματειακού προσωπικού του τμήματος για τις γνώσεις που μου προσέφεραν και την υποστήριξη τους. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω όλους τους φίλους και συναδέλφους που βρίσκονταν όλο αυτό το διάστημα κοντά μου. iii

6 Ακρωνύμια A ASI ASTER ALOS Agenzia Spaziale Italiana Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Advanced Land Observation Satellite B BI Bilinear Interpolation Γ ΓΣΠ ΓΥΣ Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού C C3S CAD CAMS CCD CDED CEMS CERES CGIAR CIAT CLMS CMEMS CSI CSS Copernicus Climate Change Service Computer Aided Design Copernicus Atmosphere Monitoring Service Charge Coupled Device Canadian Digital Elevation Data Copernicus Emergency Management Service Clouds and the Earth's Radiant Energy System Consultative Group on International Agricultural Research Centro Internacional de Agricultura Tropical Copernicus Land Monitoring Service Copernicus Marine Environment Monitoring Service Consortium for Spatial Information Copernicus Security Service D DPCM DEM DGM DHM DLR DRTS DSM DTM DTW-index Differential Pulse Code Modulation Digital Elevation Model Digital Ground Model Digital Height Model Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Data Relay & Tracking Satellite Digital Surface Model Digital Terrain Model Depth to Water - index iv

7 E ΕΓΣΑ87 Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς του 1987 ΕΕ Ευρωπαϊκή Ένωση EEA European Environmental Agency EGM96 Earth Gravitational Model of 1996 Eionet European Environment information and observation network EnviSat Environmental Satellite ΕΟΠ Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος EOS Earth Observing System EOSDIS Earth Observing System Data and Information System EROS Earth Resources Observation and Science Data Center ERSDAC Earth Remote Sensing Data Analysis Center EU-DEM European-Digital Elevation Model EUMETSAT European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites ESA Earth Sensor Assembly ESA European Space Agency ESRI Environmental System Research Institute F FB FDIR Fine Beam Fault detection and isolation, Recovery G GDEM Global Digital Elevation Model GEOSS Global Earth Observation System of Systems GeoTIFF Geographic Tagged Image File Format GIS Geographic Information System GGRS 1987 Greek Geodetic Reference System of 1987 GMES Global Monitoring Environment and Security GNSS Global Navigation Satellite System GN & C Guidance Navigation and Control GPS Global Positioning System H HEPOS Hellenic Positioning System HTRS07 Hellenic Terrestrial Reference System of 2007 I InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar v

8 IDGM IRU ITS Integrated Digital Elevation Modeling Inertial Reference Unit Intelligent Tracking Solutions J JAROS JAXA JPL JRC Japan Resources Observation System Organization Japan Aerospace Exploration Agency Jet Propulsion Laboratory Joint Research Center L LAEA LIDAR LMA Lambert Azimuthal Equal-Area LIght Detection And Ranging Levenberg Marquardt Algorithm M METI MetOp-SG MISR MODIS MOPITT MTG Ministry of Economy, Trade and Industry Meteorological Operational Satellite - Second Generation Multi-angle Imaging Spectroradiometer Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer Measurements of Pollution in the Troposphere MeteoSat Third Generation N NASA NED NIMA NGA NMAS ΝΝ National Aeronautics and Space Administration National Elevation Dataset National Imagery and Mapping Agency National Geospatial-Intelligence Agency National Map Accuracy Standards Nearest Neighbor P PALSAR PLR PRISM PRF Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar Polarimetry Mode Pulse Repetition Frequency Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping R RMS Root Mean Square vi

9 RMSE RGB Root Mean Square Error Red Green Blue S SAR SNR SPOT SRTM SWBD SWIR Synthetic Aperture Radar Signal to Noise Ratio Système Pour l Observation de la Terre Shuttle Radar Topography Mission SRTM Water Body Dataset Short Wave Infrared T TDRS TIFF TIN TIR Tracking & Data Relay Satellite Tagged Image File Format Triangular Irregular Network Thermal Infrared U USGS UAV UAS United States Geological Survey Unmanned Aerial Vehicles Unmanned Aerial Systems V VNIR Visible Near Infrared W WGS84 World Geodetic System of 1984 Ψ Ψ Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους vii

10 Κατάλογος εικόνων Εικόνα 1.1 DTM και DSM, Αδελαΐδα, Νότια Αυστραλία... 3 Εικόνα2.1 Διάταξη των οργάνων C-RADAR και X-RADAR στον δορυφορικό σκάφος της αποστολής SRTM Εικόνα 2.2 Η δορυφορική αποστολή Terra και τα βασικά μετρητικά όργανα του δορυφόρου 17 Εικόνα2.3 Γεωγραφική κάλυψη του ψηφιακού μοντέλου εδάφους EU-DEM χωρισμένη σε περιοχές διαστάσεων 5 ο x5 o όπως διατίθενται. 22 Εικόνα3.1 Μετατροπή συντεταγμένων από το γεωκεντρικό σύστημα ITRF2000 στο γεωδαιτικό μέσω του λογισμικού Matlab.. 32 Εικόνα3.2 Ορισμός Ε και Ν μέσα από τον εισακτέο πίνακα για την δημιουργία σημειακής χωρικής πληροφορίας 33 Εικόνα3.3 Δημιουργία αρχείου Shapefile από δεδομένα της περιγραφικής πληροφορίας Εικόνα3.4 Διαδικασία συλλογής υψομετρικής πληροφορίας στην γεωβάση των σημείων ελέγχου.. 36 Εικόνα3.5 Πρότυπη διαδρομή για την χάραξη των τομών στα ψηφιακά μοντέλα εδάφους.. 38 Εικόνα4.1 Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και του συνόλου των σημείων ελέγχου. 40 Εικόνα4.2 Αριστερά: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους SRTM Δεξιά: Ψηφιακό μοντέλο κλίσεων (Slope) που προήλθε από το DEM του SRTM.. 41 Εικόνα4.3 Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των επιλεγμένων για επεξεργασία σημείων ελέγχου 41 Εικόνα4.4 Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των ορθομετρικών υψομέτρων στα σημεία ελέγχου.. 44 Εικόνα4.5 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των ορθομετρικών υψομέτρων 46 Εικόνα4.6 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου κατά τη διεύθυνση των φ. 48 Εικόνα4.7 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου κατά τη διεύθυνση των λ. 49 Εικόνα4.8 Κλάσεις των κλήσεων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους με εύρος 5 μοίρες Εικόνα4.9 Επαναπροσδιορισμός των κλάσεων των μοντέλων κλίσεων με μοναδικές τιμές Εικόνα4.10 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και ASTER Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και ASTER Εικόνα4.11 Σύγκριση των μοντέλων SRTM και ASTER viii

11 Εικόνα4.12 Εικόνα4.13 Εικόνα4.14 Εικόνα4.15 Εικόνα4.16 Εικόνα4.17 Εικόνα4.18 Εικόνα4.19 Εικόνα4.20 Εικόνα4.21 Εικόνα4.22 Εικόνα4.23 Εικόνα4.24 Εικόνα4.25 Εικόνα4.26 Εικόνα4.27 Εικόνα4.28 ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό.. 53 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και EUD Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και EUD. 54 Σύγκριση των μοντέλων SRTM και EUD ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό.. 54 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και ALOS Σύγκριση των μοντέλων SRTM και ALOS ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του ASTER και EUD Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του ASTER και EUD. 56 Σύγκριση των μοντέλων ASTER και EUD ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του ASTER και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του ASTER και ALOS.. 57 Σύγκριση των μοντέλων ASTER και ALOS ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του EUD και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του EUD και ALOS.. 58 Σύγκριση των μοντέλων EUD και ALOS προς την κλίση και τον προσανατολισμό.. 58 Περιοχές της Ελληνικής επικράτειας στις οποίες υπάρχει ασυμφωνία μεταξύ των Ψηφιακών μοντέλων εδάφους ( >60m).. 59 Αριστερά: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους από την αποστολή ALOS στην περιοχή του π. Νέστου (Σημείο 1213) 60 Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του π. Νέστου. 61 Αριστερά: DEM από την αποστολή ALOS στην περιοχή του Ατμό- Ηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς. Δεξιά: DEM από την αποστολή SRTM στην περιοχή του Ατμό-Ηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς.. 62 Πάνω αριστερά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Πάνω δεξιά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Κάτω Αριστερά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Κάτω δεξιά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του ΑΗΣ Καρδιάς.. 64 Αριστερά: DEM από την αποστολή EUD στο φαράγγι του Βίκου (Από το ix

12 Εικόνα4.29 Εικόνα4.30 Εικόνα4.31 Εικόνα4.32 Εικόνα4.33 Εικόνα4.34 Εικόνα4.35 σημείο 400 έως το 1441). 65 Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του ΑΗΣ Καρδιάς.. 66 Δημιουργία τυχαίων σημείων στις περιοχές μελέτης για την άντληση και καταχώρηση των απαραίτητων δεδομένων στη γεω-βάση.. 69 Πάνω: Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ALOS και EUD και των σημείων ελέγχου στην περιοχή Γλυνάδο. Κάτω: Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ALOS και EUD και των σημείων ελέγχου στην περιοχή Παλαιόκαστρο Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στα σημεία ελέγχου στην περιοχή Γλυνάδο Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στην περιοχή Γλυνάδο Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στα σημεία ελέγχου στην περιοχή Παλαιόκαστρο. 73 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στην περιοχή Παλαιόκαστρο x

13 Κατάλογος πινάκων Πίνακας3.1 Πίνακας4.1 Πίνακας4.2 Πίνακας4.3 Πίνακας4.4 Τα περιγραφικά χαρακτηριστικά των ψηφιακών μοντέλων εδάφους SRTM v3, ASTER v2, EU-DEM v1.1 και ALOS v1. Πίνακας στατιστικών. 28 μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα ορθομετρικά υψόμετρα όλων των διαθέσιμων σημείων ελέγχου Πίνακας στατιστικών μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα ορθομετρικά υψόμετρα των επιλεγμένων προς επεξεργασία σημείων ελέγχου. 42 Στοιχεία των σημείων ελέγχου που περιλαμβάνονται στον έλεγχο των DSMs και η υψομετρική διαφορά τους. 67 Πίνακας στατιστικών μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα με τα υψόμετρα των σημείων που δημιουργήθηκαν από τα DEM με την χρήση συστημάτων UAV 70 xi

14 Περιεχόμενα Περίληψη... Abstract... Ευχαριστίες... Ακρωνύμια Κατάλογος εικόνων... Κατάλογος πινάκων i ii iii iv viii xi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΣΗ 1.1 Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους Σκοπός της εργασίας Δομή της εργασίας... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΕΔΑΦΟΥΣ ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ UAV 2.1 Εισαγωγή στα παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους Φωτογραμμετρική παραγωγή και Ψηφιακά μοντέλα εδάφους μέσω UAV Διαστημική αποστολή SRTM Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους SRTM Διαστημική αποστολή TERRA Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ASTER Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος και το πρόγραμμα Copernicus Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους EU-DEM Ιαπωνική δορυφορική αποστολή DAICHI Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ALOS (AW3D30) Παρόμοιες εργασίες στον Ελλαδικό χώρο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ GIS 3.1 Τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας Γεωγραφικά Συστήματα πληροφοριών (GIS Geographic Information Systems) Το λογισμικό ArcGIS Διαχείριση και Προ-επεξεργασία δεδομένων Προ-Επεξεργασία βάσεων δεδομένων Προ-Επεξεργασία Διανυσματικών δεδομένων Προ-Επεξεργασία ψηφιδωτών δεδομένων Μεθοδολογία και επεξεργασία Εισαγωγή των δεδομένων στο ArcGIS Συγκρίσεις μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των σημείων ελέγχου Συγκρίσεις των ψηφιακών μοντέλων εδάφους Δημιουργία τομών εδάφους Σύγκριση παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους με DEM από UAV.. 38

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΣΥΓΚΡΙΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Γενικές Παρατηρήσεις Ιστογράμματα συχνοτήτων Διαγράμματα διασποράς Σύγκριση των κλίσεων και του προσανατολισμού των ψηφιακών μοντέλων εδάφους Τομές των ψηφιακών μοντέλων Εδάφους σε επιλεγμένες περιοχές Τομή εδάφους στην Περιοχή του π. Νέστου (Σημείο 1213) Τομή εδάφους στην Περιοχή του Ατμό-Ηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς Τομή εδάφους στην Περιοχή του Βίκου (Από το σημείο 400 έως το 1441) Σύγκριση των UAV-DEM με τα ορθομετρικά υψόμετρα Σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους του EUD και του ALOS με τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους από UAV ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1 Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Διαδικτυακές πηγές

16 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1 Εισαγωγή 1.1 Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους Ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους είναι η αναπαράσταση των συνεχών τιμών υψομέτρου μίας επιφάνειας, αναφερόμενες σε ένα κοινό κατακόρυφο σύστημα αναφοράς. Συνεπώς είναι μια τρισδιάστατη απεικόνιση της επιφάνειας του εδάφους ενός πλανήτη ή τμήμα αυτού που δημιουργείται από δεδομένα, που περιέχουν υψομετρική πληροφορία, της επιφάνειας αυτής. Ένα ψηφιακό μοντέλο μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα raster αρχείο (δηλαδή ως ένα ψηφιδωτό εικονοστοιχείων) είτε ως vector (μέσω ενός δικτύου μη κανονικών τριγώνων TIN). Ένα τέτοιο μοντέλο μπορεί να δημιουργηθεί μέσω φωτογραμμετρικών, LIDAR, In SAR ή τοπογραφικών τεχνικών. Τα μοντέλα αυτά συνήθως κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την πληροφορία που προσφέρουν. Παρόλο που η διεθνής ορολογία είναι ξεκάθαρη, συχνά παρουσιάζεται σύγχυση κατά τα την χρήση των όρων. Οι επικρατέστεροι όροι είναι οι εξής: DEM (Digital Elevation Model): Ένα DEM χαρακτηρίζεται ως ένας ψηφιδοποιημένος (raster) κάναβος στον οποίο κάθε στοιχείο του περιέχει πληροφορία υψομέτρου της «γυμνής» επιφάνειας του εδάφους ορισμένο σε ένα επίπεδο αναφοράς. Τα DEM δεν περιέχουν πληροφορία τεχνικών ή φυσικών αντικειμένων όπως κτίρια, γέφυρες, δέντρα, εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κλπ. DTM (Digital Terrain Model): Σε αρκετές χώρες ένα DTM στην πραγματικότητα είναι συνώνυμο με ένα DEM. Σε κάποιες χώρες όμως, όπως οι Η.Π.Α, τα δύο αυτά μοντέλα έχουν κάπως διαφορετικό νόημα. Ένα DTM συνήθως δημιουργείται με την βοήθεια της στερεοσκοπικής φωτογραμμετρίας και με αυτό τον τρόπο μπορούν να αναγνωριστούν διάφορα χαρακτηριστικά του εδάφους όπως κορυφογραμμές, έντονες κοιλότητες και γραμμές 1

17 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή παραμόρφωσης με αποτέλεσμα να αυξάνεται κατά πολύ η πληροφορία που προσφέρει σε σχέση με ένα DEM. DSM (Digital Surface Model): Ένα DSM αποτελείται από τιμές υψομέτρου μιας παρατηρούμενης επιφάνειας χωρίς να έχει φιλτραριστεί κάποια ιδιαιτερότητα της. Με αυτό, εννοείται ότι περιλαμβάνει όχι μόνο χαρακτηριστικά του εδάφους αλλά και των κτιρίων, της βλάστησης, του ηλεκτρολογικού δικτύου κλπ. Επομένως ένα DSM παρέχει ένα τοπογραφικό μοντέλο της επιφάνειας της Γης με οποιοδήποτε φυσικό ή τεχνικό στοιχείο περιλαμβάνεται επάνω σε αυτήν. Για την άντληση όλης αυτής της πληροφορίας συνήθως χρησιμοποιείται κάποιο LiDAR σύστημα. Σε ένα σύστημα LiDAR (Light Detection and Ranging.), οι παλμοί του σήματος εκπέμπονται και ανακλώνται από το αντικείμενο μελέτης. Όταν ο παλμός αναπηδήσει από τον στόχο και επιστραφεί στον αισθητήρα δίνει την απόσταση του από αυτό. Έτσι, γίνεται κατανοητό, ότι αυτό που παραδίδεται στο τέλος είναι ένα νέφος σημείων γεμάτο από υψομετρικές τιμές που, όπως είναι κατανοητό, θα συμπεριλαμβάνει φυσικά και τεχνητά χαρακτηριστικά που βρίσκονται στην επιφάνεια της όπως κορυφές κτιρίων, υψομετρικές τιμές της βλάστησης κλπ. DHM (Digital Height Model): Είναι ένας όρος που δεν χρησιμοποιείται συχνά και από λάθος έχει ταυτιστεί με τον όρο DEM. Ένα DHM, αν και δεν εστιάζει στην περιγραφή της επιφάνειας, περιλαμβάνει τη χωρική αναφορά της υψομετρικής πληροφορίας εμπεριέχοντας μέσα τόσο φυσικά όσο και τεχνητά χαρακτηριστικά που υπάρχουν επάνω σε αυτή. Συνεπώς μπορούμε να πούμε ότι ένα DHM κλίνει περισσότερο σε ένα DSM παρά σε ένα DEM. DGM (Digital Ground Model): Είναι ένας όρος που ταυτίζεται τόσο πολύ με τον όρο DEM που σχεδόν έχει εξαλειφθεί. Ωστόσο τα τελευταία χρόνια έχει ενταχθεί ξανά και εφαρμόζεται σε σύγχρονες μεθόδους χωρικής ανάλυσης. Το IDGM (Integrated Digital Elevation Modeling) αφορά μία καινοτόμο μέθοδο κατά την οποία υπάρχει μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία επανασχεδιασμού ενός μοντέλου σε ένα περιβάλλον GIS. Αυτά τα δεδομένα στη συνέχεια εξάγονται ψηφιακά σε ένα «κτίριο» πληροφοριών προωθώντας έτσι τη μελέτη ενός φαινομένου εισάγοντας σε αυτό την επίδραση του χρόνου(sheimy et al, 2005). Στην παρακάτω εικόνα παρατίθενται Ένα DTM και ένα DSM της ίδιας περιοχής ώστε να γίνει κατανοητή η βασική διαφορά των ψηφιακών μοντέλων που είναι το αν περιλαμβάνει φυσικά ή τεχνητά αντικείμενα ή αποτελείται μόνο από την «γυμνή» επιφάνεια της Γης. 2

18 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Εικόνα 1.1 DTM και DSM, Αδελαΐδα, Νότια Αυστραλία. Πηγή: Τα Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους αποτελούν πρωταρχικής σημασίας δεδομένα, αναγκαία για ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών σε τομείς και εφαρμογές που θέλουν να μελετήσουν φαινόμενα που δραστηριοποιούνται στην γήινη επιφάνεια όπως το περιβάλλον, η ενέργεια, οι υδραυλικές μελέτες ο έλεγχος πλημμυρών, οι μελέτες τεχνικών έργων κλπ. Οι χρήσεις τους δεν σταματάνε μόνο στις γεωεπιστήμες αλλά εξαπλώνονται σε ένα μεγάλο φάσμα εφαρμογών. Ένα τμήμα των δραστηριοτήτων που συμβάλουν τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους είναι τα εξής: Εξαγωγή παραμέτρων για τη γεωμορφολογία του εδάφους Υδρολογία Μοντελοποίηση της υγρασίας του εδάφους (DTW-index) Δημιουργία χαρτών του ανάγλυφου Δορυφορική πλοήγηση Φωτογραμμετρία Ακριβής γεωργία Αρχαιολογία Πολεοδομικό σχεδιασμό Προσομοιώσεις πτήσεων 3D πλάνα πτήσεων Έξυπνα συστήματα μεταφορών (ITS) κ.α. Η επιλογή των πηγών δεδομένων και οι τεχνικές δειγματοληψίας υψομετρικών δεδομένων είναι καθοριστικοί παράγοντες της ποιότητας του ψηφιακού μοντέλου που θα δημιουργηθεί. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι δημιουργίας ενός ψηφιακού μοντέλου και η ορθότερη μέθοδος είναι πάντα αυτή που μπορεί να συλλέξει τα απαραίτητα δεδομένα για την εξαγωγή της επιθυμητής πληροφορίας. Τα δεδομένα για τη δημιουργία ενός ΨΜΕ αποτελούνται από παρατηρήσεις υψομέτρων και όταν είναι δυνατό από συμπληρωτική πληροφορία που αφορά χωρικά φαινόμενα τα οποία επηρεάζουν σημαντικά τη μορφή της φυσικής γήινης επιφάνειας (π.χ. στοιχεία επιφανειακών ασυνεχειών). Σήμερα, χρησιμοποιούνται πολλές μέθοδοι για την άντληση της απαραίτητης πληροφορίας για τη δημιουργία ενός ψηφιακού μοντέλου. Η κλασική τοπογραφία, οι μετρήσεις μέσω 3

19 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή συστημάτων GNSS, η ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών, η εναέρια φωτογραμμετρία, η συμβολομετρία SAR και τα συστήματα LiDAR είναι μερικές από τις τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις παρατηρήσεις υψομετρικής πληροφορίας. Ο πιθανός συνδυασμός κάποιων τεχνικών με σκοπό της συμπλήρωση και την ενίσχυση της πληροφορίας που αφορά χωρικά φαινόμενα, όπως στοιχεία επιφανειακών ασυνεχειών, μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα ενός ψηφιακού μοντέλου. Η ποιότητα του τελικού αποτελέσματος συνδέεται άμεσα με την κατανομή και την ακρίβεια των αρχικών δεδομένων, δηλαδή με τις διαδικασίες και τις συνθήκες με τις οποίες πραγματοποιήθηκε η δειγματοληψία. Όποια μέθοδος παρατήρησης και αν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός ψηφιακού μοντέλου μεγάλη σημασία έχει και η επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου παρεμβολής που θα χρησιμοποιηθεί. Γνωρίζοντας ότι δεν υφίσταται η έννοια του «άριστου» αλγόριθμου που να υπερισχύει έναντι των υπολοίπων, η μέθοδος παρεμβολής που θα αντιδρά «καλύτερα» σχετίζεται άμεσα με τη βέλτιστη απεικόνιση της γεωμετρικής συμπεριφοράς της επιφάνειας του ανάγλυφου. Όπως προαναφέρθηκε, εκτός από την επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου παρεμβολής, πολύ σημαντικό ρόλο έχει και η μέθοδος με την οποία έχουν αντληθεί όλα τα απαραίτητα δεδομένα. Αυτό, άμεσα ή έμμεσα, μπορεί να ορίσει και επιπλέον κριτήρια που μπορεί να καθορίσουν την επιλογή συγκεκριμένων τεχνικών δειγματοληψίας. Τόσο η αποτελεσματικότητα και το κόστος μίας μεθόδου όσο και τεχνολογική ωριμότητα και η τεχνογνωσία αυτής είναι κάποια από τα κριτήρια που μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα των δεδομένων δειγματοληψίας. Η επιλογή του τύπου (raster ή vector) του μοντέλου εξαρτάται πάντα από τον σκοπό της εργασίας καθώς τόσο ένα μοντέλο δομής κανάβου όσο και ένα μοντέλο δικτύου ακανόνιστων τριγώνων (ΤΙΝ) έχουν και προτερήματα αλλά και μειονεκτήματα. Η βασική αρχή και των δύο είναι ότι η ποιότητα και η ακρίβεια του μοντέλου εξαρτάται από τα δεδομένα εισόδου και πέρα από αυτά οποιαδήποτε πληροφορία αντληθεί είναι αποτέλεσμα κάποιας παρεμβολής. Παρόλα αυτά ένα μοντέλο ΤΙΝ δεν αλλοιώνει τις τιμές στα σημεία των αρχικών του δεδομένων και λόγω της μορφής του (Δίκτυο Ακανόνιστων Τριγώνων) προσομοιώνει καλύτερα την επιφάνεια του εδάφους. Από την άλλη πλευρά ένα μοντέλο δομής κανάβου είναι πολύ ευκολότερο στη διαχείριση και τα περισσότερα λογισμικά δίνουν περισσότερες επιλογές στην επεξεργασία αυτής της μορφής. Σε γενικές γραμμές μπορεί να θεωρηθεί ότι τα μειονεκτήματα της μιας μορφής είναι τα πλεονεκτήματα της άλλης. Για παράδειγμα υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε περιοχές ομοιόμορφου εδάφους, αδυναμία προσαρμογής σε περιοχές διαφορετικής πολυπλοκότητας και υπερβολική έμφαση κατά μήκος των αξόνων ενός μοντέλου δομής κανάβου ενώ αντίθετα ένα TIN επιτρέπει επιπλέον δεδομένα σε πολύπλοκες περιοχές και λιγότερα σε μη σύνθετες και έχει τη δυνατότητα χρήσης φυσικών χαρακτηριστικών ως γραμμές ασυνεχειών (Break lines). Μετά τη δημιουργία ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους είναι πολύ σημαντικό να γίνει μία αξιολόγηση της ακρίβειας και της ποιότητας του. Είναι λοιπόν απαραίτητο να γίνει εκτίμηση της πυκνότητας και της κατανομής των αρχικών δεδομένων, αξιολόγηση του μοντέλου παρεμβολής που χρησιμοποιήθηκε για την δημιουργία του, καθώς επίσης και ο υπολογισμός της χωρικής ανάλυσης (μέγεθος εικονοστοιχείου) του μοντέλου εάν έχει δομή Κανάβου (raster). Κάποιοι βασικοί έλεγχοι που μπορούν να πραγματοποιηθούν και να αξιολογήσουν την ποιότητα ενός Ψ.Μ.Ε. είναι οι εξής: 4

20 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Έλεγχος μέσω σημείων αναφοράς (Control points): Η ακριβής οριζοντιογραφική και υψομετρική θέση σημείων της περιοχής μελέτης, που δεν έχουν συμπεριληφθεί στην δημιουργία του ψηφιακού μοντέλου, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ονομαστικής τους τιμής με την τιμή που δίνει το μοντέλο στο εκάστοτε σημείο δηλώνοντας έτσι την αστοχία του τελευταίου. Μέσα από αυτή τη διαδικασία μπορούν να εξαχθούν στατιστικά μεγέθη όπως το μέσο τετραγωνικό σφάλμα. Έλεγχος για χονδροειδή σφάλματα: Ένας πολύ σημαντικός έλεγχος είναι ο εντοπισμός των χονδροειδών σφαλμάτων που οφείλονται συνήθως σε εσφαλμένες τιμές υψομέτρου των αρχικών δεδομένων π.χ. ισοϋψείς ή σε λανθασμένη αναφορά των χαρακτηριστικών τους όπως για παράδειγμά η λανθασμένη καταγραφή της φοράς των ρεμάτων. Τα σφάλματα αυτά εντοπίζονται κατά ένα σημαντικό ποσοστό εύκολα καθ ότι θα εμφανίζονται σύνολα ακραίων τιμών και μπορούν να γίνουν ορατά με τη δημιουργία ενός μοντέλου σκίασης σε κάποιο λογισμικό Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) ή με κατηγοριοποιημένη χρωματική απόδοση των τιμών υψομέτρου του ψηφιακού μοντέλου. Έλεγχος βυθισμάτων και ανυψώσεων: Υπάρχει πιθανότητα εμφάνισης ανεξήγητων βυθισμάτων και ανυψώσεων σε τμήματα ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους λόγω αδυναμιών των αρχικών δεδομένων. Αυτά πρέπει να διορθωθούν με επαναπροσδιορισμό των τιμών και των χαρακτηριστικών των αρχικών δεδομένων καθώς αλλοιώνουν την μορφολογία του εδάφους και απομονώνουν τμήματα των λεκανών απορροής. Η κύρια πηγή των σφαλμάτων αυτών προέρχεται από καταγραφή ακραίων τιμών υψομέτρου και το πρόβλημα συνήθως αυξάνεται δυσανάλογα με την ανάλυση του ψηφιακού μοντέλου. Στατιστικός έλεγχος: Η σύγκριση στατιστικών μεγεθών όπως το εύρος, η μέση τιμή, η τυπική απόκλιση και η διασπορά μπορούν να εξάγουν σημαντικές πληροφορίες για την ακρίβεια και την ποιότητα του μοντέλου. 5

21 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.2 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, σύγκριση και αξιολόγηση παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους στον Ελλαδικό χώρο. Για την επίτευξη του στόχου χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακά μοντέλα εδάφους από 4 διαφορετικές δορυφορικές αποστολές και η αξιολόγηση της ακρίβειας και της ποιότητας τους έγινε σε σύγκριση με ένα δίκτυο τριγωνομετρικών σημείων και σε δεύτερη φάση με επιλεγμένα ψηφιακά μοντέλα που προήλθαν από δεδομένα UAV (Unmanned Aerial Vehicle) και φωτογραμμετρική επεξεργασία. Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει το ηπειρωτικό και νησιωτικό τμήμα της χώρας και εκτείνεται προσεγγιστικά από 34 ο Β έως 42 Ο Β γεωγραφικού μήκους και από 19 Ο Α έως 29 Ο Α γεωγραφικού πλάτους. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον μελέτης για τη συμπεριφορά των παγκόσμιων μοντέλων εδάφους στην περιοχή αυτή καθώς η Ελλάδα είναι μία χώρα με έντονη μορφολογία εδάφους και ιδιαίτερα ιδιόμορφη ακτογραμμή. Έως σήμερα έχουν δημιουργηθεί πολλά μοντέλα εδάφους παγκόσμιας κάλυψης από διάφορες μεθόδους και τεχνικές. Παρόλα αυτά ελάχιστα είναι διαθέσιμα δωρεάν για την περιοχή της Ελλάδας. Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την αξιολόγηση της συνέπειας και της ποιότητας των ψηφιακών μοντέλων εδάφους τεσσάρων δορυφορικών αποστολών : (α) Το μοντέλο SRTM-v3 της αποστολής Shuttle Radar Topography Mission (β) Το μοντέλο ASTER-v2 της αποστολής TERRA (γ) Το μοντέλο EU-DEM που είναι ένα υβριδικό προϊόν του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος που βασίζεται στη συνδυασμό δεδομένων SRTM και ASTER με σταθμισμένη προσέγγιση μέσης τιμής και (δ) Το μοντέλο ALOS της Ιαπωνικής δορυφορικής αποστολής DAICHI. Το δίκτυο των τριγωνομετρικών σημείων, που στην περίπτωση της εργασίας χρησιμοποιούνται ως σημεία ελέγχου, δημιουργήθηκε από τη ΓΥΣ (Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού). Παρά το γεγονός ότι ακόμα και σήμερα χαρακτηρίζεται ως το επίσημο τριγωνομετρικό δίκτυο της Ελλάδος μερικά από τα σημεία αυτά έχουν υποστεί αλλοιώσεις ως προς τη θέση τους ή έχουν καταστραφεί χωρίς να υπάρχει επίσημη καταγραφή για την ποιότητα του καθενός με αποτέλεσμα να παρουσιάζονται σημαντικές αποκλίσεις. Ο μεγάλος όγκος και η φύση των δεδομένων καθώς επίσης και ο σκοπός της εργασίας αυτής δημιούργησαν την ανάγκη χρήσης ενός λογισμικού διαχείρισης Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών ή όπως είναι αλλιώς είναι γνωστό ένα GIS (Geographic Information System). Ένα από τα κορυφαία λογισμικά αυτής της κατηγορίας είναι και το ArcGIS της, εξειδικευμένης σε ανάλογα προγράμματα, εταιρίας ESRI. Η δημιουργία όλων των γεω-βάσεων καθώς και η επεξεργασία, διαχείριση των χωρικών δεδομένων και η εξαγωγή όλων των τελικών αποτελεσμάτων, υλοποιήθηκε μέσω αυτού ώστε να γίνει εφικτή η αξιολόγηση των παγκόσμιων μοντέλων εδάφους που είναι και ο βασικός σκοπός της παρούσας εργασίας. Παρότι υπάρχουν αρκετές μελέτες με παρόμοιο σκοπό, συνήθως περιορίζονται σε ένα τμήμα του ελλαδικού χώρου. Αυτό που διακρίνει την παρούσα εργασία είναι η συλλογή, επεξεργασία και αξιολόγηση δεδομένων σε όλο το εύρος της ελληνικής επικράτειας συμπεριλαμβανομένου τόσο του ηπειρωτικού όσο και του νησιωτικού τμήματος της χώρας. 6

22 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.3 Δομή της εργασίας Η παρούσα εργασία αποτελείται από πέντε κεφάλαια τα οποία είναι δομημένα με τέτοιο τρόπο ώστε να προσφέρεται όλη η απαραίτητη πληροφορία και γνώση του θέματος, όπως επίσης και η μεθοδολογία που έχει ακολουθηθεί, στον αναγνώστη πριν καταλήξει στα τελικά αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν με το πέρας αυτής. Πιο συγκεκριμένα, στο παρόν 1 Ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη και γενική περιγραφή των ψηφιακών μοντέλων εδάφους που κρίνεται απαραίτητη για την κατανόηση των επόμενων κεφαλαίων. Επίσης στο κεφάλαιο αυτό αναφέρεται ο σκοπός της εργασίας αυτής καθώς και η δομή της. Στο 2 Ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και μία πλήρης περιγραφή των δορυφορικών αποστολών, που συμβάλουν στην περάτωση της εργασίας αυτής, και των ψηφιακών μοντέλων που έχει εξαχθεί από αυτές. Γίνεται μια αναφορά για τα συστήματα UAV και τις δυνατότητες τους. Το 3 Ο κεφάλαιο περιγράφει όλες τις ενέργειες και διαδικασίες που έγιναν για την επεξεργασία και διαχείριση των δεδομένων. Γίνεται η απαραίτητη περιγραφή του εξειδικευμένου, σε Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών, λογισμικού ArcGIS καθώς και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε σε αυτό για την εξαγωγή όλων των αποτελεσμάτων της παρούσας εργασίας. Στο 4 Ο κεφάλαιο παρατίθενται όλα τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το προηγούμενο κεφάλαιο και πραγματοποιούνται συγκρίσεις αυτών. Αναλύονται και οπτικοποιούνται μέσω διαγραμμάτων, πινάκων και εικόνων για τη βέλτιστη ερμηνεία και κατανόηση τους. Στο 5 Ο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματοποιείται η αξιολόγηση όλων των παραπάνω, μια ανακεφαλαίωση των αποτελεσμάτων και τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν με την ολοκλήρωση της εργασίας. 7

23 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV 2 Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV 2.1 Εισαγωγή στα παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους Το υψόμετρο ως μετρήσιμη τιμή στην τοπογραφία είναι μια μεταβλητή «κλειδί» για τις επιστήμες που μελετούν τη μορφολογία της Γης. Η μορφή ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους αντιπροσωπεύει και αναδεικνύει με τον καλύτερο τρόπο όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την μορφολογία της επιφάνειας του εδάφους. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι συλλογής υψομετρικών δεδομένων συμπεριλαμβανομένων και της κλασσικής τοπογραφίας και των μεθόδων τηλεπισκόπησης από αεροσκάφη ή και διαστημικών σταθμών. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή των τοπογραφικών πληροφοριών περιλαμβάνουν στερεοσκοπικές εικόνες, συμβολομετρικά ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (InSAR), αλτιμετρία και συστήματα LiDAR. Συνεπώς, τα δεδομένα που προκύπτουν ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό όσον αφορά τη χωρική ανάλυση, την ακρίβεια, το συνολικό περιεχόμενο και την ποιότητα της πληροφορίας. Τα δεδομένα που προέρχονται από όλες αυτές τις μεθόδους χρησιμοποιούν ένα θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο μέτρησης και η μετέπειτα επεξεργασία που απαιτείται για τη δημιουργία DEM είναι ξεχωριστή για κάθε μία. Παρόλα αυτά, συνήθως χρησιμοποιούνται συνδυαστικά για την ανάπτυξη ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους παγκόσμιας κλίμακας. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι μια ιδανική μέθοδος για τη συλλογή δεδομένων κατάλληλων για την ανάπτυξη παγκόσμιων μοντέλων εδάφους με ικανοποιητική ανάλυση για μελέτες μεγάλων περιοχών. Τα διαστημικά συστήματα έχουν το πλεονέκτημα ότι αποκτούν σταθερά δεδομένα ποιότητας σε ολόκληρο τον πλανήτη. Οι μελλοντικές προοπτικές είναι εξαιρετικές για την βέλτιστη κατανόηση των υφιστάμενων δεδομένων και για τη συλλογή νέων δεδομένων κατάλληλων για τη βελτίωση των παγκόσμιων DEM. Οι απαιτήσεις για τοπογραφικά δεδομένα παγκόσμιας κάλυψης αυξήθηκαν σημαντικά την δεκαετία του 1980 με την ανάπτυξη των επιστημών που επικεντρώνονταν στις παγκόσμιες αλλαγές της Γης. Το 1988, η Ομάδα Εργασίας Τοπογραφικών Επιστημών (Topographic Science Working Group), η οποία 8

24 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV συγκλήθηκε από την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) των Ηνωμένων Πολιτειών, τεκμηρίωσε τις ποικίλες επιστημονικές εφαρμογές των υψομετρικών δεδομένων και συνέστησε την παραγωγή ενός ενιαίου προϊόντος υψομετρικής πληροφορίας (Topographic Science Working Group, 1988). Το σύστημα παρακολούθησης της Γης από τη NASA (EOS), το οποίο αναπτύχθηκε και άρχισε να λειτουργεί τη δεκαετία του 1990, πρόσθεσε περαιτέρω απαιτήσεις για υψηλής ποιότητας παγκόσμια τοπογραφικά δεδομένα τόσο για τη δημιουργία δορυφορικών δεδομένων όσο και για διεπιστημονικές έρευνες φυσικών διεργασιών. Με το πέρασμα των χρόνων, την ανάπτυξη της τεχνολογίας και φυσικά την συνεχή ανάγκη του ανθρώπου να γνωρίσει και κατ επέκταση να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα που εμφανίζονται στη γήινη επιφάνεια αλλά και στο εσωτερικό αυτής αναπτύχθηκαν επιστημονικοί οργανισμοί και φορείς με απώτερο σκοπό τη δημιουργία δορυφορικών αποστολών και την άντληση δεδομένων παγκόσμιας κλίμακας και παράλληλα υψηλής ακρίβειας. Θα ήταν αδύνατον να γίνει η ανάλυση όλων των δορυφορικών αποστολών καθώς και η αξιολόγηση τους, συνεπώς στην παρούσα εργασία γίνεται μια προσπάθεια αξιολόγησης των αποτελεσμάτων ορισμένων δορυφορικών αποστολών: (α) Το μοντέλο SRTM-v3 της αποστολής Shuttle Radar Topography Mission (β) Το μοντέλο ASTER-v2 της αποστολής TERRA (γ) Το μοντέλο EU-DEM που είναι ένα υβριδικό προϊόν του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος που βασίζεται στη σύντηξη δεδομένων SRTM και ASTER με σταθμισμένη προσέγγιση μέσης τιμής και (δ) Το μοντέλο ALOS της Ιαπωνικής δορυφορικής αποστολής DAICHI. Παρακάτω αναπτύσσεται η ιστορία των τριών δορυφορικών αποστολών και η συμβολή του προγράμματος Copernicus του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος καθώς και τα τέσσερα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που παρήχθησαν από αυτές, με όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. 2.2 Φωτογραμμετρική παραγωγή και Ψηφιακά μοντέλα εδάφους μέσω UAV Τα UAV(Unmanned Aerial Vehicles) ή αλλιώς τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη ξεκίνησαν να υφίστανται σαν ιδέα εδώ και αιώνες και μέχρι πριν μερικές δεκαετίες η χρήση τους ήταν καθαρά στρατιωτική. Η πρώτη καταγεγραμμένη χρήση ενός UAV χρονολογείται από το 1849 όταν οι Αυστριακοί επιτέθηκαν στην ιταλική πόλη της Βενετίας χρησιμοποιώντας μη επανδρωμένα μπαλόνια που είχαν φορτωθεί με εκρηκτικά. Παρόλο που τα μπαλόνια δεν συμπεριλαμβάνονται σήμερα στην κατηγορία των UAV ήταν μια τεχνολογία που οδήγησε αργότερα σε περεταίρω προόδους (Prisacariu, 2017). Τα συστήματα μη επανδρωμένων αεροσκαφών γεννήθηκαν και αναπτύχθηκαν σε στρατιωτικά πλαίσια. Ωστόσο, η δυνατότητα χαρτογράφησης μέσω UAV είχε γίνει ήδη κατανοητή από ερευνητικές ομάδες στα τέλη της δεκαετίας του 70. Οι αισθητήρες πλοήγησης και χαρτογράφησης ενσωματώθηκαν σε ράδιο-ελεγχόμενες πλατφόρμες για να αποκτήσουν εικόνες χαμηλού ύψους και υψηλής ανάλυσης. Η ιδέα δεν βρήκε πολλούς λάτρεις της ακαδημαϊκής κοινότητας εκείνη την εποχή, όμως σύντομα άρχισαν να αναπτύσσονται εταιρίες τεχνολογίας που παρείχαν υπηρεσίες σύμφωνα με τις ανάγκες των χρηστών και τα επιχειρηματικά οφέλη των μη επανδρωμένων αεροσκαφών (Blom, 2010). Σήμερα τα UAV(Unmanned Aerial Vehicles) ή UAS(Unmanned Aerial Systems) ή Drones έχουν αναπτυχθεί και προσαρμοστεί υπερβολικά γρήγορα στην προσπάθεια τους να καλύψουν τις ανάγκες των χρηστών τους, οι οποίες πλέον δεν σταματούν μόνο στους στρατιωτικούς σκοπούς αλλά έχουν 9

25 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV εισβάλει και στον χώρο της τέχνης(κινηματογράφος, φωτογραφία), της διαφήμισης, της ψυχαγωγίας αλλά και της έρευνας. Η ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης, δηλαδή η ανάγκη της μελέτης ενός φαινομένου από απόσταση, δημιούργησε εξειδικευμένα συστήματα μη επανδρωμένων αεροσκαφών που μπορούν να καλύψουν το χάσμα μεταξύ των μετρήσεων με κλασσικά τοπογραφικά μέσα και των δορυφορικών συστημάτων, αντλώντας δεδομένα υψηλής ακρίβειας σε μεγάλες περιοχές. Πέραν των συστημάτων ασφαλείας και τηλεμετρίας που περιέχονται στις πλατφόρμες των συγκεκριμένων αεροσκαφών, υπάρχει και η διάθεση GNSS δεκτών, φωτογραμμετρικών οργάνων (πχ RGB ή θερμικές κάμερες) ή ακόμα και συστημάτων LiDAR με αποτέλεσμα να ξεδιπλώνεται μια πληθώρα επιλογών και ταυτόχρονα τα συστήματα αυτά να εισέρχονται ολοένα και σε περισσότερους ερευνητικούς τομείς. Η δημιουργία ψηφιακών μοντέλων υψηλής διακριτικής ικανότητας και χωρικής ανάλυσης μέσω των UAV συστημάτων μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμη και πολύ ανταγωνιστική μέθοδος σε σχέση με τις τεχνικές της κλασικής τοπογραφίας καθώς παρέχουν τρισδιάστατη και υψηλής πυκνότητας πληροφορία σε μεγάλες κλίμακες, σε πολύ μικρό σχετικά χρονικό διάστημα και εσωτερική αλλά και εξωτερική ακρίβεια των παραγόμενων προϊόντων που μπορεί να αγγίξει αυτή των GNSS δεκτών, δηλαδή της τάξεως των 1-2cm οριζοντιογραφικά και 3-4cm υψομετρικά. Η φιλοσοφία για την ανάπτυξη της μεθόδου αυτής είναι η φωτογραμμετρία. Η φωτογραμμετρία είναι η επιστήμη η οποία μπορεί να πάρει μετρήσεις μέσω της φωτογραφίας και να προσδιορίσει με ακρίβεια την θέση σημείων στην επιφάνεια της. Η φωτογραμμετρία μπορεί να θεωρηθεί τόσο μία παλιά μέθοδος όσο και καινούργια καθώς η εξέλιξη της τεχνολογίας και η ανάπτυξη της τεχνογνωσίας έχουν βελτιώσει κατά πολύ το επίπεδο των δυνατοτήτων της. Το πιο παλιό παράδειγμα φωτογραμμετρίας χρονολογείται στα μέσα του 19 ου αιώνα και χαρακτηριστικό της ήταν η δυνατότητα μέτρησης της απόστασης δυο σημείων μιας φωτογραφίας που βρίσκονται παράλληλα στο επίπεδο της εάν είναι γνωστή η κλίμακα αυτής. Αργότερα της στερεοσκοπικής μεθόδου, υπήρχε η δυνατότητα χάραξης ισοϋψών καμπύλων σε τοπογραφικούς χάρτες ενώ σήμερα, όπως προαναφέρθηκε, υπάρχει ένα πολύ ευρύ φάσμα χρήσεων. Η ακρίβεια αυτής της μεθόδου δεν εξαρτάται μόνο από την απόσταση του οργάνου από το αντικείμενο μελέτης. Είναι ο συνδυασμός όλων των χαρακτηριστικών και συστημάτων που φέρει ένα UAV. Τα κυριότερα από αυτά είναι τα χαρακτηριστικά της φωτογραφική κάμερας, της ακρίβειας των συντεταγμένων που έχουν δοθεί στην εκάστοτε φωτογραφία και της απόστασης λήψης των δεδομένων. Τα χαρακτηριστικά που συμβάλουν και επηρεάζουν το τελικό αποτέλεσμα μιας φωτογραφικής λήψης χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία αφορά τον εξωτερικό προσανατολισμό της φωτογραφικής μηχανής και καθορίζει την θέση της στο χώρο καθώς και την διεύθυνση αυτής. Ενώ η δεύτερη κατηγορία αφορά τον εσωτερικό προσανατολισμό και καθορίζεται από τις γεωμετρικές παραμέτρους που είναι υπεύθυνες για την διαδικασία απεικόνισης. Αυτές είναι, η ανάλυση (μέγεθος εικονοστοιχείων), η εστιακή απόσταση του φακού και η παραμόρφωση του. Τα σφάλματα που δημιουργούνται λόγω των παραπάνω χαρακτηριστικών μπορούν να διορθωθούν με επιπλέον παρατηρήσεις γνωστών σημείων αλλά και κλίμακες γνωστού μήκους με τρόπο τέτοιο ώστε να υπάρχει σύνδεση με τις βασικές μετρήσεις. Επίσης, υπάρχουν αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται στην φωτογραμμετρία και συνήθως στοχεύουν στην ελαχιστοποίηση του αθροίσματος του τετραγωνικού σφάλματος των συντεταγμένων και των σχετικών μετατοπίσεων. Αρκετά συνήθης είναι η χρήση αλγορίθμου Levenberg Marquardt, γνωστού και ως αλγόριθμος μετριασμού των ελαχίστων τετραγώνων, και εφαρμόζεται για την επίλυση μη γραμμικών προβλημάτων. Ωστόσο, όπως συμβαίνει με πολλούς αλγορίθμους προσαρμογής, η LMA (Levenberg Marquardt) βρίσκει μόνο ένα τοπικό ελάχιστο, το οποίο δεν είναι κατ 'ανάγκη το καθολικό ελάχιστο. Ακόμα, η LMA παρεμβάλλεται μεταξύ του αλγορίθμου Gauss Newton και της απλής 10

26 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV γραμμικής παλινδρόμησης αλλά επειδή είναι ταυτόχρονα και πιο δυναμική από την πρώτη εφαρμογή μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να δώσει κάποιο αποτέλεσμα ακόμα και αν ο αλγόριθμος ξεκινήσει αρκετά μακριά από την πραγματική ελάχιστη τιμή. Ο αλγόριθμος δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1944 από τον Kenneth Levenberg, ενώ εργαζόταν στο οπλοστάσιο στρατού του Frankford. Ανακαλύφθηκε ξανά το 1963 από τον Donald Marquardt ο οποίος εργάστηκε ως στατιστικολόγος στην DuPont και ανεξάρτητα με τους Girard, Wynne και Morrison (Rothermel, 2012). Η χρήση των συστημάτων αυτών για τοπογραφικές εφαρμογές μπορεί να οδηγήσει στην απόκτηση λεπτομερών δεδομένων για την μορφολογία της περιοχής μελέτης μέσω ενός DSM. Αυτό φυσικά έχει ως αποτέλεσμα και την τρισδιάστατη αποτύπωση φυσικών και τεχνιτών αντικειμένων, όπως έντονη βλάστηση και κτίρια, που βρίσκονται στη γήινη επιφάνεια. Αυτό σε μία μελέτη του ανάγλυφου της Γης θεωρείται θόρυβος και μπορεί να αφαιρεθεί κατά το στάδιο της επεξεργασίας των αρχικών δεδομένων αλλά και μετά την εξαγωγή του DSM. 2.3 Διαστημική αποστολή SRTM Η διαστημική αποστολή SRTM είναι μία συνεργασία μεταξύ της NASA, της DoD / NGA, του DLR και του ASI (Agenzia Spaziale Italiana). Η χρηματοδότηση για την SRTM προέρχεται από το NIMA [Σημείωση: Από τον Νοέμβριο του 2003, η NIMA (Εθνική Μονάδα Χαρτογράφησης Πληροφοριών) άλλαξε το όνομά της σε NGA], ενώ η NASA προμηθεύει το υλικό SIR-C, συστήματα εδάφους, επιχειρήσεις αποστολής και υποστήριξη επεξεργασίας δεδομένων. Η DLR και η ASI προμηθεύουν το υλικό X-SAR, τα επίγεια συστήματα, τις λειτουργίες αποστολής και την υποστήριξη επεξεργασίας δεδομένων. Το SRTM αντιπροσωπεύει ένα σύμπλεγμα των βασικών οργάνων ωφέλιμου φορτίου SIR-C / X-SAR στο SRL-1 (STS-59, 9 Απριλίου-20 Απριλίου 1994) και στο SRL-2 (STS-68, 1994). Ωστόσο, η διαμόρφωση SRTM λαμβάνει υπόψη μόνο δύο ανεξάρτητα συστήματα SAR, το ένα στο band-c (όργανο JPL) και το άλλο στη band-x (DLR / ASI). Και τα δύο συστήματα SAR λειτουργούν με την κύρια κεραία κάθε οργάνου που βρίσκεται στην ανοιχτή θήκη φορτίου του λεωφορείου και μια δεύτερη κεραία λήψης συναρμολογημένη σε ένα αποσπώμενο εξωλέμβιο ιστό, αντίστοιχα. Η σύνθεση (σύστημα bistatic) και για τα δύο συστήματα ραντάρ αντιπροσωπεύει ένα μονομερές συμβολόμετρο, που επίσης αναφέρεται ως InSAR, με γραμμή βάσης 60 m (διαχωρισμός των δύο συστημάτων κεραίας) Εικόνα2.1 Διάταξη των οργάνων C-RADAR και X-RADAR στον δορυφορικό σκάφος της αποστολής SRTM. (Πηγή: 11

27 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV Η SRTM είναι στην πραγματικότητα η πρώτη διαστημική αποστολή τεχνολογίας InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) με ενιαίο χώρο διέλευσης, με κάλυψη ScanSAR ευρείας ζώνης και κάλυψη διπλής συχνότητας (C-band και X-band), καθώς και δυνατότητα διπλής πόλωσης. Χρησιμοποιήθηκαν λοιπόν δύο συνθετικά ραντάρ με άνοιγμα δέσμης 5,6cm για το C-RADAR και 3,1cm για το X-RADAR. Το εργαστήριο JPL (Jet Propulsion Laboratory) της NASA ήταν υπεύθυνο για το C- RADAR ενώ η DLR για το X-RADAR. Ο επιχειρησιακός στόχος του C-RADAR ήταν να παράγει συνεπής κάλυψη χαρτογράφησης όπως απαιτείτο από τους στόχους της αποστολής. Το X-RADAR παρήγαγε δεδομένα κατά μήκος διακριτών περιβλημάτων πλάτους 50 χιλιομέτρων. Επίσης το X-RADAR συμπεριλήφθηκε ως πειραματική επίδειξη δεδομένου ότι δεν χρησιμοποίησε το ScanSAR, το ραντάρ της X-Band είχε ελαφρώς υψηλότερη ανάλυση και καλύτερη σχέση σήματος προς θόρυβο (SNR) από το σύστημα C-Band. Έτσι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ανεξάρτητο σύνολο δεδομένων για να βοηθήσει στην επίλυση των προβλημάτων στην επεξεργασία C-RADAR και τον ποιοτικό έλεγχο. Ως εκ τούτου, η αποστολή αντιπροσωπεύει μία από τις σημαντικότερες έρευνες χαρτογράφησης από το διάστημα του πλανήτη μας που έχουν αναληφθεί μέχρι στιγμής. Σκοπός της αποστολής είναι η απόκτηση εικόνων SAR με μονή διέλευση που θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή DEM. Η αποστολή είχε ημερομηνία έναρξης 11 Φεβρουαρίου 2000 και ολοκληρώθηκε εντός 11 ημερών, μετά από την συμπλήρωση 159 τροχιών γύρω από την Γη με απόσταση η μία από την άλλη 218km και κινούμενος μεταξύ των παραλλήλων 60º Β. και γεωγραφικό πλάτος 56º Ν. συγκεντρώνοντας επιτυχώς δεδομένα για πάνω από το 80% της γήινης επιφάνειας. Η συνολική μάζα του φορτίου ήταν kg, είχε μία ακριβή επαναληπτική τροχιά σε απόσταση 233 χιλιομέτρων από την επιφάνεια της Γης, σύμφωνα με το ελλειψοειδές του WGS84, και κλίση 57 Ο. Το σκάφος πέταξε ανάποδα και η ουρά του βρισκόταν μπροστά κατά τη διεύθυνση της πορείας του ώστε να λαμβάνονται ταυτόχρονες παρατηρήσεις από τα ραντάρ του. Το C-RADAR βρισκόταν σε γωνία 45 Ο, το X-RADAR σε γωνία 52 Ο ενώ και τα δυο είχαν μια ονομαστική περίοδος συλλογής δεδομένων της τάξεως των 80 ωρών (Jordan et al, 1996). Τα δύο συστήματα συμβολομετρίας (X-Radar, C-Radar) τοποθετήθηκαν και στο κύριο σώμα του σκάφους αλλά και στον βραχίονα με τρόπο τέτοιο που να σχηματίζεται ένα παράλληλο σύστημα. Η συμβολομετρία μονής διέλευσης απαιτεί αλληλοεπικάλυψη των δεσμών μεταξύ των συστημάτων του σκάφους και του βραχίονα και για αυτό λήφθηκαν μέτρα ευθυγράμμισης των κεραιών ώστε να αποφευχθούν πιθανές αποκλίσεις κατά τη διάρκεια της αποστολής. Το σύστημα X-RADAR παρέχει δυνατότητα ευθυγράμμισης σε δύο άξονες. Η εσωτερική κεραία μπορεί να κατευθύνεται μηχανικά (κλίση ± 1,5º) στην κατεύθυνση εγκάρσιας εμβέλειας για να τελειοποιήσει το αποτύπωμα της εξωτερικής κεραίας και επιπλέον, η εξωτερική κεραία μπορεί να κατευθύνεται ηλεκτρονικά (± 1º) στην κατεύθυνση του αζιμούθιου ώστε να ταιριάζει με το αποτύπωμα της εσωτερικής κεραίας. Το X-RADAR (9,6 GHz, μήκος κύματος = 3,1 cm) παρέχεται από την DLR και την ASI, προσφέρει απλή πόλωση σταθερής δέσμης (γωνία θέασης 52º) (εσωτερική και εξωτερική κεραία VV). Η μέγιστη ισχύς ακτινοβολίας είναι 1,7 kw σε PRF 1674 παλμών / s. Το X-RADAR λειτουργεί σε λειτουργία ευρείας περιστροφής 50 km, η οριζόντια διακριτική ικανότητα του κάθε εικονοστοιχείου είναι 30 m x 30 m με κατακόρυφη ανάλυση ύψους 6 m σχετική και 10 m απόλυτη (Farr et al, 2007). Η κεραία του C-RADAR παρέχει έναν ηλεκτρονικό μηχανισμό διεύθυνσης των εσωτερικών και εξωτερικών συστημάτων για την ευθυγράμμιση της εκπεμπόμενης δέσμης. Τέσσερις επιμέρους δέσμες C-RADAR παράγονται διαδοχικά σε λειτουργία ScanSAR όπου ανά δυο δημιουργούν ένα στιγμιαίο ζεύγος και κάθε ένα από αυτά δημιουργεί δυο δευτερεύουσες γραμμές για την οριζόντια και κάθετη πόλωση. Δύο παράλληλοι δίαυλοι εκπομπής / λήψεως χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό, ο ένας είναι του συστήματος C-RADAR και ο άλλος χρησιμοποιεί το σύστημα L-Band. Το C-RADAR (5.3 GHz, μήκος κύματος = 5.6 cm, εύρος ζώνης = 10 MHz) παρέχεται από τη NASA / JPL, προσφέρει δυνατότητα διπλής πόλωσης. Η μέγιστη ισχύς της ακτινοβολίας είναι 1,2 kw / πόλωση. Στη λειτουργία ScanSAR, το 12

28 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV C-RADAR χρησιμοποιεί δύο ταυτόχρονα ζεύγη δέσμης τα οποία μετακινούνται εμπρός και πίσω εντός του πλήρους πλάτους του πλέγματος, δημιουργώντας ένα συνεχόμενο και επικαλυπτόμενο μοτίβο εικόνων SAR. Το συνολικό πλάτος του διαδρόμου είναι 225 χιλιομέτρων, παρέχοντας ένα μέγεθος εικονοστοιχείου (ανάλυση) περίπου 30 μέτρων (απόσταση δεδομένων σημείου ενός arcsec). Τα δεδομένα του οργάνου συλλέγονται με ταχύτητα 180 Mbit / s (σε τέσσερα κανάλια) και αποθηκεύονται στα ενσωματωμένα καταγραφικά. Τα δεδομένα τηλεμετρίας οργάνου συλλέγονται με ταχύτητα kbit / s. Συνολικά αντλήθηκαν δεδομένα για το 80% του χερσαίου τμήματος της γήινης επιφάνειας (119,56 εκ km2) από το οποίο: Το 99.96% σαρώθηκε τουλάχιστον μια φορά (119,51 εκ. km 2 ) Το 94,59% σαρώθηκε τουλάχιστον δυο φορές (113,1 εκ. km 2 ) Το 49,25% σαρώθηκε τουλάχιστον τρείς φορές (58,59 εκ. km 2 ) Το 24,1% σαρώθηκε τουλάχιστον τέσσερις φορές (28,81 εκ. km 2 ) Κατά τη διάρκεια της δορυφορικής αποστολής πραγματοποιήθηκαν εκστρατείες βαθμονόμησης του SRTM σε διάφορα σημεία της Γης. Μία από αυτές πραγματοποίησε και η DLR και αναπτύχθηκε στις παρακάτω 5 φάσεις: Ορισμός όλων των χαρακτηριστικών των αισθητήρων, ανάπτυξη και υλοποίηση αλγορίθμου βαθμονόμησης κατά την προ-πτητική φάση. Εκστρατείες εδάφους κατά τη διάρκεια της αποστολής. Μετρήσεις βαθμονόμησης επί του σκάφους κατά τη διάρκεια της αποστολής. Φάση διάρκειας 6 έως 8 μηνών για τη δημιουργία στατικών και δυναμικών αρχείων βαθμονόμησης για την ανάλυση και μοντελοποίηση παραμέτρων ολίσθησης με θερμοκρασία και χρόνο Λειτουργική βαθμονόμηση και επικύρωση αυτής μετά την έναρξη της αποστολής 2.4 Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους SRTM Η αποστολή SRTM, βασιζόμενη στην τεχνολογία της συμβολομετρίας συνθετικού ανοίγματος (InSAR), συνέβαλε στη δημιουργία ενός παγκόσμιου DEM. Το DEM SRTM καλύπτει περισσότερο από το 80% της γήινης επιφάνειας μεταξύ των 60 γεωγραφικού πλάτους βόρεια έως των 56 νότια, ενώ τα δεδομένα για τη δημιουργία του ήταν συμβολομετρικά και η ανάλυσή τους ήταν της τάξης των 3 arcsec, δηλαδή περίπου 90m για την περισσότερη έκταση, ενώ για τις ΗΠΑ ήταν της τάξης του 1 arcsec, δηλαδή περίπου 30m. Τα σφάλματα που προκύπτουν στο τελικό αποτέλεσμα προέρχονται από την μέθοδο λήψης των δεδομένων που είναι η συμβολομετρία και χωρίζονται σε δυο γενικές κατηγορίες. Η πρώτη αφορά τα στατικά σφάλμα και παραμένουν σταθερά κατά τη συλλογή των δεδομένων και μπορούν να προσδιοριστούν μέσω σημείων στόχων γνωστής οριζοντιογραφικής θέσης και υψομέτρου. Η δεύτερη κατηγορία αφορά τα σφάλματα που μεταβάλλονται με τον χρόνο και οφείλονται σε αστοχίες των 13

29 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV συστημάτων αλλά και σε εξωτερικούς παράγοντες και μπορούν να προσδιοριστούν ως ένα βαθμό μέσω συνορθώσεων και δυναμικών βαθμονομήσεων. Πιο συγκεκριμένα τα σφάλματα μπορεί να οφείλονται σε: Σφάλμα περιστροφής της Βάσης Σφάλμα φάσης Σφάλμα λόγω της απόκλισης της δέσμης Χρονικά σφάλματα και σφάλματα θέσης Οι προδιαγραφές για την ακρίβεια της πληροφορίας ενός DEM με διάσταση εικονοστοιχείου 1 x 1 arcsec της δορυφορικής αποστολής SRTM για επίπεδο σημαντικότητας α = 0.1 ή αλλιώς για διάστημα εμπιστοσύνης 90% είναι οι εξής: 16 m για την απόλυτη υψομετρική θέση 10 m για την σχετική υψομετρική θέση 20 m για την απόλυτη οριζόντια θέση 15 m για την σχετική οριζόντια θέση Παρόλα αυτά η πρώτη έκδοση που αφέθηκε για ελεύθερη χρήση δεν παρείχε πλήρη κάλυψη της περιοχής μελέτης. Το σύνολο των υψομετρικών δεδομένων επηρεάστηκαν από ορεινές περιοχές και ερημικές περιοχές χωρίς δεδομένα. Αν και αυτά δεν υπερβαίνουν το 0.2% της περιοχής που ερευνήθηκε, μπορούν να αποτελέσουν πρόβλημα σε περιοχές με έντονο ανάγλυφο. Επηρεάζονται όλες οι κορυφές άνω των μέτρων, οι περισσότερες κορυφές πάνω από μέτρα, πολλές αλπικές και παρόμοιες κορυφές, οι κορυφογραμμές και πολλά φαράγγια. Υπάρχουν κάποιες πηγές δεδομένων SRTM που έχουν συμπληρώσει αυτά τα κενά δεδομένων, αλλά σε ορισμένα από αυτά έχουν χρησιμοποιήσει μόνο μέθοδοι παρεμβολής από τα περιβάλλουσα δεδομένα και κατά συνέπεια μπορεί να είναι πολύ ανακριβή. Εάν τα κενά είναι μεγάλα ή βρίσκονται σε περιοχές κορυφών ή κορυφογραμμών, δεν υπάρχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα για τους αλγόριθμους παρεμβολής. Κάποιοι διεθνής οργανισμοί-ομάδες προγραμματιστών, συμπεριλαμβανομένου της NASA World Wind και του Google Earth, βελτίωσαν τα αποτελέσματά τους, χρησιμοποιώντας το 1arcsec για τις Ηνωμένες Πολιτείες και το 3arcsec για τον υπόλοιπο κόσμο, προσθέτοντας δεδομένα στη διεργασία της παρεμβολής, αλλά λόγω της κακής ανάλυσης των δεδομένων καθώς επίσης και της κακής ποιότητας μερικών εξ αυτών, βελτίωσαν τις προβληματικές περιοχές προσθέτοντας δεδομένα από άλλες πηγές. Ομάδες επιστημόνων εργάστηκαν σε αλγόριθμους για να γεμίσουν τα κενά των αρχικών δεδομένων του SRTM. Υπάρχουν δυο τελικά προϊόντα της αποστολής SRTM που προσφέρουν παγκόσμια κάλυψη χωρίς κενά δεδομένων. Το πρώτο παρέχεται από την επιστημονική κοινότητα CGIAR-CSI και πρόσφερε ικανοποιητική κάλυψη των κενών όμως παρουσιάστηκε ένα συστηματικό οριζοντιογραφικό σφάλμα και έτσι αποσύρθηκε όμως αντικαταστάθηκε άμεσα και διανέμεται ελεύθερα από το Το δεύτερο προϊόν δόθηκε για διάθεση τον Νοέμβριο του 2013 από την LP DAAC και παρέχει την τρίτη έκδοση του SRTM χωρίς κενά τα οποία διορθώθηκαν κυρίως από το ASTER GDEM2 και δευτερευόντως από τα USGS GMTED2010 και USGS National Elevation Dataset (NED). 14

30 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV 2.5 Διαστημική αποστολή TERRA Οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να κατανοήσουν τις σχέσεις αιτίας και αποτελέσματος μεταξύ των εδαφών, των ωκεανών και της ατμόσφαιρας της Γης αρκετά καλά ώστε να προβλέψουν τις μελλοντικές αλλαγές στις κλιματολογικές συνθήκες και καθώς η συλλογή των απαραίτητων δεδομένων από επίγειες μετρήσεις ήταν σχεδόν αδύνατη, η λύση βρέθηκε με τη χρήση απομακρυσμένων αισθητήρων. Έτσι η EOS της NASA ξεκίνησε μια διεθνή μελέτη της Γης που θα αποτελείτο από τρία βασικά στοιχεία: 1) Μια σειρά δορυφόρων ειδικά σχεδιασμένων για να μελετήσουν την πολυπλοκότητα της παγκόσμιας αλλαγής 2) Ένα προηγμένο δίκτυο υπολογιστών για την επεξεργασία, αποθήκευση και διανομή των δεδομένων (EOSDIS) 3) Ομάδες επιστημόνων που θα μελετήσουν τα δεδομένα. Η διαστημική αποστολή Terra είναι μία πολυεθνική επιστημονική έρευνα της NASA με συγχρονισμένη τροχιά ως προς τον ήλιο. Θεωρήθηκε η ναυαρχίδα της EOS (Earth Observing System) και το όνομα της προέρχεται από την λατινική γλώσσα που σημαίνει «Γη». Ο δορυφόρος εκτοξεύτηκε από την διαστημική βάση του Vandenberg στις 18 Δεκεμβρίου του 1999 μέσω ενός σκάφους Atlas IIAS και ξεκίνησε να συλλέγει δεδομένα στις 24 Φεβρουαρίου Ήταν τοποθετημένος σε μια σχεδόν πολική, συγχρονισμένη με τον ήλιο τροχιά. Ο Terra ήταν ο πρώτος δορυφόρος που παρατήρησε το σύστημα της Γης συλλέγοντας πολλαπλών ειδών δεδομένα για διάφορους τομείς των γεω-επιστημών. Συνενώθηκε με άλλους δορυφόρους που έχουν σχεδιαστεί για να παρακολουθούν συγκεκριμένους τομείς της γεω-επιστήμης για την συλλογή δεδομένων με σκοπό την καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της Γης (Kaufman et al, 1999). Η δορυφορική αποστολή είχε σχεδιαστεί ώστε να έχει διάρκεια ζωής 6 χρόνια. Το συνολικό του βάρος ήταν 5190kg, η τροχιά του ήταν σχεδόν πολική και συγχρονισμένη με τον ήλιο, δηλαδή βρίσκεται σε μια σχεδόν πολική τροχιά γύρω από την Γη και ο δορυφόρος περνά πάνω από οποιοδήποτε δεδομένο σημείο της επιφάνειας του πλανήτη, στον ίδιο τοπικό ηλιακό χρόνο. Η περίοδος μίας τροχιάς ήταν 99 λεπτά, η κλίση ως προς τον ισημερινό είναι 98 ο, η εκκεντρότητα του 0,0015 ο και η απόσταση του από τη μέση στάθμη της θάλασσας ήταν περίπου 705km (Nikolakopoulos et al, 2006). Το Terra ήταν ένα πολύπλοκό δορυφορικό σύστημα με πολλά όργανα ακριβείας ενσωματωμένα στο σκάφος του και η αποστολή του εξαπλωνόταν σε διάφορους τομείς των γεω-επιστημών. Τα βασικά μετρητικά του όργανα ήταν τα εξής πέντε(kaufman, 1999): 1) MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer): Το όργανο MODIS λειτουργεί τόσο στο διαστημικό σκάφος Terra όσο και στο Aqua. Έχει πλάτος προβολής 2,330 km στο ύψος τροχιάς του Terra και αντλεί πληροφορίες για όλη την επιφάνεια της Γης κάθε μία έως δύο μέρες. Οι ανιχνευτές του μετράνε 36 φασματικές ζώνες μεταξύ και μm και αποκτά δεδομένα σε τρεις χωρικές αναλύσεις - 250m, 500m και 1.000m. 2) MOPITT (Measurement of Pollution in the Troposphere): Χρησιμοποιήθηκε για να αποδείξουν ότι μέσω των επόμενων δορυφορικών αποστολών θα μπορούσαν να βελτιώσουν τον τρόπο με τον οποίο οι οργανισμοί παρακολουθούν και προβλέπουν την ποιότητα του αέρα. Η παραγωγή χημικού-κλιματικού μοντέλου θα συνδυάζεται με δορυφορικά δεδομένα από ένα στόλο γεωστατικών δορυφόρων. Οι μετρήσεις MOPITT αποδίδουν την ατμοσφαιρική κατατομή του λόγου ανάμιξης όγκου CO και των συνολικών τιμών της στήλης CO χρησιμοποιώντας ακτινοβολία κοντινού υπέρυθρου στα 2,3 μm και ακτινοβολία θερμικής υπέρυθρη ακτινοβολίας στα 4,7 μm και παρουσιάζουν τα αποτελέσματά τους σε χάρτες υψηλής ανάλυσης, παράγοντας 15

31 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV αποτελέσματα για περιοχές με πλάτος μόλις 7,7 χιλιομέτρων, που εκτείνονται μέχρι και 12,5 χιλιόμετρα στην ατμόσφαιρα. 3) CERES (Cloud's and the Earth's Radiant Energy System): Σχεδιάστηκε για να συλλέξει δεδομένα τόσο για την ανακλώμενη ηλιακή όσο και για την εκπεμπόμενη από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης. Ο προσδιορισμός του νέφους γίνεται με την χρήση ταυτόχρονων παρατηρήσεων και από άλλα όργανα του EOS όπως το MODIS MISR και σκοπός είναι η καλύτερη κατανόηση του ρόλου των νεφών και του ενεργειακού κύκλου στην παγκόσμια αλλαγή του κλίματος. Το CERES περιείχε τρία κανάλια σε κάθε ραδιόμετρο με εύρος 0,3 έως 100μm η χωρική του ανάλυση είναι 20km σε κάθετη προβολή. 4) MISR (Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer): Είναι ένα όργανο που αποτελείται από 9 κάμερες στοχεύουν σε διαφορετικές γωνίες. Μία κάμερα είναι προσανατολισμένη ναδίρ και οι και οι υπόλοιπές είναι τοποθετημένες σε γωνίες 26,1, 45,6, 60,0 και 70,5 γύρω από την πρώτη απεικονίζοντας την γήινη επιφάνεια σε τέσσερα μήκη κύματος (RGB και Near-Infrared). Εκτός από βελτίωση της κατανόησης του βαθμού επιρροής και κατάληξης του φωτός στην επιφάνεια της Γης, τα δεδομένα του MISR μπορούν να διακρίνουν διάφορους τύπους νεφών, διάφορους τύπους αερίων και σωματιδίων που αιωρούνται στην ατμόσφαιρα. Συγκεκριμένα παρακολουθεί μηνιαίες, εποχιακές και μακροπρόθεσμες τάσεις των ποσοτήτων και των τύπων των σωματιδίων και των αερολυμάτων της ατμόσφαιρας, είτε σχηματίζονται από φυσικές πηγές είτε από ανθρώπινη δραστηριότητα και τις ποσότητες, τους τύπους, και τα ύψη των νεφών καθώς επίσης και την κατανομή τους και την κάλυψη της επιφάνειας της Γης. 5) ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer): Είναι ένα σύστημα ραδιομέτρου που σκοπό έχει την λεπτομερή λήψη δεδομένων για την θερμοκρασία της επιφάνειας της Γης, την εκπομπή και αντανάκλαση της ακτινοβολίας και την δημιουργία υψηλής ανάλυσης ψηφιακού μοντέλου εδάφους. Το ASTER αποτελείται από τρία υποσυστήματα που συνολικά φέρουν 14 αισθητήρες, οι οποίοι 3 βρίσκονται στο ορατό φάσμα και 1 στο κοντινό υπέρυθρο(vnir). Έχει δυο αισθητήρες στο κανάλι 3 (Near- Infrared) οι οποίοι είναι τοποθετημένοι με τέτοιο τρόπο ώστε στερεοσκοπικά να μπορεί να εξαχθεί ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Ο διαχωρισμός των αισθητήρων στα τρία υποσυστήματα πραγματοποιείται σύμφωνα με το μήκος κύματος που εκπέμπουν. Έτσι το πρώτο περιέχει τρία κανάλια με μήκη κύματος από 0,520 0,860μm και αφορούν το φάσμα του ορατού και κοντινού υπέρυθρου και οι αισθητήρες βρίσκονται όλοι σε θέση ναδίρ εκτός από τον δεύτερο αισθητήρα N-IR που είναι προσανατολισμένος ώστε κοιτάει προς τα πίσω και η χωρική ανάλυση του είναι 15m. Το δεύτερο υποσύστημα αποτελείται από 6 κανάλια μήκους κύματος από 1,600-2,430μm και βρίσκεται στο φάσμα του υπέρυθρου (SWIR), όλοι οι αισθητήρες βρίσκονται σε θέση ναδίρ και η χωρική ανάλυση τους είναι 30m. Το τρίτο υποσύστημα τοποθετείται στο μακρινό και θερμικό υπέρυθρο (TIR), αποτελείται από πέντε κανάλια τα οποία έχουν μήκος κύματος από 8,125-11,650μm, όλες οι κάμερες είναι σε θέση ναδίρ και η χωρική ανάλυση τους είναι 90m 16

32 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV Εικόνα 2.2 Η δορυφορική αποστολή Terra και τα βασικά μετρητικά όργανα του δορυφόρου. (Πηγή: Η δορυφορική αποστολή Terra διαθέτει σύστημα υποβοήθησης και ελέγχου πλοήγησης για την ακριβή θέση του σκάφους ανά πάσα στιγμή. Το υποσύστημα GN & C (Guidance Navigation and Control) αποτελείται από αισθητήρες, αυτόματους ενεργοποιητές βαλβίδων, μονάδα ACE (ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου θέσης) και λογισμικό. Μία τριών καναλιών αδρανειακή μονάδα αναφοράς (IRU Inertial Reference Unit) καθορίζει την θέση του σώματος με όλες τις διαθέσιμες λειτουργίες χειρισμού. Ένας σταθερός ανιχνευτής αστεριών παρέχει ενημερώσεις για την θέση του δορυφόρου επεξεργασμένες από ένα φίλτρο Kalman ώστε να διατηρήσει μια τριών αξόνων ακριβή θέση στο αδρανειακό σύστημα. Επίσης υπάρχει ένα μαγνητόμετρο τριών αξόνων κυρίως για την εκφόρτωση των τροχών αντίδρασης αλλά και ως αισθητήρας για τον προσδιορισμό μιας αστοχίας στάσης κατά τη διάρκεια ενός ελιγμού βαθμονόμησης. Υπάρχουν επίσης εφεδρικοί αισθητήρες συμπεριλαμβανομένου και ενός ESA (Earth Sensor Assembly) για την ανίχνευση περιστροφής και κλίσης του δορυφόρου καθώς επίσης και ηλιακοί αισθητήρες για την κλίση και την εκτροπή από την τροχιά του. Παράλληλα, ένα γυροσκόπιο εκτελεί εφεδρικούς υπολογισμούς για τον προσδιορισμό, τυχόν, εκτροπής του δορυφόρου από την τροχιά του. Το GN&C περιλαμβάνει επίσης και το FDIR (Fault Detection, Isolation, Recovery) το οποίο είναι ένα σύστημα ανίχνευσης, απομόνωσης και αποκατάστασης βλαβών. Το FDIR χρησιμοποιεί έναν ανεξάρτητο τρόπο λειτουργίας από τα υπόλοιπα συστήματα ελέγχου του δορυφόρου και σε περίπτωση αστοχίας είναι αυτό που θα δώσει τις καινούριες παραμέτρους στην μονάδα ACE η οποία και ελέγχει όλο τον μηχανικό εξοπλισμό και μόλις ο δορυφόρος τεθεί πάλι σε ασφαλή λειτουργία το FDIR απενεργοποιείται. Ένα κέντρο ελέγχου του δορυφόρου Terra από το έδαφος παρατηρεί την ορθότητα των οργάνων του και είναι υπεύθυνο για την επικοινωνία με αυτόν. Η επικοινωνία περιλαμβάνει εντολές που δίνονται από τον σταθμό εδάφους προς τον δορυφόρο, λήψη, επεξεργασία και αρχειοθέτηση των δεδομένων υπό την επίβλεψη της Goddard Space Flight Center. Η επικοινωνία αυτή επιτυγχάνεται με το σύστημα τηλεμετρίας TDRS (Tracking & Data Relay Satellite). Είναι μία κατευθυνόμενη κεραία όπου όλα τα συστήματα της στηρίζονται σε έναν αναπτυγμένο βραχίονα στην άκρη του σκάφους. Τα δεδομένα 17

33 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV εντολών και μηχανικής τηλεμετρίας μεταδίδονται μέσω της S-Band. Τα επιστημονικά δεδομένα μεταφέρονται μέσω της Ku-Band με ταχύτητα 150Mbit/s όμως υπάρχει και η δυνατότητα επικοινωνίας μέσω X-Band. Ο ονομαστικός χρόνος επικοινωνίας με τον δορυφόρο είναι δυο φορές ανά τροχιά για 12 λεπτά. 2.6 Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ASTER Το πρώτο ψηφιακό μοντέλο εδάφους του ASTER είναι ένα αποτέλεσμα 1,3 εκατομμυρίων εικόνων που συλλέχθηκαν το διάστημα από τη δορυφορική αποστολή Terra και παρέχει υψομετρική πληροφορία της επιφάνειας της Γης που βρίσκεται στην ζώνη 83 ο Β 83 ο Ν χωρισμένη σε 22,600 μέρη διαστάσεων 1 ο x 1 ο δηλαδή 3601x3601 εικονοστοιχείων. Για να συμπεριληφθεί μια τέτοια εικόνα στο τελικό αποτέλεσμα θα πρέπει να περιέχει τουλάχιστον 0,01% χερσαίο κομμάτι της γήινης επιφάνειας. Η μορφή με την οποία διανέμεται το υλικό είναι GeoTIFF γεω-αναφερμένο στο παγκόσμιο γεωγραφικό σύστημα WGS84 χρησιμοποιώντας ως μοντέλο γεωειδούς το EGM96. Η χωρική ανάλυση των εικόνων είναι της τάξης της 1 της μοίρας που αντιστοιχεί περίπου σε 30m. Η εκτιμώμενη ακρίβεια για αυτό το παγκόσμιο προϊόν πριν την απελευθέρωση του για χρήση ήταν 20m για την υψομετρική πληροφορία και 30m για την οριζοντιογραφική, για διάστημα εμπιστοσύνης 95% (lpdaac.usgs.gov, 2014). Για την ολοκλήρωση του ψηφιακού μοντέλου εδάφους και την εξαγωγή της δοκιμαστικής έκδοσης χρειάστηκε ένα έτος επεξεργασίας το οποίο εκτός των άλλων εμπεριείχε και διόρθωση του DEM λόγω κάλυψης περιοχών από νέφη, αφαίρεση ακραίων τιμών και επαναπροσδιορισμό των τιμών υπολογίζοντας κατά μέσω όρο τις επιλεγμένες προβληματικές περιοχές. Η πρώτη ολοκληρωμένη έκδοση του ASTER GDEM διαφέρει ελάχιστα με την δοκιμαστική έκδοση με την σημαντικότερη, ίσως, αλλαγή την θέσπιση της τιμής στα εικονοστοιχεία που έμειναν κενά μετά την διόρθωση των υψομετρικών ανωμαλιών από την κάλυψη των νεφών και ανιχνεύθηκαν στην Ευρασιατική ήπειρο Βορειότερα των 60 ο γεωγραφικού πλάτους. Η δεύτερη έκδοση του ASTER GDEM κυκλοφόρησε το 2011 και σκοπό είχε τη βελτίωση της υψομετρικής και οριζοντιογραφικής ακρίβειας, την συμπλήρωση των κενών, τη βελτιωμένη ανάλυση, τη μειωμένη παρουσία αντικειμένων και πιο ρεαλιστικές τιμές στις υδάτινες επιφάνειες έναντι αυτών που υπήρχαν στην πρώτη έκδοση. Εντάχθηκαν επιπλέον εικόνες, που λήφθηκαν από τον δορυφόρο Terra από τον Σεπτέμβριο του 2008 έως τον Οκτώβριο του 2010, και πραγματοποιήθηκαν σημαντικές ενημερώσεις στον αλγόριθμο του ώστε να βελτιώσουν την κάλυψη του μοντέλου και να ελαχιστοποιηθούν τα κενά πληροφορίας. Έτσι χρησιμοποιήθηκε μικρότερο «παράθυρο» ομαλοποιημένης αντιστοιχίας συσχέτισης (Correlation Kernel) 5x5 έναντι 9x9 που εφαρμόστηκε στην πρώτη έκδοση ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη χωρική ανάλυση και να βελτιωθεί η κάλυψη του νερού που πλέον μπορεί να αναγνωρίσει περιοχές νερού με έκταση έως 1km 2. Επίσης μία συστηματική μετατόπιση της τάξης των 5m στο υψόμετρο που παρατηρήθηκε στην πρώτη έκδοση απορροφήθηκε, με συνολική ακρίβεια πλέον περίπου 17m για διάστημα εμπιστοσύνης 95%. Παρόλα αυτά η δεύτερη έκδοση του ψηφιακού μοντέλου συνεχίζει να παρουσιάζει έναν σημαντικό αριθμό προβλημάτων όπως λωρίδες με εσφαλμένες τιμές και μεμονωμένες ακραίες τιμές που δημιουργούν αιχμές και μπορεί να προκαλέσει ζητήματα σε μερικές εφαρμογές (Li P., et al, 2012). 18

34 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV 2.7 Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος και το πρόγραμμα Copernicus Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος (EEA - European Environmental Agency) εγκρίθηκε το 1990, ξεκίνησε η λειτουργία του στα τέλη του 1993 και αποτελεί έναν οργανισμό της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Ο σκοπός του οργανισμού είναι να αντλεί να επεξεργάζεται και να παρέχει έγκυρες πληροφορίες για το περιβάλλον, να λαμβάνει μέρος και να ενημερώνει τα κράτη μέλη ώστε να γίνεται ορθή λήψη αποφάσεων σχετικά με τον παράγοντα περιβάλλον και την βιωσιμότητα αυτών. Ο ΕΟΠ αποτελείται πλέον από 33 κράτη μέλη όπου συνεργάζονται μέσω του Ευρωπαϊκού Δικτύου Πληροφοριών και Παρατήρησης για το Περιβάλλον (Eionet - European Environment information and observation network) που είναι ένα σύνολο εταιριών, εθνικών υπηρεσιών ή υπουργείων περιβάλλοντος που είναι υπεύθυνα για τον συντονισμό των εθνικών δικτύων. Το πρόγραμμα Copernicus είναι ένα ευρωπαϊκό σύστημα παρακολούθησης της Γης και οργανώνεται και συντονίζεται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή (European Commission). Η ανάπτυξη και η επίβλεψη του προγράμματος γίνεται υπό την επίβλεψη της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA - European Space Agency) για το διαστημικό μέρος της λειτουργίας του προγράμματος και από το ΕΟΠ και τις χώρες της ΕΕ για την διαχείριση και ανάπτυξη πληροφοριών από μη δορυφορικά δεδομένα και σταθερούς επίγειους σταθμούς παρατήρησης. Το Copernicus είναι ένα πολύπλοκο σύστημα, αποτελούμενο από δεδομένα που συλλέγονται από διαφορετικές πηγές όπως δορυφόρους παρατήρησης, επίγειους σταθμούς και τοπικούς χερσαίους, θαλάσσιους και εναέριους αισθητήρες. Τα δεδομένα επεξεργάζονται με σκοπό την παροχή αξιόπιστων και ενημερωμένων πληροφοριών, στους χρήστες, για ζητήματα περιβάλλοντος και ασφάλειας. Το πρόγραμμα ακολουθεί και επεκτείνει σε μεγάλο βαθμό τον σκοπό και το έργου του προγράμματος EnviSat, που λειτούργησε από το 2002 έως το 2012, και το κόστος για την περίοδο εκτιμάται να αγγίξει τα 6,7 δισεκατομμύρια ευρώ από τα οποία τα 4,3 να δαπανούνται το διάστημα Η ESA, ως κύριος εταίρος του προγράμματος, επιβλέπει και συγχρηματοδοτεί την ανάπτυξη των δορυφορικών αποστολών Sentinel και παρέχει όργανα για τους μετεωρολογικούς δορυφόρους MTG και MetOp-SG του EUMETSAT. Η ESA και η EUMETSAT συντονίζουν επίσης και την παράδοση δεδομένων από περισσότερους από 30 δορυφόρους από δορυφορικές αποστολές που συνεισφέρουν στο πρόγραμμα Copernicus. Όπως προαναφέρθηκε η ESA δεν χρησιμοποιεί μόνο τις δικές τις δορυφορικές αποστολές (Σειρά δορυφορικών αποστολών Sentinel) για να αντλήσει πληροφορίες για την Γη αλλά υπάρχει και ένα σύνολο δορυφορικών αποστολών που συνεισφέρουν και έχουν καθοριστικό ρόλο στην παροχή συμπληρωματικών δεδομένων εξασφαλίζοντας ένα ευρύ φάσμα παρατηρήσεων. Τα δεδομένα αυτά προσφέρονται στο Copernicus κυρίως από ευρωπαϊκούς και διεθνής φορείς αλλά και από το EUMETSAT που έχουν δικαίωμα εκμετάλλευσης στις δορυφορικές αυτές αποστολές και η φύση των δεδομένων κατηγοριοποιείται ως εξής: Δεδομένα SAR για την συνεχή παρακολούθηση της Γης και των ωκεανών. Οπτικοί αισθητήρες για την παρακολούθηση της δραστηριότητας της Γης και την δυναμική των ωκεανών. Δεδομένα από ραδιόμετρα για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας της Γης. Δεδομένα από φασματόμετρα για την παρατήρηση της ποιότητας του αέρα. 19

35 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV Ακόμα και αν οι δορυφόροι Sentinel βρίσκονται σε λειτουργία τα συμπληρωματικά αυτά δεδομένα αντλούνται ώστε να διασφαλιστεί η διάθεση ικανοποιητικού όγκου δεδομένων και την επίτευξη του βέλτιστου δυνατού αποτελέσματος. Φυσικά οι υπηρεσίες του προγράμματος δεν βασίζονται μόνο στα δορυφορικά δεδομένα. Υπάρχει ένα επίγειο δίκτυο παρακολούθησης και παρατήρησης φαινομένων για την παροχή ολοκληρωμένων πληροφοριών αλλά και για την βαθμονόμηση και επικύρωση των δορυφορικών δεδομένων. Το δίκτυο αυτό, σε συνδυασμό με τα δορυφορικά δεδομένα συμβάλει επίσης στη δημιουργία τελικών προϊόντων. Τα δίκτυα αυτά διαχειρίζονται από τα κράτη μέλη και από διεθνής οργανισμούς και διατίθενται στις υπηρεσίες του προγράμματος και από την άλλη πλευρά ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Περιβάλλοντος καθοδηγεί το Copernicus για την διασφάλιση της προσβασιμότητας των χρηστών στα δεδομένα με έγκυρο και βιώσιμο τρόπο. Οι τομείς ενασχόλησης του προγράμματος ακολουθούνται από εφαρμογές που επηρεάζουν πολλές δραστηριότητες όπως τη γεωργία, το θαλάσσιο περιβάλλον, την κλιματική αλλαγή, τις χρήσεις γης, στους φυσικούς πόρους, στην ασφάλεια και στις καταστροφές, στις μεταφορές και στα σχέδια πόλεων. Το ευρύ φάσμα ενασχόλησης του προγράμματος ανέπτυξε την ανάγκη να δημιουργηθούν έξι εξειδικευμένες υπηρεσίες ανάλογα με τον τομέα παρακολούθησης και είναι οι εξής: CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service): Η υπηρεσία αυτή παρέχει πληροφορίες και δεδομένα σχετικά με την ατμόσφαιρα. Περιγράφει και αναλύει την τρέχουσα κατάσταση και έχει την δυνατότητα να προβλέπει την ιδιοσυγκρασία της ατμόσφαιρας μελετώντας παλαιότερα δεδομένα. Επίσης υποστηρίζει πολλές εφαρμογές σε τομείς όπως η υγεία, περιβαλλοντική παρακολούθηση, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μετεωρολογία και κλιματολογία επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον της στην ανάλυση της ποιότητας του αέρα και την ατμοσφαιρική σύνθεση, ερευνώντας το στρώμα του όζοντος και την υπεριώδη ακτινοβολία, τις εκπομπές των αερίων και τις ροές τους στην επιφάνεια της Γης, την ηλιακή ακτινοβολία και την βεβιασμένη αλλαγή του κλίματος. CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service): Η CMEMS παρέχει τακτικές και συστηματικές πληροφορίες σχετικά με την φυσική κατάσταση, τη μεταβλητότητα και τη δυναμική των ωκεανών σε παγκόσμιο επίπεδο και των τοπικών ευρωπαϊκών θαλασσών. Οι παρατηρήσεις και οι μελέτες της υπηρεσίας εφαρμόζονται για την θαλάσσια ασφάλεια, την ανάλυση των θαλάσσιων πόρων και του παράκτιου περιβάλλοντος και γίνονται εποχιακές προβλέψεις για την αλλαγή του κλίματος. CLMS (Copernicus Land Monitoring Service): Η CLMS παρέχει γεωγραφικές πληροφορίες για την κάλυψη της Γης, με παραμέτρους και μεταβλητές που σχετίζονται με αυτήν όπως για παράδειγμα την κατάσταση της βλάστησης και τον κύκλο του νερού. Οι εφαρμογές της καλύπτουν τομείς όπως ο χωροταξικός σχεδιασμός, η διαχείριση των δασών και των υδάτων, η γεωργία και η επισιτιστική ασφάλεια. Η υπηρεσία αυτή αποτελείται από τα εξής τρία μέρη: 1) Το παγκόσμιο μέρος που συντονίζεται από την JRC (Joint Research Center) της Ευρωπαϊκής επιτροπής και παράγει ένα ευρύ φάσμα δεδομένων παγκόσμιας κάλυψης, τα οποία περιγράφουν την κατάσταση της βλάστησης τα αποθέματα της ενέργειας και τον κύκλο του νερού. 2) Το παν-ευρωπαϊκό μέρος που συντονίζεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος (ΕΕΑ) και παράγει 5 σύνολα δεδομένων που περιγράφουν τον τύπο 20

36 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV της κάλυψής του εδάφους τα οποία είναι οι τεχνητές επιφάνειες, οι δασικές εκτάσεις, οι αγροτικές περιοχές, οι βαλτώδεις περιοχές, και τα υδάτινα συστήματα. 3) Το τοπικό μέρος όπως και το πανευρωπαϊκό συντονίζεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος. Παρέχει ειδικές και λεπτομερείς συμπληρωματικές πληροφορίες στο παν-ευρωπαϊκό τμήμα και επικεντρώνεται σε σημεία ενδιαφέροντος που είναι επιρρεπή σε περιβαλλοντικές προκλήσεις. Εκτός από τα παραπάνω η CLMS παρέχει υδρογραφικά και ψηφιακά μοντέλα εδάφους με τις ονομασίες EU-hydro και EU-DEM αντίστοιχα. C3S (Copernicus Climate Change Service): Η υπηρεσία ανταποκρίνεται στις συσχετιζόμενες με τον άνθρωπο περιβαλλοντικές και κοινωνικές προκλήσεις που προκαλούν κάθε είδους κλιματική αλλαγή. Βασιζόμενη σε ένα δορυφορικό και επίγειο δίκτυο παρατηρήσεων παρακολουθεί και προβλέπει την αλλαγή κλίματος μέσω μοντέλων και επανεξετάζει τα ήδη υπάρχοντα σενάρια CEMS (Copernicus Emergency Management Service): Παρέχει σε όλους τους φορείς που είναι υπεύθυνοι για την διαχείριση φυσικών καταστροφών και έκτακτων ανθρωπογενών καταστάσεων ακριβείς γεω-χωρικές πληροφορίες οι οποίες προέρχονται από δορυφορική τηλεπισκόπηση, επίγειες παρατηρήσεις και «ανοιχτές» πηγές δεδομένων. Η υπηρεσία χωρίζεται στον κλάδο της χαρτογράφησης και στον κλάδο της έγκαιρης προειδοποίησης. Ο κλάδος της χαρτογράφησης παρέχει στους προαναφερθείς τομείς χάρτες παγκόσμιας κάλυψης βασισμένους σε δορυφορικές εικόνες και συνδυαστικά με άλλες πηγές δεδομένων προσφέρει υπηρεσίες υποστήριξης γεω-χωρικών αναλύσεων και διαχείρισης λήψης αποφάσεων έκτακτης ανάγκης από την φάση της πρόληψης έως και της αντιμετώπισης. Αντίστοιχα ο κλάδος της έγκαιρης προειδοποίησης διαχωρίζεται σε τρία μέρη προσφέροντας προβλέψεις για επερχόμενες πλημμύρες έως και 10 μέρες νωρίτερα, παροχή σε σχεδόν πραγματικό χρόνο στοιχείων και ιστορικών πληροφοριών για τις πυρκαγιές των δασών στις περιοχές της Ευρώπης, της Μέσης Ανατολής και της βόρειας Αφρικής και πληροφορίες σχετικά με την ξηρασία, δίνοντας έγκυρες και έγκαιρες προειδοποιήσεις στην περιοχή της Ευρώπης. CSS (Copernicus Security Service): Η υπηρεσία CSS παρέχει εφαρμογές ασφαλείας στις πολιτικές δράσης και αντιμετώπισης της Ευρωπαϊκής Ένωσης παραχωρώντας πληροφορίες για την διασφάλιση και βελτίωση της πρόληψης κρίσεων αλλά και την αντιμετώπιση αυτών μέσα από τρείς βασικούς τομείς: 1) Με την επίβλεψη των συνόρων και την μείωση των εισαχθέντων παράνομων μεταναστών αλλά και την διάσωση αυτών κατά την είσοδο τους στην EE για την μείωση των θανάτων. 2) Επιτήρηση των θαλάσσιων περιοχών για την ασφαλή ναυσιπλοΐα, τον έλεγχο της αλιείας και την καταπολέμηση της ρύπανσης των θαλασσών 3) Προώθηση των βέλτιστων συνθηκών για την οικονομική ανάπτυξη και την σταθεροποίηση των ανθρωπίνων δικαιωμάτων, την θεμελίωση της δημοκρατίας και της ελευθερίας λόγου με βασικό στόχο την βοήθεια της ΕΕ σε τρίτες χώρες για την αποφυγή κρίσεων και αποφυγή της αποσταθεροποίησης και των παγκόσμιων απειλών. 21

37 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV 2.8 Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους EU-DEM Το EU-DEM είναι ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους που δημιουργήθηκε από την υπηρεσία CLMS του προγράμματος Copernicus και παρέχει υψομετρική πληροφορία και για τα 33 κράτη μέλη αλλά και για τα 6 συνεργαζόμενα. Καλύπτει μία περιοχή έκτασης 5,84Μ km 2 με διακριτική ικανότητα 1arc-sec, δηλαδή περίπου 25m, και αποτελεί ένα υβρίδιο βασιζόμενο στα ψηφιακά μοντέλα εδάφους SRTM 3arc-sec και ASTER-GDEM_v1 που συγχωνεύονται μέσω σταθμισμένης προσέγγισής του μέσου όρου. Τα παραπάνω δεδομένα εμπλουτίστηκαν και με Ρώσικους χάρτες για την βέλτιστη προσέγγιση του ανάγλυφου. Το οριζοντιογραφικό σύστημα αναφοράς του είναι το ETRS89, το ελλειψοειδές του είναι το GRS80 ενώ αντίστοιχα το κατακόρυφο σύστημα αναφοράς του είναι το EVRS2000 με γεωειδές EGG08. Τα δεδομένα διατίθενται δωρεάν ΕΕΑ σε μορφή GeoTIFF με συμπίεση LZW ή DEFLATE με διαστάσεις πλευρών 5 o x5 o ή αλλιώς 1000x1000km (Indra, 2015). Εικόνα2.3 Γεωγραφική κάλυψη του ψηφιακού μοντέλου εδάφους EU-DEM χωρισμένη σε περιοχές διαστάσεων 5 ο x5 o όπως διατίθενται (Πηγή: Η πρώτη έκδοση του EU-DEM διατέθηκε για δημόσια χρήση μετά τον έλεγχο της GMES (Global Monitoring Environment and Security), που αφορούσε την πρόσβαση στα δεδομένα αναφοράς, και με την στατιστική έκθεση επικύρωσης (EU-DEM Statistical Validation Report [RD10]). Το αποτέλεσμα της έκθεσης ανέλαβε ένας ανεξάρτητος φορέας παροχής υπηρεσιών GIS,που ονομάζεται GIO, μετά από αίτηση της ΕΕΑ. Η έκθεση δημοσιεύτηκε τον Αύγουστο του 2014 επιβεβαιώνοντας τις συνολικές τιμές των χαρακτηριστικών του EU-DEM με μικρές αποκλίσεις ως προς το υψόμετρο της τάξης των 0,56m και στην συνολική ακρίβεια(rmse) απόκλιση 2,9m, από τα 7m της ονομαστικής ακρίβειας, όπου ήταν εντός των αποδεκτών ορίων. Πραγματοποιήθηκαν, μεταγενέστερα, επιπρόσθετες έρευνες για την βελτίωση του ψηφιακού μοντέλου εδάφους από την EEA, JRC, Eurostat και από τον ανάδοχο φορέα του έργου DHI-Gras αναγνωρίζοντας ότι πρέπει να διορθωθούν κάποια προβλήματα της πρώτης έκδοσης όπως την ορθή οριοθέτησης των ακτογραμμών, την διόρθωση των διευθύνσεων και του μεγέθους των ποταμών, διόρθωση του DEM στις Σκανδιναβικές χώρες και αναθεώρηση του ώστε να υπάρχει αντιστοιχία των λεκανών απορροής με το EU-hydro. Έτσι, δημιουργήθηκε μία δεύτερη έκδοση, η EU-DEM v1.1, τον Οκτώβριο του 2015 στην οποία αντιμετωπίστηκαν πολλά από τα προβλήματα που υπήρχαν στην πρώτη με τα κυριότερα να είναι: 22

38 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV Η επιδιόρθωση της συστηματικής απόκλισης που υπήρχε στην υψομετρική πληροφορία μέσω δεδομένων της δορυφορικής αποστολής ICESat Επιδιόρθωση συστηματικού σφάλματος γεωγραφικής τοποθέτησης (Μάλτα και Νησιά Λαμπεντούζα) Αναζήτηση και επιδιόρθωση των ανωμαλιών του ψηφιακού μοντέλου εδάφους όπως κοιλότητες, αιχμές και χονδροειδή σφάλματα. Πάνω από σφάλματα ανιχνεύτηκαν και επιδιορθώθηκαν. Συνοχή με την αναβαθμισμένη έκδοση του EU-hydro προκειμένου να βελτιωθεί η τοπολογία του δικτύου των ποταμών. Εκτός όλων των παραπάνω, έχει δημιουργηθεί και μία έκδοση του EU-DEM με χρωματικά σκιασμένη εικόνα του ανάγλυφου, όμως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σκοπούς ανάλυσης, και επίσης εμπεριέχει τα σφάλματα του EU-DEM v1.0 (Probeck, 2017). 2.9 Ιαπωνική δορυφορική αποστολή DAICHI Η διαστημική αποστολή DAICHI (προέρχεται από την Ιαπωνική γλώσσα και σημαίνει «Γη») είναι ένα αποτέλεσμα μελέτης και έρευνας της Ιαπωνικής διαστημικής υπηρεσίας εξερεύνησης JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Η JAXA δημιουργήθηκε από την συνένωση τριών ανεξάρτητων οργανισμών τον Οκτώβριο 2003 και είναι υπεύθυνη για την έρευνα, την ανάπτυξη της τεχνολογίας, την εκτόξευση δορυφόρων αλλά και για πιο προηγμένες αποστολές όπως η εξερεύνηση αστεροειδών και πιθανές επανδρωμένες εξερευνήσεις της Σελήνης. Η JAXA ήταν υπεύθυνη και για την ανάπτυξη και ολοκλήρωση της δορυφορικής αποστολής ALOS (Advanced Land Observation Satellite), ή αλλιώς DAICHI, όμως η κατασκευή έγινε από την NEC, την Toshiba και την Mitsubishi Electric Corp. Στόχος απαιτούσε έναν τόσο υψηλής ανάλυσης οπτικό αλλά και SAR αισθητήρα ώστε οι χρήστες να μπορούν να δημιουργούν χάρτες σε κλίμακα 1:25000 για εφαρμογές όπως την δημιουργία χαρτογραφικών υποβάθρων και παρακολούθηση του περιβάλλοντος και των κινδύνων. Συνεπώς υπήρχε η ανάγκη συλλογής δεδομένων με οριζοντιογραφική ανάλυση 2,5m για τον προσδιορισμό της χερσαίας κατάστασης, 3-5m υψομετρικής ακρίβειας για την δημιουργία χαρτών υψομετρικής πληροφορίας ενώ για την κάλυψη και τις χρήσεις γης χρησιμοποιήθηκε όργανο συλλογής πολυφασματικών δεδομένων χωρικής ανάλυσης 10m. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της αποστολής είναι ότι η χαρτογράφηση των χερσαίων περιοχών για χαρτογραφικές περιοχές έγιναν χωρίς την ανάγκη επίγειων σημείων ελέγχου όπως επίσης και τα δεδομένα για την παρακολούθηση των φυσικών καταστροφών σε παγκόσμια κλίμακα χρησιμοποιήθηκαν και ως συμπληρωματικά δεδομένα άλλων δορυφορικών αποστολών (Hamazaki, 1999). Η εκτόξευση του δορυφόρου πραγματοποιήθηκε στις 24 Ιανουαρίου 2006 από το διαστημικό κέντρο του Τανεγκασίμα μέσω του σκάφους H-IIA rocket No8 και ύστερα από τρείς καθυστερήσεις που οφείλονταν στο καιρό αλλά και σε προβλήματα των αισθητήρων. Ο δορυφορικός σταθμός είχε βάρος 4.000kg με διαστάσεις 18.9m x 27.4m x 6.2m και χρειαζόταν ενέργεια ίση με 7000Watt. Η τροχιά του δορυφόρου ήταν συγχρονισμένη με τον ήλιο, χρησιμοποιούσε γεωκεντρικό σύστημα αναφοράς και με μεγάλο ημιάξονα της ελλειπτικής του τροχιάς στα 7.066km. Το περίγειο του δορυφόρου από την Γη ήταν 693,8km ενώ το απόγειο του ήταν 696,3km με περίοδο τροχιάς 98,5min και κλίση 98,0 ο. 23

39 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV Για την επίτευξη των στόχων η δορυφορική αποστολή DAICHI χρησιμοποίησε τρία βασικά όργανα με τα οποία θα μπορούσαν να αντληθούν όλα τα απαραίτητα δεδομένα και με την κατάλληλη ακρίβεια. Το σύνολο των οργάνων αποτελούνται από έναν παγχρωματικό αισθητήρα για την δημιουργία στερεοσκοπικών χαρτών και ψηφιακών μοντέλων εδάφους, ένα ραδιόμετρο στο φάσμα του ορατού και του κοντινού υπέρυθρού για την παρακολούθηση καταστροφών και έναν αισθητήρα SAR για την αναγνώριση των χρήσεων Γης. Πιο συγκεκριμένα, ο αισθητήρας PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping) έχει ως στόχο τη λήψη στερεοσκοπικών δεδομένων με μέγεθος εικονοστοιχείου 2,5m για την εξαγωγή πληροφορίας που θα είναι χρήσιμη σε χαρτογραφικές εφαρμογές όπως τη δημιουργία ψηφιακού μοντέλου εδάφους. Το όργανο αυτό αποτελείται από τρείς παγχρωματικοί αισθητήρες (εύρος φάσματος 0,52-0,77μm) τοποθετημένοι σε μία ευθεία και προσανατολισμένοι σε διαφορετικές γωνίες ώστε να επιτευχθεί η στερεοσκοπική μέθοδος. Το κάθε ένα τηλεσκόπιο έχει διάμετρο ανοίγματος 30cm μήκος εστιακής απόστασης 2m και αρκετούς CCD αισθητήρες για την επίτευξη της σάρωσης. Το τηλεσκόπιο στη θέση ναδίρ έχει πλάτος σάρωσης ίσο με 70km ενώ της εμπρόσθιας και της οπίσθιας είναι ίσο με 35km και έχουν κλίση από το ναδίρ 23,8 ο. Τα οπτικά συστήματα του PRISM είναι τοποθετημένα σε μία άκαμπτη πλατφόρμα όπου ελέγχεται η θερμοκρασία τους με ένα εύρος 3 ο C ώστε να ελαχιστοποιούνται οι στρεβλώσεις στο οπτικό τους σύστημα. Το ANVIR-2 είναι ένα όργανο της JAXA προερχόμενο από το ANVIR, που χρησιμοποιήθηκε στη δορυφορική αποστολή ADEOS, κατασκευασμένο από την Mitsubishi Electric Corporationκαι παρέχει υψηλής ανάλυσης (10m) πολυφασματικά δεδομένα και με πλάτος σάρωσης 70km. Το άνοιγμα του τηλεσκοπίου είναι 24cm και έχει εστιακή απόσταση 800mm. Έχει δυνατότητα προσανατολισμού με εύρος 88 ο εγκάρσια της κατεύθυνσης του σκάφους παρέχοντας έτσι ένα αρκετά μεγάλο πεδίο προσοχής για την παρακολούθηση καταστροφών αλλά και την αναγνώριση χρήσεων γης και κάλυψης του εδάφους. Τα φασματικά κανάλια που χρησιμοποιούνται είναι τέσσερα με την Band-1 να έχει εύρος 0,42-0,50μm, την Band μm, την Band-3 0,61-0,69μm και την Band μm. Επίσης, χρησιμοποιείται η τεχνική συμπίεσης DPCM (Differential Pulse Code Modulation) των δεδομένων χωρίς την ύπαρξη απώλειας τους με κωδικοποίηση Huffman ώστε οι ανάγκες μεταφοράς δεδομένων να μειωθούν από 160Mbit/s σε 120Mbit/s. Για την παρακολούθηση των πόρων και των χρήσεων Γης η δορυφορική αποστολή ALOS πρόσθεσε στο σκάφος της ένα ραντάρ συνθετικού ανοίγματος με συχνότητα εκπομπής της L-Band. Το PALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) αναπτύχθηκε από την JAXA σε συνεργασία με την οργάνωση συστημάτων παρακολούθησης πόρων της Ιαπωνίας JAROS (Japan Resources Observation System Organization) και το υπουργείο οικονομίας, εμπορίου και βιομηχανίας METI (Ministry of Economy, Trade & Industry). Το όργανο είναι τοποθετημένο στο σκάφος με τέτοιο τρόπο που το εκπεμπόμενο ραδιοκύμα έχει εύρος πρόσπτωσης από 8 ο έως 60 ο ενώ η κεραία του έχει μήκος 8,9m και πλάτος 3,1m. Το PALSAR παρέχει υψηλότερη απόδοση από το όργανο SAR που χρησιμοποιήθηκε στην δορυφορική αποστολή JERS-1 καθώς χρησιμοποιεί την τεχνική ScanSAR που του επιτρέπει να έχει πλάτος σάρωσης από km. Με άλλα λόγια, έχει τρείς έως πέντε φορές ευρύτερο πλέγμα σάρωσης εις βάρος όμως της χωρικής ανάλυσης. Ποιο αναλυτικά το PALSAR έχει την δυνατότητα τεσσάρων διαφορετικών λειτουργιών ανάλογα με την γωνία και την πόλωση του εκπεμπόμενου σήματος και χωρίζονται ως εξής. Η FB (Fine Beam) χρησιμοποιείται στο εύρος γωνιών 9,9 ο 50,8 ο με τέσσερις εναλλαγές πόλωσης. Στην μεμονωμένη χρησιμοποιούνται οι HH ή VV ενώ στην διπλή πόλωση οι HH + HV ή VV + VH. Η συχνότητα εκπομπής είναι 28MHz για την μονή πόλωση και 14MHz για την 24

40 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV διπλή. Το πλάτος σάρωσης κυμαίνεται από 40-70km και η χωρική ανάλυση των δεδομένων από 7-44m για την μονή πόλωση και 14-88m για την λειτουργία της διπλής πόλωσης. Η PLR (Polarimetry Mode), ή αλλιώς λειτουργία τετραπλής πόλωσης, χρησιμοποιεί μία πολωσιμετρική λειτουργία με συχνότητα 14MHZ και τετραπολικό σήμα (HH + HV + VH + VV). Η γωνία πρόσπτωσης του σήματος κυμαίνεται από 8 ο -30 ο, το πλάτος σάρωσης είναι 30km και η χωρική ανάλυση των δεδομένων είναι 30m. Η λειτουργία ScanSAR είναι διαθέσιμη μόνο με σήματα απλής πόλωσης (HH ή VV) και λειτουργεί χρησιμοποιώντας 3,4 ή 5 δέσμες ακτινών που μεταδίδονται με συχνότητα 14MHz ή 28MHz. Στα πλαίσια της δορυφορικής αποστολής επιλέχθηκε η λειτουργία 5 δεσμών ακτινών με πόλωση HH. Το πλάτος σάρωσης είναι 350km και το εύρος της γωνίας πρόσπτωσης είναι 18 ο -43 ο και η χωρική ανάλυση των δεδομένων φτάνει τα 100m. Η τέταρτη λειτουργία του οργάνου αφορά την απευθείας μετάδοση των δεδομένων στους σταθμούς εδάφους. Αποτελεί ένα εφεδρικό σύστημα αποστολής δεδομένων της FB λειτουργίας σε περίπτωση που ο δορυφόρος DRTS δεν είναι διαθέσιμος με ταχύτητα μετάδοσης 120Mbit/s (Osawa). Η μεταφορά του μεγάλου όγκου δεδομένων πραγματοποιείται μέσω του δορυφόρου KODAMA (DRTS) με ταχύτητα 240Mbit/s. Είναι ένα δορυφορικό σκάφος που εκτοξεύθηκε το 2002 από το διαστημικό κέντρο του Τανεγκασίμα και λειτουργεί ως κέντρο επικοινωνίας δεδομένων μεταξύ διαστημικών σκαφών χαμηλής τροχιάς ( km) και των επίγειων σταθμών. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να επεκταθεί η επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο μεταξύ των δορυφόρων και των επίγειων σταθμών εδάφους. Σε γενικές γραμμές τα όργανα του ALOS είναι σε θέση να παρακολουθούν και να αντλούν πληροφορίες για την επιφάνεια της Γης εντός των ακόλουθων ορίων: Οποιοδήποτε σημείο εντός δυο ημερών Το 60% της περιοχής του ισημερινού μέσα σε μία μέρα Το 70% των περιοχών που βρίσκονται σε γεωγραφικό πλάτος 35 ο σε διάστημα μίας ημέρας Όλες τις περιοχές σε γεωγραφικό πλάτος μεγαλύτερο των 55 ο εφόσον δεν υπάρχουν νέφη που να παρεμποδίζουν τις παρατηρήσεις των οπτικών οργάνων Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ALOS (AW3D30) Το AW3D30 είναι ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους σχεδόν παγκόσμιας κάλυψης με χωρική ανάλυση 30m και έχει δημιουργηθεί μέσω στερεοσκοπίας από τις παγχρωματικές εικόνες που λήφθηκαν από το όργανο PRISM της δορυφορικής αποστολής ALOS το διάστημα Χρησιμοποιώντας περίπου τρία εκατομμύρια στερεοσκοπικές εικόνες η JAXA κατάφερε να δημιουργήσει ένα DSM και έναν ορθοφωτοχάρτη υψηλής ακρίβειας. Το εμπορικό προϊόν (AW3D) του οργανισμού προσφέρει χωρική ανάλυση ίση με 0,15arc-sec (περίπου 5m) από 80 ο Βόρεια έως 80 ο Νότια. Για μη εμπορικούς σκοπούς, όπως για παράδειγμα εκπαιδευτικούς ή ερευνητικούς, προσφέρεται ελεύθερα ψηφιακό μοντέλο χωρικής ανάλυσης 1arc-sec (περίπου 30m) το οποίο δημιουργήθηκε και αναπτύχθηκε βάση του AW3D. Τον Μάιο του 2016 δόθηκε για δημόσια 25

41 Κεφάλαιο 2: Παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους και ψηφιακά μοντέλα από συστήματα UAV χρήση η πρώτη ολοκληρωμένη έκδοση, ενώ τον Μάρτιο του 2017 διατέθηκε μία βελτιωμένη έκδοση, με την ονομασία AW3D30 v1.1, στην οποία διορθώθηκαν εικονοστοιχεία με κενές τιμές για τις περιοχές μεταξύ 60 ο Βόρεια και 60 ο Νότια. Για την κάλυψη των κενών αυτών χρησιμοποιήθηκαν βοηθητικά ψηφιακά μοντέλα εδάφους όπως το NLMI DEM της Ιαπωνίας, το SRTM-v3 και το PRISM DSM. Για να διασφαλιστεί η ομαλή συνέχεια της τοπογραφίας στα όρια των κενών χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Delta Surface Fill η οποία συμπληρώνει την κενή πληροφορία με προσαρμοσμένες τιμές που υπολογίζονται από έγκυρες τιμές των κοντινών εικονοστοιχείων του DEM αλλά ταυτόχρονα και με πληροφορία από άλλα ψηφιακά μοντέλα αναφοράς. Παρόλα αυτά στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη εξακολουθούν να υπάρχουν περιοχές χωρίς δεδομένα. Τα εικονοστοιχεία με κενή πληροφορία χαρακτηρίζονται από την τιμή «-9999». Η ονομαστική του ακρίβεια είναι 5m (τυπική απόκλιση). Το AW3D30 προσφέρεται σε περιοχές διαστάσεων 1 o x1 o και η μορφή του αρχείου είναι GeoTIFF signed 16bit. Το σύστημα αναφοράς των εικόνων είναι το WGS84, η υψομετρική πληροφορία βασίζεται στο γεωειδές EGM96 ενώ η κατακόρυφη ακρίβεια του είναι περίπου 5m (τυπική απόκλιση) (EORC, JAXA, 2017) Παρόμοιες εργασίες στον Ελλαδικό χώρο. Από την αρχή της κυκλοφορίας των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους εμφανίζεται μεγάλο ενδιαφέρον για την εξέταση της ποιότητας και της αξιοπιστίας τους. Αν και υπάρχουν αρκετά GDEMS που προσφέρονται ελεύθερα προς επεξεργασία οι περισσότερες εργασίες περιορίζονται στην εξέταση του SRTM και του ASTER και σε τοπικό ή περιφερειακό επίπεδο. Κάποιες εργασίες που ξεχώρισαν για την αξιοπιστία τους και εφαρμόζονται στον ελλαδικό χώρο κρίνεται απαραίτητο να αναφερθούν καθώς η μεθοδολογία που ακολούθησαν αλλά κυρίως τα αποτελέσματα που πρόεκυψαν από αυτές αποτελούν μια εκτίμηση για την ορθότητα της εργασίας αυτής. Η πρώτη εργασία πραγματεύεται την αξιολόγηση της ακρίβειας των τεσσάρων εκδόσεων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους της δορυφορικής αποστολής SRTM. Η αξιολόγηση επιτυγχάνεται με την χρήση σημείων ελέγχου που συλλέχθηκαν με έναν GNSS δέκτη και με την μέθοδο του κινηματικού προσδιορισμού θέσης. Η κατάληξη της εργασίας αναγνωρίζει την ανωτερότητα της ποιότητας της πληροφορίας της τέταρτης έκδοσης έναντι των άλλων (Mouratidis et al, 2010). Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει και η εργασία του Κ. Γ. Νικολακόπουλου, του Ε. Κ. Καμαρατάκη και του Ν. Χρυσουλάκη που επικεντρώνεται στην σύγκριση της πρώτης και δεύτερης έκδοσης του ψηφιακού μοντέλου SRTM με υψομετρικά δεδομένα του GDEM ASTER στην περιοχή της Κρήτης. Τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας ανακαλύπτουν συστηματικά σφάλματα και χωρικές μετατοπίσεις που εμπεριέχονται στα μοντέλα καθώς και αυξημένα στατιστικά μεγέθη όπως το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (Nikolakopoulos et al, 2006a). Μία διαφορετική προσέγγιση της χρήσης των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους συναντάται στην εργασία του Κ. Γ. Νικολακόπουλου και του Ν. Χρυσουλάκη στην περιοχή της Αττικής. Η εργασία έχει ως στόχο την βελτίωση ισοϋψών καμπυλών σε τοπογραφικούς χάρτες αντλώντας υψομετρική πληροφορία από τα DEM ASTER και SRTM δίνοντας μία άλλη προοπτική στην εκμετάλλευση και αξιοποίηση δορυφορικών δεδομένων(nikolakopoulos et al, 2006). 26

42 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS 3 Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS 3.1 Τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας Πριν από την περιγραφή της επεξεργασίας των δεδομένων αλλά και του μέσου με την οποία πραγματοποιήθηκε αυτή, είναι σημαντικό να γίνει μια αναγνώριση των DEM και των χαρακτηριστικών τους. Έτσι λοιπόν, για την διεκπεραίωση της εργασίας αυτής αποφασίστηκε να γίνει αξιολόγηση παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους που διανέμονται ελεύθερα και η συλλογή τους μπορεί να επιτευχθεί μέσω επίσημων κέντρων διανομής χωρίς περιορισμό. Μετά από σχετική έρευνα επιλέχθηκαν τα παρακάτω ψηφιακά μοντέλα εδάφους από τα αντίστοιχα κέντρα διανομής τους: SRTM v3 μέσω του κέντρου διανομής της USGS ASTER v2 μέσω του κέντρου διανομής της USGS EU-DEM v1.1 μέσω του κέντρου διανομής της EEA ALOS v1 μέσω του κέντρου διανομής της JAXA Είναι απαραίτητο σε αυτό σημείο να αναφερθεί ότι για τον ελλαδικό χώρο δεν υπάρχει ο ίδιος όγκος δεδομένων που διανέμεται ελεύθερα σε σύγκριση με τη διαθεσιμότητα που υπάρχει για άλλες περιοχές του πλανήτη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχει περιορισμένη δυνατότητα επιλογής δεδομένων καθώς και την στέρηση δεδομένων από διαφορετικές μεθόδους παρατήρησης που προκαλούν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Η συλλογή και η αποθήκευση των δεδομένων από μια διαδικτυακή πλατφόρμα σε ένα τοπικό μέσο είναι μια αργή και επίπονη διαδικασία καθώς η ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων είναι χαμηλή και ο όγκος των δεδομένων μεγάλος. Αυτά τα δύο σε συνδυασμό με το γεγονός ότι τα δεδομένα είναι διαχωρισμένα σε εικόνες που αποτυπώνουν μια μικρή περιοχή η κάθε μία καθιστά την διαδικασία δυσκολότερη. 27

43 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Για την ευκολότερη κατανόηση και σύγκριση των περιγραφικών χαρακτηριστικών των ψηφιακών μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας παρατίθεται ο παρακάτω πίνακας με όλα τα στοιχεία που τα συνοδεύουν. DEM SRTM v3 ASTER v2 EU-DEM v1.1 ALOS v.1 Δορυφορική αποστολή Κέντρο διανομής Περίοδος συλλογής δεδομένων Έτος κυκλοφορίας Διακριτική ικανότητα Ακρίβεια (τυπ. Απόκλιση) Γεωγραφική Κάλυψη Κάλυψη επί του συνόλου της Γης Σύστημα αναφοράς Σύστημα συντεταγμένων Μορφή αρχείου διανομής Τιμή κενού εικονοστοιχείου Μέγεθος Εικόνας Όγκος δεδομένων μιας εικόνας Συνολικός όγκος δεδομένων SRTM TERRA EEA JAXA USGS USGS EEA JAXA 11 ημέρες (Φεβρουάριος 2000 ) SRTM 2009 ASTER v arcsec (~ 30m) 1arcsec (~ 30m) 1arcsec (~ 30m) 1arcsec (~ 30m) 7m 7-14m 7m 5m 60 o N to 56 o S From 83 N to 83 S From 83 N to 83 S From 80 N to 80 S 80% 99% 99% 90% WGS84/EGM96 WGS84/EGM96 LAEA/ETRS89 WGS84/EGM96 Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, signed 16 Bit Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, signed 16 Bit Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, Float 32Bit Geodetic latitude and longitude GeoTIFF, signed 16 Bit Mb 15Mb 800Mb 25Mb 1.62Gb 1.62Gb 2.72Gb 1.62Gb Πίνακας 3.1: Τα περιγραφικά χαρακτηριστικά των ψηφιακών μοντέλων εδάφους SRTM v3, ASTER v2, EU- DEM v1.1 και ALOS v1. 28

44 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS 3.2 Γεωγραφικά Συστήματα πληροφοριών (GIS Geographic Information System) Τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών είναι ένα εργαλείο διαχείρισης χωρικών και πληροφοριακών δεδομένων με συσχετισμένες ιδιότητες. Είναι ένα σύστημα όπου μέσα από συγκεκριμένο περιβάλλον έχει τη δυνατότητα να συγκεντρώνει, να αναλύει, και να περιγράφει χωρικά και περιγραφικά συσχετιζόμενα δεδομένα με το μεγαλύτερο προτέρημα του να είναι η συνεχείς ενημέρωση των σχέσεων τους με βάση τον χρόνο. Η χωρική πληροφορία που εντάσσεται στα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών είναι ορισμένη σε κάποιο σύστημα αναφοράς, είτε δυο διαστάσεων είτε τριών, προβάλλοντας έτσι την πραγματική θέση του αντικειμένου μελέτης ενώ παράλληλα η περιγραφική πληροφορία προσφέρει όλη την απαραίτητη γνώση για το αντικείμενο δηλώνοντας τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά του (Κωνσταντινίδης, 2002). Η χαρακτηριστική δυνατότητα που παρέχουν τα GIS είναι η σύνδεση της χωρικής με την περιγραφική πληροφορία και μπορεί να επιτευχθεί με δύο μοντέλα. Το πρώτο είναι το σχεσιακό μοντέλο κατά το οποίο τα περιγραφικά δεδομένα καταγράφονται ξεχωριστά από τα χωρικά και αργότερα συνδέονται οι σχέσεις τους μέσω κάποιων μοναδικών τιμώνκλειδιών που βρίσκονται σε αυτά τα διαφορετικής φύσης δεδομένα ενώ το δεύτερο μοντέλο είναι το αντικειμενοστραφές στο οποίο τα περιγραφικά δεδομένα καταγράφονται μαζί με τα χωρικά δίνοντας φυσική υπόσταση στο αντικείμενο (Ζήσου, 1997). Τα αντικείμενα παρακολούθησης σε ένα GIS λογισμικό μπορούν να απεικονίζονται χωρικά με διανυσματική (Vector) ή με ψηφιδωτή μορφή (Raster). Τα διανυσματικά στοιχεία μπορούν να απεικονιστούν ως σημειακά, γραμμικά ή πολυγωνικά ανάλογα με την φυσική τους υπόσταση ενώ τα ψηφιδωτά αποτελούν ένα πλέγμα πληροφορίας όπου κάθε στοιχείο τους (εικονοστοιχείο - pixel) εμπεριέχει μια αριθμητική τιμή. Σε γενικές γραμμές τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η μία μορφή αποτελούν μειονέκτημα για την άλλη, στα πλαίσια της επεξεργασίας τους, και για αυτό η επιλογή τους θα πρέπει να γίνεται με σύνεση για την απόδοση των ζητούμενων αποτελεσμάτων (Κ. Κουτσόπουλος κ.α., 2012). Ανεξάρτητα από το μοντέλο που θα ακολουθηθεί, ένα ολοκληρωμένο σύστημα GIS δεν περιλαμβάνει μόνο την πληροφορία αλλά μια σειρά από αναπόσπαστα τμήματα που το πλαισιώνουν όπως το λογισμικό, ο μηχανικός εξοπλισμός, οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν και φυσικά το ανθρώπινο δυναμικό που φέρει και το μεγαλύτερο κομμάτι ευθύνης για την αξιολόγηση των δεδομένων αλλά και για την εξαγωγή της ορθής πληροφορίας. 3.3 Το λογισμικό ArcGIS Ένα από τα πιο διαδεδομένα, σε παγκόσμια κλίμακα, λογισμικά προβολής, διαχείρισης, δημιουργίας και ανάλυσης γεωχωρικών δεδομένων είναι το ArcGIS της εταιρίας ESRI. Περιλαμβάνει μια μεγάλη λίστα εργαλείων προσφέροντας ένα μοναδικό σύνολο δυνατοτήτων για την ανάλυση στοιχείων βάση τοποθεσίας. Ανταποκρίνεται ικανοποιητικά στην χωρική ανάλυση που είναι και η κύρια εργασία του ArcGIS αλλά εξίσου δυναμικό 29

45 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS εμφανίζεται και στην τηλεπισκόπηση, στην δημιουργία χαρτών και ψηφιακών μοντέλων, στην δημιουργία δυναμικών GIS εφαρμογών που αντιδρούν με βάση τον χρόνο (Real-Time GIS), στην δημιουργία 3D μοντέλων και στην συλλογή και διαχείριση δεδομένων. Η τελευταία έκδοση του λογισμικού είναι η ArcGIS 10.6 και δίνει διαφορετικές επιλογές ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών. Το ArcGIS Desktop είναι η πιο σύνηθες επιλογή ενός χρήστη καθώς δίνει πλήρη πρόσβαση στην βιβλιοθήκη των εργαλείων που προσφέρει η ESRI. Το λογισμικό χωρίζεται σε τέσσερις ενότητες με διαφορετικές ιδιότητες που το συνθέτουν (Ζήσου, 2007). Πιο αναλυτικά: Το ArcMap αποτελεί την βασική πλατφόρμα ανάλυσης, διαχείρισης και αποθήκευσης των δεδομένων. Περιέχει όλες τις διαθέσιμες εντολές που προσφέρει το λογισμικό σε ένα εμφωλευμένο εργαλείο, το ArcToolbox. Το ArcCatalog παρέχει ένα παράθυρο καταλόγου που χρησιμοποιείται για την δημιουργία, οργάνωση και διαχείριση διάφορων τύπων γεωγραφικών πληροφοριών του ArcGIS. Το ArcGlobe αποτελεί μέρος της επέκτασης του ArcGIS 3D Analyst. Αυτή η εφαρμογή είναι γενικά σχεδιασμένη για χρήση με πολύ μεγάλα σύνολα δεδομένων και επιτρέπει την ομαλή απεικόνιση τόσο των δεδομένων raster όσο και των χαρακτηριστικών τους. Βασίζεται σε μια συνολική προβολή της Γης, με όλα τα δεδομένα να προβάλλονται σε ένα παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων και να εμφανίζονται σε διάφορα επίπεδα λεπτομέρειας (LODs). Τα διανυσματικά χαρακτηριστικά (Vector) εμφανίζονται με την μορφή ψηφίδας (Raster) και ανάλογα με το επίπεδο λεπτομέρειας, το οποίο βοηθάει στην γρήγορη πλοήγηση. Το ArcScene αποτελεί ένα εργαλείο τρισδιάστατης απεικόνισης. Δημιουργεί τρισδιάστατες προβολές και επιτρέπει την πλοήγηση και την αλληλεπίδραση τόσο με διανυσματικά όσο και με raster δεδομένα. Όλα τα δεδομένα φορτώνονται στη μνήμη, πράγμα που επιτρέπει τη σχετικά γρήγορη πλοήγηση και οι διανυσματικές λειτουργίες αποδίδονται ως διανύσματα. Τα δεδομένα εισάγονται στο σύστημα προς επεξεργασία ανάλογα με την ιδιότητα που αντιπροσωπεύουν αλλά και με τις φυσική τους διάσταση ώστε να γίνεται εφικτή η μετ έπειτα χωρική ανάλυση τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού είναι η δημιουργία ψηφιακών δεδομένων μιας περιοχής. Σε αυτή τη περίπτωση οι δρόμοι, τα γεωτεμάχια, τα κτίρια και οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο ενδιαφέροντος θα πρέπει να βρίσκεται σε διαφορετικό επίπεδο από τα υπόλοιπα. Επίσης, γνωρίζοντας ότι ένα GIS χρησιμοποιεί γεωχωρικά δεδομένα, τα αντικείμενα ενδιαφέροντος θα πρέπει να αναφέρονται στον χώρο. Με λίγα λόγια, θα πρέπει να υπάρχει ένα ενιαίο σύστημα αναφοράς στο οποίο όλα τα αντικείμενα καταλαμβάνουν μία θέση στον χώρο. Στο γεωγραφικό υπόβαθρο, το σύστημα συντεταγμένων και άλλες σχετικές χωρικές ιδιότητες ορίζονται ως μέρος της χωρικής αναφοράς για κάθε σύνολο δεδομένων. Μια πολύ σημαντική ιδιότητα του λογισμικού είναι όχι μόνο η προβολή των αντικειμένων ενδιαφέροντος σε διαφορετικό σύστημα αναφοράς από αυτό που έχουν οριστεί αλλά και η δυνατότητα του μετασχηματισμού τους σε ένα νέο (Κουτσόπουλος κ.α. 2005). 30

46 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Το λογισμικό προσφέρει μία βάση δεδομένων με όλα τα γεωδαιτικά και προβολικά συστήματα αλλά και την δυνατότητα εισαγωγής παραμέτρων για την δημιουργία εξεζητημένων συστημάτων αναφοράς που δεν συγκαταλέγονται στη βάση. Ένα πλεονέκτημα του ArcGIS είναι η προβολή δεδομένων που αναφέρονται σε διαφορετικό σύστημα συνταγμένων, στην ίδια πλατφόρμα, πραγματοποιώντας αυτόματα την μετατροπή τους στο προεπιλεγμένο από τον χρήστη σύστημα αναφοράς. Αυτό δίνει την δυνατότητα επεξεργασίας και ανάλυσης των γεωχωρικών δεδομένων χωρίς να επηρεαστεί το σύστημα αναφοράς τους. Όπως προαναφέρθηκε το ArcGIS είναι ένα σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών και ως εκ τούτου κάθε χωρική πληροφορία συνοδεύεται από την περιγραφική η οποία προσδίδει και την ιδιότητα του στοιχείου. Η περιγραφική πληροφορία συνοδεύει την χωρική μέσω της καταγραφής της στην βάση δεδομένων. Υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής βάσης δεδομένων η οποία να περιγράφει κάποια από τις κλάσεις ενδιαφέροντος και να συνδεθεί με αυτήν βάσει κάποιων μοναδικών αριθμητικών τιμών με αντιστοιχία ένα προς ένα. Η περιγραφική αυτή πληροφορία μπορεί να έχει την μορφή μίας βάσης δεδομένων.dbf ή ως πίνακας υπολογιστικών φύλλων.xls. Τα χωρικά δεδομένα μπορούν να γίνουν διαχειρίσιμα στο λογισμικό είτε σε μορφή διανύσματος είτε σε ψηφιδωτή μορφή. Τα διανυσματικά δεδομένα (Vector) γίνονται αναγνωρίσιμα είτε με την μορφή.shp (Shapefile), που αποτελεί και την μορφή που διασώζει τα δεδομένα του το ArcGIS, είτε με την μορφή ενός σχεδιαστικού αρχείου CAD και η σχηματική τους μορφή μπορεί να είναι σημειακή, γραμμική ή επιφανειακή (Ζήσου, 2010). Από την άλλη πλευρά, τα δεδομένα ψηφιδωτής μορφής (Raster) μπορούν να περιλαμβάνουν απλές εικόνες που μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως υπόβαθρα ή ψηφιδωτά αρχεία με διακριτές τιμές σε κάθε εικονοστοιχείο τους, περιγράφοντας ένα φαινόμενο όπως, για παράδειγμα, την υψομετρική πληροφορία, την θερμοκρασία ή τις τιμές PH μιας περιοχής. 3.4 Διαχείριση και Προ-επεξεργασία δεδομένων Η συλλογή, η μορφοποίηση και η προ-επεξεργασία όλων των απαραίτητων δεδομένων αποτελεί ένα αρκετά χρονοβόρο αλλά ταυτόχρονα ένα από τα πιο σημαντικά στάδια κάθε μελέτης και θα πρέπει πάντα να πραγματοποιείται με εξαιρετική προσοχή καθώς τα αρχικά δεδομένα είναι αυτά που καθορίζουν το τελικό αποτέλεσμα και εξάγουν τα τελικά συμπεράσματα. Η προ-επεξεργασία αυτή αποσκοπεί σε έναν και μόνο σκοπό, την μορφοποίηση και ανασύνταξη των δεδομένων σε διαχειρίσιμη μορφή από το Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών ArcGIS το οποίο και θα χρησιμοποιηθεί για την περάτωση της εργασίας αυτής. Στην παρούσα εργασία υπάρχουν τρείς ομάδες δεδομένων στις οποίες επιβλήθηκε μια σχετική προεργασία. Η πρώτη ομάδα αφορά τις βάσεις δεδομένων, η δεύτερη τα διανυσματικά δεδομένα (Vector) και η τρίτη ομάδα τα ψηφιδωτά αρχεία (Raster). 31

47 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Προ-Επεξεργασία βάσεων δεδομένων Οι βάσεις δεδομένων περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τα σημεία ελέγχου που χρησιμοποιούνται στην εργασία και έχουν καθοριστικό ρόλο για την πορεία της. Τα περιγραφικά αυτά αρχεία έχουν μορφή απλού κειμένου (.txt) και αποτελούν ένα σύνολο 2000 καταγραφών περίπου που περιγράφουν την θέση τριγωνομετρικών σημείων σε όλη την έκταση της περιοχής μελέτης. Για την εισαγωγή τους στο λογισμικό ArcGIS κρίθηκε απαραίτητη η συλλογή τους σε ένα και μόνο αρχείο καθώς και η μετατροπή αυτού από μορφή κειμένου σε υπολογιστικό φύλλο Excel (.xls). Οι πληροφορίες που αφορούν την οριζοντιογραφική θέση των σημείων ελέγχου έπρεπε να μετατραπούν από το γεωκεντρικό σύστημα ITRF2000, στο οποίο βρισκόντουσαν, σε γεωδαιτικό. Η μετατροπή αυτή έγινε μέσω μίας πλατφόρμας προγραμματισμού ειδικά σχεδιασμένη για μηχανικούς και επιστήμονες με αρκετά φυσική έκφραση υπολογιστικών μαθηματικών, το Matlab. Το λογισμικό περιείχε στην βάση του την απαιτούμενη μετατροπή έχοντας όλες τις απαραίτητες παραμέτρους όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα3.1 Μετατροπή συντεταγμένων από το γεωκεντρικό σύστημα ITRF2000 στο γεωδαιτικό μέσω του λογισμικού Matlab. Έχοντας λοιπόν τον πίνακα των σημείων αναφοράς στην επιθυμητή μορφή γίνεται η εισαγωγή του στο λογισμικό ArcGIS από την εντολή του κεντρικού μενού «Add Data». Επιλέγοντας με δεξί «κλικ» την επιλογή «Display XY Data» όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, δίνεται η δυνατότητα δημιουργίας σημείων από τις καταγραφές του υπολογιστικού φύλλου. Με λίγα λόγια, εμφανίζεται η χωρική πληροφορία μέσω της περιγραφικής. Στο «παράθυρο» που αναπτύσσεται, ορίζονται οι συντεταγμένες μέσα από τα πεδία του πίνακα (υπολογιστικό φύλλο Excel) και το σύστημα αναφοράς αυτών. 32

48 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Εικόνα3.2 Ορισμός Ε και Ν μέσα από τον εισακτέο πίνακα για την δημιουργία σημειακής χωρικής πληροφορίας. Για την ολοκλήρωση της διαδικασίας και την δημιουργία ενός ξεχωριστού και αυτόνομου αρχείου είναι απαραίτητη η εξαγωγή του παραγόμενου αυτού προϊόντος και η δημιουργία ενός σχηματικού αρχείου (Shapefile). Αυτό γίνεται εφικτό επιλέγοντας με δεξί «κλικ» την ακολουθία «Data» -> «Export Data» όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα3.3 Δημιουργία αρχείου Shapefile από δεδομένα της περιγραφικής πληροφορίας. 33

49 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Προ-Επεξεργασία διανυσματικών δεδομένων Τα διανυσματικά δεδομένα αφορούν το όριο της περιοχής μελέτης που είναι όλη η ελληνική επικράτεια. Το όριο συλλέχθηκε από την ιστοσελίδα που προσφέρει γεωχωρικά δεδομένα και υπηρεσίες, σε μορφή.shp και με σύστημα αναφοράς το WGS84. Δεν κρίθηκε απαραίτητη καμία ενέργεια προ-επεξεργασίας του συγκεκριμένου αρχείου καθώς ήταν σε μορφή που αναγνωρίζεται από το λογισμικό επεξεργασίας και η προβολή του σε ένα διαφορετικό σύστημα συντεταγμένων εντός του λογισμικού ArcGIS δεν απαιτεί και τον μετασχηματισμό του αρχείου σε αυτό Προ-Επεξεργασία ψηφιδωτών δεδομένων Τα ψηφιδωτά αρχεία αφορούν τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που συμμετέχουν στην εργασία αυτή και είναι τα DEM των δορυφορικών αποστολών SRTM, TERRA, ALOS και το μοντέλο του ευρωπαϊκού προγράμματος Copernicus. Η διαδικασία συλλογής τους είναι μια εξαιρετικά χρονοβόρα διαδικασία και το γεγονός ότι τα ψηφιακά μοντέλα είναι χωρισμένα σε μικρές περιοχές δημιούργησαν την ανάγκη ένωσης τους ώστε να δημιουργηθούν τέσσερα ενιαία DEM. Η συνένωση των εικόνων προήλθε μέσα από τον κατάλογο εργαλείων του ArcGIS, ArcToolbox, και την εντολή «Mosaic To New Raster». Εκεί εισέρχονται όλες οι εικόνες ανά δορυφορική αποστολή, ορίζεται το σημείο αποθήκευσης, το όνομα του αρχείου και το σύστημα αναφοράς των δεδομένων. Σημαντικό επίσης είναι να οριστεί ο τύπος των εικονοστοιχείων, που δεν θα πρέπει να είναι διαφορετικός από τον αρχικό, καθώς και το μέγεθος τους. Οι τελευταίες δυο επιλογές αφορούν την περίπτωση που τα εικονοστοιχεία του ενός ψηφιδωτού αρχείου επικαλύπτονται από ένα άλλο και τίθεται ζήτημα από ποιο θα επιλέξει να δώσει τιμή στο τελικό προϊόν. Αν και στην περίπτωση των δεδομένων της εργασίας αυτής δεν θα έπρεπε να συμβεί κάτι τέτοιο, οι επιλογές που προτιμήθηκαν είναι «BLEND» για την επιλογή «Mosaic Operator» και «FIRST» για την «Mosaic Colormap Mode». Για την ευκολότερη διαχείριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους αλλά και για την ταχύτερη επεξεργασία από τον διαθέσιμο ηλεκτρονικό υπολογιστή έπρεπε να αποσπαστεί η απαραίτητη πληροφορία από την μη αξιοποιήσιμη. Αυτό έγινε κρατώντας μόνο την πληροφορία εντός της περιοχής μελέτης και απορρίπτοντας την υπόλοιπη. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε με την εντολή «Clip» της ομάδας εντολών «Raster Processing» του τομέα «Data Management Tools». Εκεί ορίζεται το raster αρχείο που θα επεξεργασθεί και το όριο αναφοράς με το οποίο θα αποκοπεί. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονιστεί ότι θα πρέπει να ενεργοποιηθεί η επιλογή «Use Input Features for Clipping Geometry» ώστε στην αποκοπή του αρχείου να ληφθεί υπόψιν η γεωμετρία του ορίου που τίθεται και να μην χρησιμοποιηθεί τετράγωνο όριο. Οι διαδικασία της προ-επεξεργασίας είναι απαραίτητη ως προς τεχνικό κομμάτι της εξέλιξης της εργασίας και των ακόλουθων διαδικασιών συνεπώς δεν θα μπορούσε να παραληφθεί. Μετά, όμως, από όλες τις παραπάνω ενέργειες που πραγματοποιήθηκαν τα δεδομένα είναι έτοιμα προς επεξεργασία. Η μεθοδολογία και η φιλοσοφία γύρω από την επεξεργασία των δεδομένων για την εξαγωγή όλων των απαραίτητων αποτελεσμάτων παρουσιάζεται αναλυτικά παρακάτω. 34

50 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS 3.5 Μεθοδολογία και επεξεργασία Σε αυτή την ενότητα περιγράφεται αναλυτικά η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε καθώς και όλες οι ενέργειες που πραγματοποιήθηκαν, από την αρχή έως το τέλος, για την εξαγωγή των επιθυμητών αποτελεσμάτων. Οι διαδικασίες αφορούν τόσο την εισαγωγή των δεδομένων στο λογισμικό επεξεργασίας όσο και τις απαραίτητες συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν για την περάτωση της παρούσας εργασίας Εισαγωγή των δεδομένων στο ArcGIS Μετά την απαραίτητη προετοιμασία των αρχικών δεδομένων, ώστε να είναι κατάλληλα προς χρήση, γίνεται εφικτή η εκκίνηση της επεξεργασίας τους. Το πρώτο βήμα αρχίζει με την έναρξη του λογισμικού και την δημιουργία μιας προσωπικής γεωβάσης στην πλατφόρμα. Όπως προαναφέρθηκε, δεν είναι απαραίτητη η μετατροπή των δεδομένων σε ένα ενιαίο σύστημα αναφοράς καθώς το ArcGIS έχει την δυνατότητα να προβάλει τα δεδομένα που εισάγονται στο σύστημα αναφοράς που του ορίζει ο χρήστης. Έτσι, πριν την εισαγωγή των δεδομένων απαραίτητη προϋπόθεση είναι να ορισθεί το σύστημα στο οποίο θα γίνει η επεξεργασία των δεδομένων. Αυτό πραγματοποιείται από τις ιδιότητες του επιπέδου (Layer) στην καρτέλα «Coordinate System». Το σύστημα συντεταγμένων που επιλέχθηκε είναι το ITRF2000 και οι παράμετροι της χωρικής αναφοράς του είναι: GCS_ITRF_2000 WKID: Authority: ESRI Angular Unit: Degree (0, ) Prime Meridian: Greenwich (0, 0) Datum: D_ITRF_2000 Spheroid: GRS_1980 Semimajor Axis: , 0 Semiminor Axis: , Inverse Flattening: 298, Κατά την εισαγωγή των ψηφιακών μοντέλων, το λογισμικό θα ζητήσει να προβάλει τα δεδομένα στο σύστημα συντεταγμένων που είχε ορισθεί στην γεωβάση. Γίνεται η επιλογή της μετατροπής από το WGS84 στο ITRF2000 και τα δεδομένα εισάγονται αυτόματα. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν έχει πραγματοποιηθεί μετατροπή συντεταγμένων στα αρχεία των δεδομένων απλά έχει ορισθεί το σύστημα αναφοράς στο οποίο θα προβάλλονται. 35

51 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Συγκρίσεις μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των σημείων ελέγχου Το πρώτο στάδιο της εργασίας πραγματοποιεί συγκρίσεις μεταξύ των υψομετρικών τιμών που περιέχονται στα ψηφιακά μοντέλα εδάφους και στα σημεία αναφοράς. Συνεπώς θα πρέπει να αντληθεί η υψομετρική πληροφορία από τα DEMs και να εισαχθεί στην γεωβάση των σημείων ελέγχου ώστε να γίνει εφικτή η σύγκριση και ορατή η αποχή του ενός από το άλλο. Η εντολή που θα επιτρέψει την αυτόματη εισαγωγή όλων των απαραίτητων δεδομένων στην γεωβάση είναι η «Extract Multi Values to Points» και βρίσκεται στην εργαλειοθήκη του ArcGIS στην καρτέλα «Spatial Analyst Tools». Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα(εικόνα3.4) στο πεδίο «Input point features» επιλέγουμε την σημειακή πληροφορία στην οποία θέλουμε να εισαχθούν τα δεδομένα των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και στο «Input rasters» γίνεται η επιλογή των ψηφιδωτών αρχείων από τα οποία θα αντληθεί η πληροφορία. Για την αποφυγή κάποιου λάθους η εντολή δίνει την δυνατότητα επιλογής του ονόματος της κάθε ομάδας δεδομένων που θα εισαχθεί στην γεωβάση. Η επιλογή «Bilinear interpolation of values at point location» δεν είναι υποχρεωτική παρόλα αυτά επιλέχθηκε στην παρούσα διαδικασία ώστε να δοθεί τιμή μέσω διγραμμικής παρεμβολής και όχι από το κέντρο του εικονοστοιχείου. Με αυτόν τον τρόπο οι καταγραφές στην γεωβάση θα είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα καθώς το σημείο ελέγχου που θα δεχτεί την τιμή του εικονοστοιχείου μπορεί να απέχει αρκετά μέτρα από το κέντρο του. Εικόνα3.4 Διαδικασία συλλογής υψομετρικής πληροφορίας στην γεωβάση των σημείων ελέγχου. Μετά την εισαγωγή των δεδομένων πραγματοποιήθηκε έλεγχος των καταγραφών για χονδροειδή σφάλματα στα 1997 σημεία ελέγχου, όπου από αυτά αφαιρέθηκαν τα 19 ώστε τα αποτελέσματα που θα προκύψουν από τις συγκρίσεις να ανταποκρίνονται με τον βέλτιστο τρόπο στην πραγματικότητα. 36

52 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Συγκρίσεις μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους Το επόμενο βήμα της εργασίας απαιτεί την σύγκρισή μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων στο σύνολο των ψηφιδωτών αρχείων και όχι σημειακά. Δημιουργήθηκαν όλα τα πιθανά συγκρινόμενα ζεύγη μεταξύ των τεσσάρων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και ελέγχθηκαν ως προς την αποχή της υψομετρικής πληροφορίας του ενός από το άλλο αλλά και την διαφορά των τιμών της κλίσης (Slope) και του προσανατολισμού (Aspect) των εικονοστοιχείων τους. Για την επίτευξη της σύγκρισης αυτής έπρεπε πρώτα να δημιουργηθούν τα ψηφιακά μοντέλα των κλίσεων και του προσανατολισμού του κάθε ψηφιακού μοντέλου εδάφους. Η εντολή που μπορεί και εξάγει πληροφορία για τις κλίσεις των εικονοστοιχείων ενός DEM είναι η «Slope» από την εργαλειοθήκη του ArcGIS στην καρτέλα «Spatial Analyst Tools» στον υπό-φάκελο «Surface». Αντίστοιχα στον ίδιο υπόφάκελο βρίσκεται και η εντολή για την δημιουργία ψηφιακού μοντέλου προσανατολισμού των κλίσεων του κάθε εικονοστοιχείου των DEMs. Και οι δύο εντολές λειτουργούν με την ίδια φιλοσοφία. Ο αλγόριθμος των εντολών για να ορίσει μια τιμή σε ένα εικονοστοιχείο λαμβάνει υπόψιν του τις υψομετρικές τιμές των γειτονικών εικονοστοιχείων χρησιμοποιώντας ένα κινούμενο «παράθυρο» 3x3 όπου το κεντρικό εικονοστοιχείο υπολογίζεται από τις οχτώ ενσωματωμένες στον αλγόριθμο γειτονικές τιμές. Οι συγκρίσεις των μοντέλων πραγματοποιούνται με την υπολογιστική μηχανή του ArcGIS «Raster Calculator» μέσω της οποίας μπορούν να πραγματοποιηθούν αριθμητικές και λογικές πράξεις αφού όμως πρώτα έχει γίνει επαναπροσδιορισμός των κλάσεων των μοντέλων ώστε να περιέχουν διακριτές τιμές μέσω της εντολής «Reclassify» του φακέλου «Spatial Analyst Tools» του ArcToolbox. Για την εύρεση των υψομετρικών διαφορών χρησιμοποιήθηκε η αριθμητική πράξη της αφαίρεσης των τιμών των εικονοστοιχείων ενώ για την ομοιότητα των ζευγών ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό τους χρησιμοποιήθηκε η λογική πράξη «Con» με την οποία εξάγεται ένα ψηφιακό μοντέλο που τα εικονοστοιχεία του μπορούν να εντάσσονται σε μία από τις δυο κλάσεις του προϊόντος. Οι δυο μοναδικές τιμές των κλάσεων προδίδουν την ομοιότητα ή μη των εικονοστοιχείων, με σύγκριση ένα προς ένα, των ψηφιακών μοντέλων Δημιουργία τομών εδάφους Καθώς η συγκρίσεις των ψηφιακών μοντέλων εδάφους εμφάνισαν έντονη διαφωνία σε συγκεκριμένες περιοχές δημιουργήθηκε η ανάγκη περεταίρω έρευνας. Έτσι, δημιουργήθηκαν τομές εδάφους στις προβληματικές περιοχές. Για να είναι συγκρίσιμα τα δεδομένα θα πρέπει όλες οι τομές να πραγματοποιούν την ίδια διαδρομή. Δημιουργήθηκε λοιπόν πρώτα μία γραμμή που λειτούργησε ως πρότυπη διαδρομή για την χάραξη των τομών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. 37

53 Κεφάλαιο 3: Επεξεργασία δεδομένων και χρήση λογισμικού GIS Εικόνα3.5 Πρότυπη διαδρομή για την χάραξη των τομών στα ψηφιακά μοντέλα εδάφους Από την ομάδα εντολών «3D Analyst», επιλέγεται η εντολή «Interpolate line» και χαράσσεται μια διαδρομή πάνω από την πρότυπη. Στην ουσία σχεδιάζεται μία τρισδιάστατη γραμμή που ακολουθεί την μορφολογία του ψηφιακού μοντέλου εδάφους και αυτόματα, εμφανίζεται και το προφίλ του εδάφους μέσω γραφήματος. Για την εμφάνιση όλων των προφίλ σε ένα διάγραμμα είναι απαραίτητη η συλλογή των δεδομένων της τομής, που είναι οι υψομετρικές τιμές και η χιλιομετρική θέση αυτών, σε μία βάση δεδομένων. Αυτό επιτυγχάνεται με την εξαγωγή τους μέσω της εντολής «Export» που βρίσκεται στο μενού του διαγράμματος το οποίο εμφανίζεται με δεξί «κλικ». Η αποθήκευση των δεδομένων έγινε σε υπολογιστικά φύλλα Microsoft Office Excel με την μορφή.xls Σύγκριση παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους με DEM από UAV Για τελευταίο βήμα και την ολοκλήρωση της εργασίας, πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και ψηφιακών μοντέλων εδάφους που δημιουργήθηκαν μέσω αεροφωτογραφιών από σύστημα UAV. Αρχικά έγινε μια σύγκριση μεταξύ των διαθέσιμων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των σημείων ελέγχου ώστε, έστω και σημειακά, να δημιουργηθεί μία εικόνα για την ποιότητα της υψομετρικής πληροφορίας που περιέχουν τα DEMs από UAV. Έπειτα δημιουργήθηκαν τυχαία σημεία σε όλη την επιφάνεια των ψηφιακών μοντέλων με σκοπό την άντληση της υψομετρικής πληροφορίας από αυτά και τη δημιουργία ενός πυκνού δικτύου που θα λειτουργεί ως ένα σύνολο σημείων αναφοράς για την αξιολόγηση των παγκόσμιων DEMs. Η δημιουργία των σημείων αναφοράς υλοποιήθηκε με την εντολή «Create Random Points» από τον φάκελο «Data Management Tools» της εργαλειοθήκης του ArcGIS. Η άντληση όλων των απαραίτητων δεδομένων έγινε μέσω της εντολής «Extract Multi Values to Points» με την ίδια διαδικασία που αναλύθηκε και παραπάνω. Η δημιουργία, μορφοποίηση και εξαγωγή όλων των απαραίτητων διαγραμμάτων πραγματοποιήθηκε μέσω της πλατφόρμας του λογισμικού Matlab καθώς το περιβάλλον είναι πιο φιλικό και εύκολο για την επεξεργασία αυτού του είδους δεδομένων παρέχοντας μια μεγάλη λίστα επιλογών. 38

54 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα 4 Συγκρίσεις Αποτελέσματα 4.1 Γενικές Παρατηρήσεις Μετά την προ-επεξεργασία των αρχικών δεδομένων, που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο, ξεκίνησε η διαδικασία σύγκρισης των σημείων ελέγχου με τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που επιλέχθηκαν για την εκπόνηση της εργασίας αυτής. Πριν την παράθεση των αποτελεσμάτων και των συγκρίσεων έγινε ένας γενικός έλεγχος των υψομετρικών διαφορών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους με το σύνολο των σημείων ελέγχου ώστε να γίνουν αντιληπτά τυχόν χονδροειδή σφάλματα και αστοχίες των DEMs και να μην συμπεριληφθούν στην αξιολόγηση καθώς θα υπήρχαν αλλοιώσεις στα στατιστικά μεγέθη αυτών και θα χαρακτηρίζονταν ως μη ακριβή, αναξιόπιστα και με μεγάλη αβεβαιότητα. Η βασική αρχή που χρησιμοποιήθηκε ώστε να γίνει η αξιολόγηση των DEMs στηρίζεται στην διαφορά της υψομετρικής πληροφορίας των ορθομετρικών υψομέτρων και των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου. Για την άντληση της υψομετρικής πληροφορίας από τα Ψηφιακά μοντέλα στα σημεία ελέγχου προτιμήθηκε η μέθοδος του πλησιέστερου γειτονικού σημείου (Nearest Neighbor) και όχι της διγραμμικής παρεμβολής (Βinary Ιnterpolation) καθώς εμφανίζει καλύτερη συμπεριφορά στον υπολογισμό υψομέτρων. Έτσι η σχέση που χρησιμοποιήθηκε παίρνει την μορφή ΔΗ = Η(ορθομετρικό) Η(DEM) Πράγματι, συγκρίνοντας τις υψομετρικές τιμές των ψηφιακών μοντέλων με τα ορθομετρικά υψόμετρα των σημείων ελέγχου στην θέση αυτών, παρατηρούνται αποκλίσεις σε μερικά σημεία που ξεπερνούν τα 300m. Όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα οι διαφορές αυτές εμφανίζονται με 39

55 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα ακραίες εξάρσεις των διαγραμμάτων. Τα σφάλματα αυτά αφορούσαν τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους των δορυφορικών αποστολών EUD και ALOS. Εικόνα4.1 Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και του συνόλου των σημείων ελέγχου Η εξαγωγή κάποιων βασικών στατιστικών μεγεθών, όπως εμφανίζονται στον παρακάτω πίνακα, καθώς και ο οπτικός έλεγχος των ψηφιακών μοντέλων στα σημεία αυτά δίνει την δυνατότητα του χαρακτηρισμού των σφαλμάτων ως χονδροειδή και το δικαίωμα αφαίρεσης τους από την υπόλοιπη διαδικασία. Πινακας4.1 Πίνακας στατιστικών μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα ορθομετρικά υψόμετρα όλων των διαθέσιμων σημείων ελέγχου. Μετά την αφαίρεση των παραπάνω σημείων και πριν την εξαγωγή των νέων στατιστικών μεγεθών έγινε ένας έλεγχος όλων των σημείων των οποίων η θέση ήταν οριακή στην περιοχή μελέτης καθώς και λόγω της μετατροπής συντεταγμένων όλων των δεδομένων σε ένα ενιαίο σύστημα αναφοράς θα μπορούσε να τα εμφανίσει εκτός περιοχής αλλά και η μετέπειτα εξαγόμενη πληροφορία θα μπορούσε να μην καλύπτει γεωγραφικά την θέση τους λόγω των ορίων της περιοχής που έχει τεθεί. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα να μην υπάρχει πληροφορία στα οριακά σημεία ελέγχου. Αυτό ακριβώς φαίνεται και στις παρακάτω εικόνες. Στην Αριστερή φαίνεται το όριο του ψηφιακού μοντέλου εδάφους όπως «κόπηκε» στα όρια της περιοχής μελέτης και το κίτρινο σημείο είναι ένα σημείο ελέγχου το οποίο βρίσκεται οριακά αυτής. Η δεξιά εικόνα αντιπροσωπεύει το ψηφιακό μοντέλο των κλίσεων (Slope) του 40

56 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα DEM της αριστερής εικόνας. Είναι εμφανές το κενό που δημιουργείται και η έλλειψη της πληροφορίας αυτής καθιστά το σημείο μη ικανό και δεν μπορεί να συμπεριληφθεί στην μετέπειτα επεξεργασία καθώς και στις διαδικασίες που ακολουθούν διότι η κενή πληροφορία που θα εμπεριείχε θα αλλοίωνε τα στατιστικά, θα δημιουργούσε θόρυβο και πιθανότατα θα εμπόδιζε την εξέλιξη αυτής. Εικόνα4.2 Αριστερά: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους SRTM Δεξιά: Ψηφιακό μοντέλο κλίσεων (Slope) που προήλθε από το DEM του SRTM Έτσι, από το σύνολο των 1997 αρχικών σημείων ελέγχου ικανά για διαχείριση και επεξεργασία είναι τα Το διάγραμμα των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των ορθομετρικών υψομέτρων στα σημεία ελέγχου διαμορφώνεται όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. Παρατηρείται μια πιο ομαλή ροή και δεν υπάρχουν τόσο ακραίες τιμές που να ξεφεύγουν από το σύνολο. Εικόνα4.3 Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των επιλεγμένων για επεξεργασία σημείων ελέγχου 41

57 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Αντίστοιχη είναι και η αλλαγή των στατιστικών μεγεθών, όπως φαίνεται και στον Πίνακα4.2, όπου μετά την αφαίρεση των ακραίων τιμών που υπήρξε στην πρώτη φάση του ελέγχου έχει ως συνέπεια την μεταβολή της ελάχιστης τιμής, της μέγιστης τιμής και του εύρους των μοντέλων EUD και ALOS. Είναι σύμφωνο λοιπόν, οι αλλαγές στα στατιστικά του παρακάτω πίνακα να είναι μικρές καθώς τα σημεία που αφαιρέθηκαν δεν πληρούσαν τις προϋποθέσεις ως προς την θέση τους και όχι ως προς την υψομετρική πληροφορία που διέθεταν. Είναι πολύ σημαντικό να αναφερθεί ότι η τυπικές αποκλίσεις των ψηφιακών μοντέλων εδάφους βρίσκονται αρκετά κοντά και στις ονομαστικές που δίνει και ο αρμόδιος φορέας της κάθε δορυφορικής αποστολής με εξαίρεση το EUD, όπου αποκλίνει της ονομαστικής τιμής κατά 3.8m. Πιο συγκεκριμένα οι ονομαστικές αποκλίσεις του κάθε DEM είναι οι εξής: SRTM: 7m ASTER: 7-14m EUD: 7m ALOS: 5m Πίνακας4.2 Πίνακας στατιστικών μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα ορθομετρικά υψόμετρα των επιλεγμένων προς επεξεργασία σημείων ελέγχου. Γνωρίζοντας πλέον ότι τα σημεία ελέγχου που θα χρησιμοποιηθούν είναι αξιόπιστα, και ότι αφαιρέθηκαν μόνο αυτά στα οποία βρέθηκαν χονδροειδή σφάλματα ή θα εμπόδιζαν την εξέλιξη της απαραίτητης διαδικασίας που απαιτείται για την εκπόνηση της εργασίας αυτής, ξεκίνησε το πρώτο κομμάτι της αξιολόγησης των Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους το οποίο βασίστηκε σε τέσσερα στατιστικά στοιχεία. Αυτά τα στατιστικά στοιχεία αφορούν το ιστόγραμμα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών των ορθομετρικών υψομέτρων με τα υψόμετρα του κάθε ψηφιακού μοντέλου εδάφους στα σημεία ελέγχου και τρία διαγράμματα διασποράς των παραπάνω υψομετρικών διαφορών σε σχέση με τα ορθομετρικά υψόμετρα, τον άξονα φ και τον άξονα λ. Η εξέταση των παραπάνω διαγραμμάτων μπορεί να αναλύσει την στατιστική συμπεριφορά ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους μέσα από ένα ικανοποιητικό δείγμα σημείων αλλά και να επιτρέψει την σύγκριση της συμπεριφοράς αυτής με τα υπόλοιπα ψηφιακά μοντέλα που βρίσκονται υπό μελέτη. 42

58 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα 4.2 Ιστογράμματα συχνοτήτων Ένα ιστόγραμμα είναι μια ακριβής αναπαράσταση της κατανομής αριθμητικών δεδομένων. Στην περίπτωση πίνακα συχνοτήτων με ομαδοποιημένα δεδομένα, η αντίστοιχη εικόνα είναι το ιστόγραμμα συχνοτήτων. Στο ιστόγραμμα οι ιστοί εφάπτονται, το εμβαδόν δε κάθε ιστού είναι ανάλογο της συχνότητας των δεδομένων με τιμές που βρίσκονται μεταξύ των δύο άκρων του διαστήματος της βάσης του ιστού. Το ιστόγραμμα αποκτά νόημα στην περίπτωση που ο οριζόντιος άξονας αναφέρεται σε χαρακτηριστικό με αύξουσες τιμές όπως στην περίπτωση της παρούσας εργασίας, που είναι η διαφορά των υψομετρικών τιμών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους από τα ορθομετρικά υψόμετρα στη θέση των σημείων ελέγχου. Αυτό που επιδιώκεται με την δημιουργία των ιστογραμμάτων είναι η γραφική απεικόνιση αυτής της διαφοράς σε έναν αρκετά μεγάλο όγκο δεδομένων που διαφορετικά δεν θα μπορούσε να γίνει κατανοητό. Όπως φαίνεται και στα παρακάτω ιστογράμματα συχνοτήτων παρατηρείται μία παρόμοια συμπεριφορά σε όλα τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους. Παρόλα αυτά, με μία πρώτη ματιά, παρατηρείται μεγαλύτερη συσπείρωση των συχνοτήτων κοντά στο μηδέν του οριζόντιου άξονα των διαγραμμάτων από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους του ALOS, έπειτα του SRTM, στη συνέχεια του ASTER και τέλος του EUD. Έτσι, δίνεται η αίσθηση ότι υπάρχει μια καλύτερη, στατιστικά, προσαρμογή των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ALOS και SRTM στην πραγματική επιφάνεια του εδάφους σε εν αντιθέσει των άλλων δύο. 43

59 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.4 Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των ορθομετρικών υψομέτρων στα σημεία ελέγχου Είναι σημαντικό επίσης να σημειωθεί ότι στα διαγράμματα του ALOS και του SRTM παρατηρούνται ελάχιστες τιμές να αποκλίνουν περισσότερο των 20m σε αντίθεση με το ASTER και το EUD. Το γεγονός ότι υπάρχει μεγάλη συχνότητα των τιμών αυτών στα δύο τελευταία δεν επέτρεψε να θεωρηθούν τυχαία ή χονδροειδή τα σφάλματα και έτσι τα σημεία αυτά δεν εξαιρέθηκαν της διαδικασίας καθώς υπήρχε πιθανότητα αλλοίωσης των τελικών αποτελεσμάτων 44

60 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα 4.3 Διαγράμματα διασποράς Η εξέταση των διαγραμμάτων διασποράς μπορεί να δώσει μια προσεγγιστική εικόνα της εξάρτησης δύο μεταβλητών στα σημεία του διαγράμματος με σκοπό να προσδιοριστεί η σχέση αυτών. Ο ισχυρός ή μη δεσμός των εξεταζόμενων μεταβλητών εξαρτάται από το κατά πόσο τα σημεία του διαγράμματος ακολουθούν την γραμμή παλινδρόμησης. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιείται η πιο απλή μορφή της παλινδρόμησης, η απλή γραμμική. Η πρώτη σχέση που θα εξεταστεί είναι της υψομετρικής διαφοράς των ψηφιακών μοντέλων εδάφους με τα ορθομετρικά υψόμετρα στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των ορθομετρικών υψομέτρων. Όπως φαίνεται και στα τέσσερα παρακάτω διαγράμματα οι υψομετρικές διαφορές όλων των υπό μελέτη ψηφιακών μοντέλων εδάφους ακολουθούν μια παρόμοια κατανομή. Παρόλα αυτά μπορούν να σημειωθούν κάποιες παρατηρήσεις οι οποίες δίνουν το δικαίωμα να αξιολογήσουν τη συμπεριφορά των DEMs. Για την εύκολη διεξαγωγή συμπερασμάτων όλα τα διαγράμματα έχουν εξαχθεί με όμοια όρια αξόνων και έχει ενταχθεί και η προσδιοριστική εξάρτηση της σχέσης των μεταβλητών των διαγραμμάτων περιγραφόμενη από τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων στην πιο απλή μορφή της, τη γραμμική, εμφανιζόμενη ως μία κόκκινη γραμμή. Αυτή η ευθεία γραμμικής παλινδρόμησης παίζει καθοριστικό ρόλο στην ερμηνεία των σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών στα διαγράμματα διασποράς. Παρατηρώντας και συγκρίνοντας τα παρακάτω διαγράμματα γίνεται εμφανής ο ισχυρότερος δεσμός των διαγραμμάτων του SRTM και του ALOS έναντι των άλλων δύο ψηφιακών μοντέλων καθώς η συσπείρωση των σημείων γύρω από την ευθεία παλινδρόμησης σε αυτά είναι εντονότερη και αντίστοιχα η διασπορά τους μικρότερη. Ωστόσο, δεν μπορεί να παραληφθεί το γεγονός ότι υπάρχουν σημεία τα οποία εκ πρώτης όψεως δείχνουν ότι οι μεταβλητές σε αυτά έχουν ελάχιστο δεσμό ή ακόμα και να θεωρηθούν τυχαία, δηλαδή χωρίς να υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ τους. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει και στο συμπέρασμα ότι τα σημεία αυτά εμπεριέχουν μεγάλα σφάλματα όπως αυτά απεικονιζόντουσαν στα ιστογράμματα συχνοτήτων όπου για τους λόγους που προαναφέρθηκαν δεν αφαιρέθηκαν από το σύνολο των σημείων ελέγχου. Είναι άξιο να σημειωθεί επίσης ότι και στα τέσσερα ψηφιακά μοντέλα εδάφους υπάρχει μία τάση της αύξησης της υψομετρικής διαφοράς όσο μεγαλώνει και το υψόμετρο κυρίως στο EUD και στο ASTER και λιγότερο στα άλλα δύο μοντέλα χωρίς όμως να υπάρχουν πολλές τιμές που να ξεφεύγουν από το γενικό σύνολο και σχηματισμό των σημείων. Έτσι λοιπόν, παρατηρείται σε όλο το εύρος των υψομέτρων και σε όλα τα μοντέλα, σημεία που έχουν πιο χαλαρούς δεσμούς οι μεταβλητές και μία αύξηση της υψομετρικής διαφοράς στα σημεία με μεγάλες τιμές υψομέτρου, το οποίο μπορεί να οφείλεται στο έντονο ανάγλυφο της ελληνικής επικράτειας στις περιοχές αυτές και ως αποτέλεσμα αυτού να υπάρχει αδυναμία των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στην ακριβή απεικόνιση του. 45

61 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.5 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των ορθομετρικών υψομέτρων 46

62 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Πολύ μεγάλο ενδιαφέρον έχουν και τα διαγράμματα διασποράς που απεικονίζουν τις σχέσεις και τους δεσμούς των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων από τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους στα σημεία ελέγχου κατά τη διεύθυνση των φ και λ. Όπως φάνηκε και στα προηγούμενα διαγράμματα, μπορεί να υπήρχε μια μικρή τάση να αυξάνεται η υψομετρική διαφορά ανάλογα με το υψόμετρο όμως πολλές και έντονες ήταν και οι διαφορές που εμφανίστηκαν και σε χαμηλά υψόμετρα το οποίο χρίζει περεταίρω έρευνας ώστε να γίνει κατανοητή η συμπεριφορά αυτή. Ξεκινώντας την μελέτη της συμπεριφοράς αυτής κατά τη διεύθυνση των φ παρατηρείται, όπως φαίνεται και στα τέσσερα διαγράμματα που παρουσιάζονται παρακάτω, ότι και σε αυτή τη σύγκριση τα διαγράμματα διασποράς του ALOS και του SRTM δείχνουν ισχυρότερους δεσμούς απ ό,τι στο ASTER και στο EUD με τη διαφορά ότι εδώ είναι εντονότερες και με τα δυο τελευταία να εμφανίζουν πιο χαλαρές σχέσεις μεταξύ των μεταβλητών τους. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι σε όλα τα διαγράμματα φαίνεται να μειώνεται η υψομετρική διαφορά όσο τα σημεία ανεβαίνουν γεωγραφικά. Επίσης παρατηρείται μια εντονότερη διασπορά στο εύρος γεωγραφικού μήκους 37 ο έως 40 ο. 47

63 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.6 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου κατά τη διεύθυνση των φ Αντίστοιχα, με τα διαγράμματα διασποράς κατά τη διεύθυνση των φ, δημιουργήθηκαν και για τη διεύθυνση των λ. Όπως φαίνεται και παρακάτω υπάρχει μεγαλύτερη διασπορά στα διαγράμματα των ASTER και EUD σε σχέση με τα SRTM και ALOS με το τελευταίο να δείχνει και σε αυτή τη σύγκριση τους ισχυρότερους δεσμούς μεταξύ των μεταβλητών που τέθηκαν σε σύγκριση με τα υπόλοιπα τρία ψηφιακά μοντέλα. Όπως και στα διαγράμματα διασποράς των υψομετρικών διαφορών κατά τη διεύθυνση των φ έτσι και εδώ υπάρχει μία τάση μείωσης του μεγέθους των υψομετρικών διαφορών όσο μεγαλώνει η μεταβλητή του οριζόντιου άξονα των διαγραμμάτων, δηλαδή του λ. Αξίζει να σημειωθεί ότι και εδώ διακρίνεται σε όλα τα διαγράμματα διασποράς ένα υποσύνολο να είναι πιο διεσπαρμένο σε σχέση με τα υπόλοιπα. Είναι εύκολο να διακριθεί αυτό και να οριστεί σε ένα εύρος γεωγραφικού πλάτους από 21 ο έως 23 ο. 48

64 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.7 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των ορθομετρικών υψομέτρων και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου κατά τη διεύθυνση των λ 49

65 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εν κατακλείδι, τα διαγράμματα διασποράς έδειξαν κάποιες προσεγγιστικές τάσεις και αδυναμίες των ψηφιακών μοντέλων εδάφους σε ένα δείγμα σημειακής πληροφορίας. Παρόλο που το σύνολο των σημείων είναι αρκετά μεγάλο δεν μπορεί να αναπαραστήσει πλήρως τις διαφορές των μοντέλων παρά να δώσει κάποια στατιστικά στοιχεία για την ποιότητα αυτών. Έτσι δημιουργήθηκε η ανάγκη σύγκρισης των κλίσεων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους αλλά και του προσανατολισμού αυτών σε κάθε εικονοστοιχείο τους. 4.4 Σύγκριση των κλίσεων και του προσανατολισμού των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Ενδιαφέρον παρατηρείται και στη σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων κλίσεων και προσανατολισμού των υπό μελέτη δορυφορικών αποστολών. Ως βασικά παράγωγα των ψηφιακών μοντέλων εδάφους τα μοντέλα κλίσεων και προσανατολισμού μπορούν να αποδώσουν, εκτός του προφανή σκοπού τους, χρήσιμες πληροφορίες για την ποιότητα των DEMs από τα οποία προήλθαν καθώς τόσο η κλήση ενός εικονοστοιχείου όσο και ο προσανατολισμός του, εξάγονται όχι μόνο λαμβάνοντας υπόψιν την υψομετρική πληροφορία αυτού αλλά και των γειτονικών του μέσω αλγορίθμου που υπολογίζει τις υψομετρικές διαφορές κατά τον οριζόντιο άξονα και κατά τον κάθετο, δηλαδή και ανά σειρές και ανά στήλες εικονοστοιχείων. Η γενική μορφή του αλγορίθμου είναι η εξής: Slope radians = ATAN ( ([dz/dx] 2 + [dz/dy] 2 )) Slope degrees = ATAN ( ([dz/dx] 2 + [dz/dy] 2 )) * Να σημειωθεί ότι η τιμή είναι το αποτέλεσμα της πράξης 180/pi ώστε να γίνει η μετατροπή των κλίσεων από rad σε βαθμούς και αναλύονται τα επιμέρους τμήματα του σε: [dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g) / (8 * x_cellsize) [dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / (8 * y_cellsize) σε έναν πίνακα εικονοστοιχείων 3x3 και θέλοντας να υπολογιστεί το εικονοστοιχείο που βρίσκεται στο κέντρο όπως στην παρακάτω εικόνα Με αυτόν τον τρόπο αν υπάρχουν εικονοστοιχεία με ακραίες τιμές υψομέτρων τότε μπορούν να γίνουν αντιληπτά μέσω των ακραίων τιμών των κλίσεων αλλά και των παράλογων προσανατολισμών που θα έχουν αυτά. Επίσης η σύγκριση δυο ψηφιακών μοντέλων εδάφους μέσω των κλίσεων και των 50

66 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα προσανατολισμών των εικονοστοιχείων τους μας δίνει μία πιο ακριβή εικόνα για το κατά πόσο αυτά μοιάζουν ή διαφέρουν στο σύνολο τους. Η σύγκριση των κλίσεων και του προσανατολισμού μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους γίνεται ανά ζεύγη και στόχος αυτής είναι να γίνει κατανοητό κατά πόσο όμοια είναι η συμπεριφορά των ψηφιακών μοντέλων στην περιοχή μελέτης. Μετά την εξαγωγή των μοντέλων κλίσεων ορίζουμε τα όρια των κλάσεων που δημιουργήθηκαν ώστε τα εύρη τους να είναι ίδια σε όλα. Στην συγκεκριμένη εργασία ορίστηκε το εύρος κάθε κλάσης να είναι οι 5 o όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα4.8 Κλάσεις των κλήσεων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους με εύρος 5 μοίρες. Αν αναλογιστεί κανείς ότι σύμφωνα με τον αλγόριθμο που προαναφέρθηκε παραπάνω θα ήταν αδύνατο να βρεθούν εικονοστοιχεία στην ίδια θέση με την ίδια ακριβώς τιμή, με συνέπεια η σύγκριση αυτή να κριθεί μη πραγματοποιήσιμη, έγινε αναταξινόμηση των τιμών των κλάσεων με μία σταθερή τιμή ανά κλάση δίνοντας ταυτόχρονα και μια ανοχή 5 ο στην αστοχία των υπό σύγκριση ψηφιακών μοντέλων κλίσεων. Έτσι οι κλάσεις των ψηφιακών μοντέλων πήραν την παρακάτω μορφή. Εικόνα4.9 Επαναπροσδιορισμός των κλάσεων των μοντέλων κλίσεων με μοναδικές τιμές. Η λογική για τον υπολογισμό του προσανατολισμού δεν απέχει πολύ από αυτόν των κλίσεων καθώς και εδώ χρησιμοποιείται ένα παράθυρο διαστάσεων 3x3pxl και ο υπολογισμός του προσανατολισμού του κεντρικού εικονοστοιχείου προσδιορίζεται από τα οχτώ γειτονικά του. Η γενική μορφή του αλγορίθμου είναι η εξής: Όπου: Aspect = * ATAN2 ([dz/dy], - [dz/dx]) [dz/dx] = ((c + 2f + i) - (a + 2d + g)) / 8 [dz/dy] = ((g + 2h + i) - (a + 2b + c)) / 8 51

67 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Το αποτέλεσμα του παραπάνω αλγορίθμου μετατρέπεται σε τιμές διεύθυνσης πυξίδας (0 ο -360 ο ) ακολουθώντας τον παρακάτω απλό κανόνα: If Aspect < 0 cell = Aspect else if Aspect > 90.0 cell = Aspect else cell = 90.0 Aspect Στο τέλος, το λογισμικό δημιουργεί δέκα κλάσεις προσανατολισμού ώστε να κατατάξει το κελί σύμφωνα με την τιμή που ορίστηκε από την παραπάνω διαδικασία. Η προκαθορισμένη ρύθμιση των κλάσεων, η χρωματική απεικόνιση τους και το εύρος των τιμών της κάθε μίας είναι η εξής: Στην πραγματικότητα, όπως μπορεί να γίνει αντιληπτό, υπάρχει μία και μόνο κλάση που υποδηλώνει ότι το εικονοστοιχείο δεν έχει κάποια κλίση και χαρακτηρίζεται με την τιμή -1 και οχτώ κλάσεις με εύρος 45 ο που μπορούν να προσδιορίζουν τον προσανατολισμό ενός εικονοστοιχείου. Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθήθηκε και για τις κλάσεις του προσανατολισμού του κάθε εικονοστοιχείου και έχοντας πλέον σταθερές τιμές μπορεί να γίνει η σύγκριση των μοντέλων. Η σύγκριση γίνεται ανάμεσα σε δύο μοντέλα κάθε φορά, και πραγματοποιείται σε τρείς φάσεις. Στην πρώτη γίνεται η σύγκριση των τιμών των κλάσεων δύο ψηφιακών μοντέλων κλίσεων με το αποτέλεσμα να είναι η δημιουργία ενός raster αρχείου με τιμές ένα (1) ή μηδέν (0) στα εικονοστοιχεία του, ανάλογα με το αν τα συγκρινόμενα ψηφιακά μοντέλα συμφωνούσαν στις ίδιες θέσεις ή όχι. Στη δεύτερη φάση επαναλαμβάνεται η ίδια μέθοδος στα μοντέλα προσανατολισμού με το αποτέλεσμα να είναι ένα αντίστοιχο raster αρχείο με τιμές ένα (1) ή μηδέν(0). Το επόμενο και τελευταίο στάδιο είναι η εύρεση του ποσοστού της συμφωνίας των δύο μοντέλων και ως προς την κλίση αλλά και ως προς τον προσανατολισμό. Αυτό προκύπτει από τη σύγκριση των δύο παραπάνω εξαγόμενων προϊόντων και την εύρεση του ποσοστού της απόλυτης συμφωνίας των υπό μελέτη ψηφιακών μοντέλων εδάφους στις δύο παραμέτρους που τέθηκαν στην παρούσα εργασία. Παρακάτω παρατίθενται αναλυτικά τα αποτελέσματα των συγκρίσεων που περιγράφηκαν σε αυτή τη διαδικασία για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς ζευγών. 52

68 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα SRTM & ASTER Σαν αποτέλεσμα της σύγκρισης είναι ένα raster αρχείο αποτελούμενο από 2 κλάσεις. Τα εικονοστοιχεία με πράσινο χρώμα αντιπροσωπεύουν τα εικονοστοιχεία των κλίσεων των δυο μοντέλων που ανήκαν στην ίδια κλάση ενώ με κόκκινο αυτά που ήταν σε διαφορετική. Το ποσοστό ομοιότητας στα μοντέλα των κλίσεων είναι 37,9%. Αντίστοιχα η ίδια σύγκριση γίνεται και στον προσανατολισμό αυτών και δημιουργούνται και εκεί δυο κλάσεις όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες (Εικόνα 4.10). Εικόνα4.10 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και ASTER Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και ASTER Το ποσοστό ομοιότητας των δύο μοντέλων ως προς τον προσανατολισμό των κλίσεων ανά εικονοστοιχείο είναι 43,8%. Συγκρίνοντας λοιπόν τα παραπάνω αποτελέσματα μεταξύ τους γίνεται εμφανές κατά πόσο δυο ψηφιακά μοντέλα μοιάζουν ως προς την συνολική συμπεριφορά τους. Όπως και στις προηγούμενες εικόνες έτσι και σε αυτήν που ακολουθεί με πράσινο χρώμα παρουσιάζονται τα εικονοστοιχεία των μοντέλων που συμφωνούν και ως προς την κλίση αλλά και ως προς τον προσανατολισμό. Από την παραπάνω σύγκριση αποδεικνύεται ότι μόνο το 14,1% των εικονοστοιχείων του SRTM και του ASTER συμφωνούν ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό αυτής ενώ το υπόλοιπο ποσοστό ή συμφωνεί μόνο στη μία από τις δυο παραμέτρους που τέθηκαν ή διαφωνεί πλήρως (Εικόνα 4.11). Εικόνα4.11 Σύγκριση των μοντέλων SRTM και ASTER ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό 53

69 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα SRTM & EUD Μετά την ακολουθία της παραπάνω διαδικασίας, στη σύγκριση των μοντέλων του SRTM και του EUD παρατηρείται ότι το ποσοστό συμφωνίας τους ως προς την κλίση είναι 45,7% ενώ του προσανατολισμού τους φτάνει το 48,7% και τα αποτελέσματα αυτά οπτικοποιούνται μέσω των παρακάτω εικόνων (Εικόνα 4.12). Εικόνα4.12 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και EUD Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και EUD Επαναλαμβάνοντας την παραπάνω διαδικασία για την εύρεση της ταυτόχρονης συμφωνίας και των δυο παραμέτρων που τέθηκαν στα συγκεκριμένα μοντέλα παρατηρήθηκε ότι το SRTM και το EUD συμφωνούν σε ένα ποσοστό της τάξεως του 20% (Εικόνα 4.13) Εικόνα4.13 Σύγκριση των μοντέλων SRTM και EUD ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό 54

70 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα SRTM & ALOS Τα μοντέλα των SRTM και ALOS ήταν αυτά που στους στατιστικούς ελέγχους με τα σημεία ελέγχου έδειξαν τα καλύτερα αποτελέσματα και τις μικρότερες αποκλίσεις σε σχέση με τα άλλα δύο. Στη σύγκριση των μοντέλων των κλίσεων και των προσανατολισμών τους παρατηρήθηκε μια μικρή αύξηση των ποσοστών συμφωνίας παρόλα αυτά όμως δεν ήταν τόσο μεγάλη ώστε να εξαχθεί κάποιο μεμπτό συμπέρασμα. Έτσι το ποσοστό συμφωνίας ως προς την κλίση βρίσκεται στο 46,4% και του προσανατολισμού στο 53% (Εικόνα 4.14). Εικόνα4.14 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του SRTM και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του SRTM και ALOS Ανάλογη με τις συγκρίσεις και των υπόλοιπων ζευγών είναι και το ποσοστό συμφωνίας ως προς και τις δυο παραμέτρους και είναι ίσο με το 20,8% του συνόλου των εικονοστοιχείων των ψηφιακών μοντέλων και αυτό κατανέμεται σε όλη την επικράτεια της υπό μελέτη περιοχής όπως φαίνεται και στην εικόνα στα δεξιά (Εικόνα 4.15). Εικόνα4.15 Σύγκριση των μοντέλων SRTM και ALOS ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό 55

71 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα ASTER & EUD Αντίθετα με το παραπάνω ζεύγος αυτά τα δύο μοντέλα πρόβαλαν μεγαλύτερες αστοχίες στους στατιστικούς ελέγχους, με μεγάλη διασπορά των μεταβλητών τους σε όλα τα διαγράμματα και με λιγότερο επιθυμητές τιμές στα βασικά στατιστικά μεγέθη όπως ελάχιστη, μέγιστη, μέση και μεσαία τιμή καθώς επίσης και στο εύρος των τιμών τους αλλά και στην τυπική τους απόκλιση που παρατέθηκαν στην αρχή του κεφαλαίου. Τα αποτελέσματα λοιπόν της μεταξύ τους σύγκρισης έδειξαν ότι υπάρχει συμφωνία ως προς την κλίση του κάθε εικονοστοιχείου τους σε ποσοστό 37,8% και αντίστοιχα ως προς τον προσανατολισμό τους σε ποσοστό 42,1% (Εικόνα 4.16). Εικόνα4.16 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του ASTER και EUD Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του ASTER και EUD Το τελικό αποτέλεσμα εμφανίσει τα δύο μοντέλα να έχουν ομοιότητες και στις δυο παραπάνω παραμέτρους ταυτόχρονα σε ποσοστό 13,4% (Εικόνα 4.17). Αν και εμφανίζουν το μικρότερο ποσοστό συμφωνίας από όλα τα συγκρινόμενα ζεύγη δεν μπορεί να συνδεθεί η στατιστική τους συμπεριφορά με το συγκεκριμένο αποτέλεσμα. Εικόνα4.17 Σύγκριση των μοντέλων ASTER και EUD ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό 56

72 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα ASTER & ALOS Η σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους του ASTER και του ALOS παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά μετά υπόλοιπα όμως παράλληλα εμφανίζει τα χαμηλότερα ποσοστά μετά την σύγκριση του ASTER με το EUD με το ποσοστό συμφωνίας ως προς την κλίση τους να ανέρχεται στο 39,9% και του προσανατολισμού τους στο 46,1%. Η κατανομή τους στην υπό μελέτη περιοχή παρουσιάζεται στις δύο παρακάτω εικόνες αντίστοιχα (Εικόνα 4.18). Εικόνα4.18 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του ASTER και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του ASTER και ALOS Το τελικό αποτέλεσμα των δύο παραπάνω παραμέτρων που τέθηκαν δίνει ένα ποσοστό ομοιότητας της τάξης του 16,5% στο σύνολο της περιοχής μελέτης χωρίς ιδιαίτερες συγκεντρώσεις σε αυτήν όπως φαίνεται και στην διπλανή εικόνα (Εικόνα 4.19). Εικόνα4.19 Σύγκριση των μοντέλων ASTER και ALOS ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό 57

73 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα EUD & ALOS Ο τελευταίος πιθανός συνδυασμός που μπορεί να επιτευχθεί για την σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ως προς την κλίση τους και τον προσανατολισμό των εικονοστοιχείων τους είναι αυτός του EUD και του ALOS που σύμφωνα με τους στατιστικούς ελέγχους που έγιναν στην αρχή του κεφαλαίου αυτού το πρώτο έδειξε μεγάλη αστάθεια εναντιθέσι με το άλλο όπου τόσο το ιστόγραμμα συχνοτήτων όσο και τα διαγράμματα διασποράς αλλά και τα στατιστικά μεγέθη έδειξαν μια βελτιωμένη συμπεριφορά σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα. Έτσι λοιπόν, το ποσοστό συμφωνίας των μοντέλων αυτών σε επίπεδο κλίσης ήταν της τάξης του 43,4% ενώ του προσανατολισμού ήταν 45% (Εικόνα 4.20). Εικόνα 4.20 Αριστερά: Σύγκριση των μοντέλων κλίσεων του EUD και ALOS Δεξιά: Σύγκριση των μοντέλων προσανατολισμού των κλίσεων του EUD και ALOS Η σύγκριση των παραπάνω δηλώνουν ομοιότητα των μοντέλων σε ποσοστό 17,1% του συνόλου που κατανέμεται στην περιοχή μελέτης όπως φαίνεται στην εικόνα δεξιά (Εικόνα 4.21). Σε γενικές γραμμές μπορεί να γίνει αποδεκτό ότι κανένας από τους παραπάνω συνδυασμούς δεν επέτρεψε την συμφωνία των μοντέλων να φτάσει σε κάποιο ικανοποιητικό ποσοστό όμως παρατηρήθηκε ότι τα μοντέλα SRTM και ALOS, που στατιστικά απεικονιζόντουσαν πιο αξιόπιστα είχαν και υψηλότερα ποσοστά συμφωνίας σε σχέση με τα άλλα δύο. Εικόνα4.21 Σύγκριση των μοντέλωνeud και ALOS ως προς την κλίση και τον προσανατολισμό Αξιοσημείωτο είναι και το γεγονός ότι οι χάρτες που έχουν εξαχθεί από την σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων των κλίσεων παρουσιάζουν μία χρωματική, άρα και υπολογιστική, αντίθεση με τους χάρτες των συγκρινόμενων μοντέλων του προσανατολισμού. 58

74 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα 4.5 Τομές των ψηφιακών μοντέλων Εδάφους σε επιλεγμένες περιοχές Η σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους, με σκοπό τον έλεγχο της υψομετρικής τους διαφοράς στο σύνολο της υπό μελέτη περιοχής, έφερε στην επιφάνεια το συμπέρασμα ότι υπάρχουν περιοχές που εκτείνονται από ένα και μόνο εικονοστοιχείο έως και αρκετά τετραγωνικά χιλιόμετρα όπου η ασυμφωνία αυτών έφτανε στο βαθμό των αρκετών εκατοντάδων μέτρων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας τέθηκε το όριο της μεταξύ τους αποχής στα 60m και οι διαφορές που ξεπερνούν το όριο αυτό θεωρήθηκαν προβληματικές. Σαν αποτέλεσμα αυτής της απόφασης δημιουργήθηκαν χάρτες στους οποίους υπήρχαν προβληματικές περιοχές μεγάλου μεγέθους σε αρκετούς συνδυασμούς ζευγών. Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα ξεχωρίζουν τέσσερις μεγάλες σε έκταση περιοχές που χρίζουν περαιτέρω και λεπτομερή ανάλυση λόγω της τεράστιας υψομετρικής διαφοράς που παρουσιάζεται μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Εικόνα4.22 Περιοχές της Ελληνικής επικράτειας στις οποίες υπάρχει ασυμφωνία μεταξύ των Ψηφιακών μοντέλων εδάφους ( >60m) Μετά από έρευνα που έγινε, αποδείχθηκε ότι όλες οι περιοχές αυτές έχουν ιδιαίτερα έντονο ανάγλυφο και ιδιόμορφη μορφολογία εδάφους και βρίσκονται στον ποταμό Νέστο, στην χαράδρα του ποταμού Βίκου, στην περιοχή του ατμοηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς και στα Λευκά όρη. Καθώς στην τελευταία περιοχή δεν υπήρχε υψομετρική πληροφορία από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους SRTM απορρίφθηκε από την περεταίρω μελέτη και η έρευνα συνεχίστηκε στις υπόλοιπες τρείς περιοχές. 59

75 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Η μέθοδος που επιλέχτηκε για την έρευνα των προβληματικών αυτών περιοχών ήταν η δημιουργία τομών και η προβολή τους μέσα από διαγράμματα που αναπαριστούν το προφίλ του εδάφους από όλα τα ψηφιακά μοντέλα ώστε να είναι εύκολη και άμεση η σύγκριση και ο εντοπισμός των σφαλμάτων Τομή εδάφους στην Περιοχή του π. Νέστου (Σημείο 1213) Η συγκεκριμένη περιοχή, η οποία προτάθηκε για περεταίρω μελέτη, βρίσκεται σε ένα τμήμα του π. Νέστου βορειοδυτικά της τεχνητής λίμνης του Θησαυρού στο ανατολικό τμήμα του νομού Δράμας. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από το έντονο, ιδιαίτερο και ιδιόμορφο ανάγλυφο και όπως παρατηρείται και από τις παρακάτω εικόνες δεν συμφωνούν όλα τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους ως προς την μορφολογία που αναπαριστούν. Είναι προφανές, όπως δείχνουν και οι παρακάτω δύο εικόνες που αναπαριστούν ψηφιακά μοντέλα εδάφους με χρωματικές αλλαγές ανά κλάση ώστε να είναι ευκολότερη η ανάγνωση τους, ότι υπάρχει τόσο έντονη διαφορά στην μορφολογία του εδάφους που αναπαριστούν τα μοντέλα που είναι οπτικά εμφανής. Εικόνα4.23 Αριστερά: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους από την αποστολή ALOS στην περιοχή του π. Νέστου (Σημείο 1213) Δεξιά: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους από την αποστολή SRTM στην περιοχή του π. Νέστου (Σημείο 1213) Η δημιουργία τομών εδάφους στην προβληματική περιοχή δίνει τη δυνατότητα παρακολούθησης της συμπεριφοράς όλων των υπό μελέτη ψηφιακών μοντέλων καθώς επίσης προβάλει την άμεση σύγκριση τους και αναδύει, μέσω αυτής της διαδικασίας, τις προβληματικές περιοχές σε κάθε θέση της τομής που έχει επιλεχθεί. Παρατηρώντας λοιπόν το παρακάτω διάγραμμα γίνεται αντιληπτό ότι, στη συγκεκριμένη περιοχή, το ψηφιακό μοντέλο εδάφους του ALOS παρεκκλίνει της πορείας των υπολοίπων. Συγκεκριμένα, από το σύνολο των 9521 μέτρων της τομής που επιλέχθηκε, παρατηρείται μια έντονη παρέκκλιση του ψηφιακού μοντέλου ALOS από την χιλιομετρική θέση 3000 με διαφορά περίπου 50m από τα υπόλοιπα και κορυφώνεται στην θέση 5500 με διαφορά 350m. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι σε όλο το μήκος της τομής τα υπόλοιπα ψηφιακά μοντέλα παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά. Υπάρχει επίσης κοντά στην τομή και το σημείο ελέγχου με ID No 1213 όπου μπορεί να αντληθεί από εκεί η πληροφορία 60

76 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα του ορθομετρικού υψομέτρου που περιέχει ώστε να υπάρχει μία αναφορά ως προς πραγματικό υψόμετρο και μέσω αυτού να αποδειχθεί εάν το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ALOS είναι αυτό που παρεκκλίνει από την πραγματική μορφολογία του εδάφους ή τα υπόλοιπα. Το σημείο ελέγχου 1213 έχει υψόμετρο 408,16m και βρίσκεται κοντά στην χιλιομετρική θέση 6000 των προφίλ εδάφους του παρακάτω διαγράμματος. Εικόνα4.24 Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του π. Νέστου Έτσι, παρατηρώντας το διάγραμμα των τομών αλλά και λαμβάνοντας υπόψιν την υψομετρική πληροφορία του σημείου ελέγχου εξάγεται το συμπέρασμα ότι το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ALOS παρουσιάζει μία ανωμαλία στη συγκεκριμένη περιοχή διαστάσεων 5x1,5 km Τομή εδάφους στην Περιοχή του Ατμοηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς Πολύ μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η περιοχή του ατμοηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς που βρίσκεται στην ευρύτερη περιοχή της Πτολεμαΐδας. Είναι μια περιοχή που χρησιμοποιείται για την εξόρυξη λιγνίτη και έχει ως συνέπεια η μορφολογία του εδάφους να υπόκειται σε συνεχείς αλλαγές με αποτέλεσμα σημαντικό ρόλο να παίζει η χρονική περίοδος που αντλήθηκαν τα δεδομένα της κάθε δορυφορικής αποστολής καθώς το υψόμετρο της περιοχής μεταβάλλεται συνεχώς. Ο συνδυασμός των παραπάνω με το γεγονός ότι δεν υπάρχει σημείο ελέγχου στην προβληματική περιοχή, ώστε να υπάρχει κάποιο υψόμετρο αναφοράς, απαγορεύει την εξαγωγή συμπερασμάτων ως προς την ορθότητα της αναπαράστασης του εδάφους από τα ψηφιακά μοντέλα και την προσαρμογή τους σε αυτό. Παρόλα αυτά, γνωρίζοντας τις συνεχείς εργασίες εκσκαφής που πραγματοποιούνται στην περιοχή εδώ και αρκετά χρόνια μπορεί να γίνει έλεγχος της υψομετρικής πληροφορίας των ψηφιακών μοντέλων εδάφους με χρονολογική σειρά. 61

77 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Είναι γνωστό ότι το ψηφιακό μοντέλο SRTM-v3 μπορεί να διατέθηκε προς χρήση τον Νοέμβριο του 2013 όμως τα δεδομένα του προέρχονται από τον Φεβρουάριο του 2000, όπου και πραγματοποιήθηκε η εκτόξευση του δορυφόρου, με τα κενά του μοντέλου να διορθώνονται από DEM του ASTER-v2. Το ASTER-v2 έγινε διαθέσιμο τον Οκτώβριο του 2011 και βασίστηκε στα δεδομένα της προηγούμενης έκδοσης του με την προσθήκη καινούριων στέρεο-ζευγών για την βελτίωση του. Το ψηφιακό μοντέλο EUD είναι ένα αποτέλεσμα του προγράμματος Copernicus του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος που βασίζεται στη σύντηξη δεδομένων SRTM και ASTER με σταθμισμένη προσέγγιση μέσης τιμής και ολοκληρώθηκε τον Οκτώβριο του 2013 όμως δεν παύει τα δεδομένα του να αποτελούνται από τα δύο προηγούμενα DEMs. Το ψηφιακό μοντέλο ALOS είναι αποτέλεσμα της δορυφορικής αποστολής DAIHCI του οργανισμού JAXA που αν και η δορυφορική αποστολή ξεκίνησε το 2006 τα δεδομένα αντλήθηκαν στο διάστημα Ένα παράδειγμα ενός πρώτου οπτικού ελέγχου για την διαφορά της μορφολογίας του εδάφους μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων αποτελούν οι παρακάτω δυο εικόνες. Ενώ υψομετρικά φαίνεται να βρίσκονται κοντά, η μορφολογία τους παρουσιάζει μεγάλες διαφορές. Εικόνα4.25 Αριστερά: DEM από την αποστολή ALOS στην περιοχή του Ατμό-Ηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς. Δεξιά: DEM από την αποστολή SRTM στην περιοχή του Ατμό-Ηλεκτρικού Σταθμού Καρδιάς Δημιουργώντας το σχεδόν 14km προφίλ των εδαφών όπως παρουσιάζονται από τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς παρατηρείται, όπως φαίνεται και στο παρακάτω διάγραμμα, ότι υπάρχουν τμήματα κατά τα οποία υπάρχει λογική στην υψομετρική πληροφορία και τμήματα στα οποία παρουσιάζεται μία πιο χαοτική κατάσταση. Παράλληλα γίνεται έλεγχος τις μορφολογίας του εδάφους στις χρονικές περιόδους που έγινε η λήψη των δορυφορικών δεδομένων. Σκοπός αυτού είναι να γίνει αντιληπτό, έστω και οπτικά, το μέγεθος της αλλαγής που υπέστη το έδαφος, με απώτερο σκοπό η ευκολότερη ερμηνεία του παρακάτω διαγράμματος. Οι παρακάτω τέσσερις εικόνες προβάλλουν την αλλαγή που υπέστη το έδαφος κατά τα έτη 2000, 2009, 2011 και 2018 και είναι τόσο έντονη στην μορφολογία του εδάφους που γίνεται ορατή ακόμα και από μια απλή δορυφορική εικόνα. Παρατηρούνται επίσης και επεκτατικές ενέργειες για την λειτουργία του σταθμού όλο αυτό το διάστημα και ως αποτέλεσμα αυτού είναι και η συνεχής επέκταση και των εργασιών εκσκαφής. Σημαντικό είναι να αναφερθεί ότι ο τρόπος μεταβολής της μορφολογίας του εδάφους δεν μπορεί να αναγνωριστεί και ως εκ τούτου δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές και οι 62

78 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα υψομετρικές αλλαγές που μπορεί να έχουν πραγματοποιηθεί καθώς αφήνεται ανοιχτό το ενδεχόμενο σε κάποια τμήματα να υπάρχει αύξηση του υψομέτρου και σε άλλα μείωση χωρίς αυτό να μπορεί να προσδιοριστεί με τα διαθέσιμα δεδομένα της παρούσας εργασίας. Εικόνα4.26 Πάνω αριστερά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Πάνω δεξιά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Κάτω Αριστερά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το Κάτω δεξιά: Δορυφορική εικόνα της περιοχής του Ατμό-ηλεκτρικού σταθμού Καρδιάς το (Πηγή: Google Earth Pro) Σύμφωνα με τα παραπάνω λοιπόν, θα έμοιαζε λογικό το ψηφιακό μοντέλο του SRTM να εμφανίζει σε γενικές γραμμές υψηλότερες υψομετρικές τιμές από τα υπόλοιπά, το ALOS τις χαμηλότερες, και το ASTER και EUD να βρίσκονται κάπου ενδιάμεσα. Πράγματι, στα πρώτα 8km της τομής ακολουθείται η λογική που αναπτύχθηκε στην προηγούμενη παράγραφο και οι τομές παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά, με το ψηφιακό μοντέλο του ALOS να εμφανίζει μια ολίσθηση και οι υψομετρικές τιμές του να είναι χαμηλότερες από τα υπόλοιπα ψηφιακά μοντέλα εδάφους, επιβεβαιώνοντας το σενάριο των εργασιών εκσκαφής στην περιοχή και δικαιολογώντας έτσι τη διαφορά των 50 περίπου μέτρων με τα υπόλοιπα ψηφιακά μοντέλα εδάφους χωρίς φυσικά αυτό να είναι δεσμευτικό. Επίσης από τη χιλιομετρική θέση 6500 έως την 8000 τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους SRTM και EUD ακολουθούν μία παρόμοια συμπεριφορά ενώ το ASTER και το ALOS διαφωνούν με τα προηγούμενα δυο, υποδηλώνοντας ίσος μία αλλαγή στην μορφολογία του εδάφους η οποία κατά πάσα πιθανότητα εμφανίστηκε μετά την άντληση των δεδομένων του SRTM. Παρατηρώντας τα επόμενα 2km των τομών εμφανίζεται μία αντιστροφή της προηγούμενης κατάστασης. Σε αυτό το κομμάτι του διαγράμματος το ψηφιακό μοντέλο του ALOS εμφανίζει 63

79 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα υψηλότερες τιμές από τα υπόλοιπα, όμως γίνεται παράλληλα αντιληπτό ότι όλα τα μοντέλα, στην χιλιομετρική θέση 9500, προσπαθούν να προσομοιώσουν μια παρόμοια κατάσταση. Τα τελευταία τέσσερα χιλιόμετρα των τομών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στην περιοχή αυτή παρουσιάζουν μια παρόμοια συμπεριφορά εκτός του ALOS το οποίο εμφανίζει μεγάλη βύθιση στις υψομετρικές τιμές. Αυτό μπορεί να οφείλεται είτε σε έντονες εργασίες στην περιοχή είτε σε σφάλμα του μοντέλου. Εικόνα4.27 Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του ΑΗΣ Καρδιάς Σημαντική είναι και η παρατήρηση των εμβαδών στην τομή του ALOS στα δύο τελευταία τμήματα του διαγράμματος που αναφέρθηκαν, καθώς τα μεγέθη τους φαίνονται παρόμοια. Σε αυτή την περίπτωση μπορεί να θεωρηθεί ακόμα μια περιοχή όπου προβάλλονται προβληματικές τιμές από το ψηφιακό μοντέλο είτε ότι η περιοχή από την χιλιομετρική θέση 8000 έως την χρησιμοποιείται για την εναπόθεση του υλικού από τυχόν εκσκαφές που μπορεί να πραγματοποιηθήκαν στην περιοχή με εύρος χιλιομετρικής θέσης στην τομή Επίσης τα τελευταία 1000m των τομών βρίσκονται εκτός της περιοχής του ατμό-ηλεκτρικού σταθμού και γίνεται εύκολα κατανοητό ότι οι τομές των μοντέλων βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους και ως εκ τούτου τα ψηφιακά μοντέλα να εκδηλώνουν παραπλήσια συμπεριφορά Τομή εδάφους στην Περιοχή του Βίκου (Από το σημείο 400 έως το 1441) Η περιοχή μελέτης αυτή βρίσκεται στο βόρειο-ανατολικό τμήμα του Γεωγραφικού Διαμερίσματος της Ηπείρου και χαρακτηρίζεται από το υπερβολικά έντονο ανάγλυφο της. Το φαράγγι του Βίκου περιέχει τόσο έντονες υψομετρικές διαφορές που έχει χαρακτηριστεί ως το βαθύτερο σε αναλογία με το πλάτος του καθώς σε ένα σημείο του έχει βάθος 900m και πλάτος 1100m. Σε αυτή τη περιοχή λοιπόν, παρατηρήθηκαν έντονες υψομετρικές διαφορές μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους και η περεταίρω μελέτη κρίθηκε απαραίτητη ώστε να γίνει αντιληπτή η συμπεριφορά τους. 64

80 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εξετάζοντας τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή, γίνεται αντιληπτό από τη πρώτη στιγμή ότι υπάρχουν αρκετά σημεία στα οποία υπάρχει διαφωνία μεταξύ τους, όπως φαίνεται και από τις δυο παρακάτω εικόνες. Το παράδειγμα αυτό αφορά το ψηφιακό μοντέλο του EUD που βρίσκεται αριστερά και του SRTM στα δεξιά. Από την πρώτη κιόλας στιγμή διακρίνεται αυτή η διαφορετικότητα των μοντέλων στο βορειοδυτικό τμήμα της περιοχής. Εικόνα4.28 Αριστερά: DEM από την αποστολή EUD στο φαράγγι του Βίκου (Από το σημείο 400 έως το 1441) Δεξιά: DEM από την αποστολή SRTM στο φαράγγι του Βίκου (Από το σημείο 400 έως το 1441) Η δημιουργία τομών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους κρίνεται απαραίτητη για την άμεση σύγκριση αυτών καθώς και την εύρεση και ανάλυση του προβλήματος. Έτσι το προφίλ του εδάφους όπως προβάλλεται από τα ψηφιακά μοντέλα παρουσιάζεται στο παρακάτω διάγραμμα. Μπορεί να γίνει αποδεκτό ότι σε γενικές γραμμές η συμπεριφορά των τομών όλων των μοντέλων είναι παρόμοια σε όλο το μήκος τους, όμως υπάρχουν μεγάλα τμήματα στα οποία κάποια εξ αυτών αποκτούν κάποια μετατόπιση από τα υπόλοιπα. Με λίγα λόγια, η μορφολογία του εδάφους που αποτυπώνεται από τα ψηφιακά μοντέλα ακολουθεί το ίδιο μοτίβο παρόλα αυτά υπάρχουν έντονες υψομετρικές διαφορές σε μεγάλα τμήματα των τομών. Συγκεκριμένα, παρατηρώντας το παρακάτω διάγραμμα γίνεται κατανοητή η παραπάνω περιγραφή και εστιάζοντας από τη χιλιομετρική θέση 1000 έως την 7500 διακρίνονται εύκολα τα τμήματα ενδιαφέροντος. Η πρώτη παρατήρηση αφορά εξ ολοκλήρου το ψηφιακό μοντέλο εδάφους EUD καθώς σχεδόν στο σύνολο του τμήματος αυτού έχει την τάση να απέχει από τα υπόλοιπα μερικές εκατοντάδες μέτρα ενώ αντίθετα τα ψηφιακά μοντέλα SRTM και ASTER σχεδόν ταυτίζονται σε όλο το μήκος της τομής. Από την άλλη μεριά η τομή του ψηφιακού μοντέλου ALOS τείνει να ακολουθεί το ανάγλυφο που παρουσιάζουν τα τελευταία δυο με αποκλίσεις που δεν ξεπερνούν τα 50m εκτός του τμήματος που βρίσκεται κοντά στη χιλιομετρική θέση 1500 όπου απέχει περίπου 100m από τα SRTM και ASTER και περίπου 250m από το EUD. Παρόμοια είναι η συμπεριφορά και στη χιλιομετρική θέση 9500 στην οποία τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους ALOS και EUD παρουσιάζουν χαμηλότερες υψομετρικές τιμές από τα SRTM και ASTER κατά 200m. 65

81 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Τα υπόλοιπά τμήματα των τομών, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα βρίσκονται τόσο κοντά που σε πολλές περιπτώσεις ταυτίζονται και συμφωνούν στις υψομετρικές τιμές που αναφέρουν, όπως για παράδειγμα το τμήμα από τη χιλιομετρική θέση 7500 έως την Σημαντική παρατήρηση είναι και η διαπίστωση ότι τα τμήματα αυτά βρίσκονται εκτός του φαραγγιού ενώ, αντίθετα, οι έντονες υψομετρικές διαφορές ανάμεσα στα ψηφιακά μοντέλα εδάφους παρατηρούνται στα τμήματα των τομών που διασχίζουν το φαράγγι. Εικόνα4.29 Προφίλ εδάφους από όλα τα υπό μελέτη ψηφιακά μοντέλα εδάφους στην περιοχή του ΑΗΣ Καρδιάς Όπως προαναφέρθηκε, το φαράγγι του Βίκου είναι μια περιοχή που χαρακτηρίζεται από το έντονο ανάγλυφο της, με μεγάλες και σχεδόν ακανόνιστες υψομετρικές διαφορές σε μικρές αποστάσεις. Είναι λοιπόν πολύ πιθανό να υπάρχει αδυναμία λήψης ικανοποιητικών δορυφορικών δεδομένων για την δημιουργία ενός ακριβούς ψηφιακού μοντέλου εδάφους σε έντονες μορφολογικά περιοχές σαν αυτή ή να υπάρχει η ανάγκη ενός εξειδικευμένου αλγόριθμου που θα μπορέσει να αναλύσει καλύτερα τα δεδομένα και να προσομοιώσει με τον βέλτιστο τρόπο το ψηφιακό μοντέλο που θα δημιουργήσει στην επιφάνεια της Γης. Δεν πρέπει φυσικά να παραληφθεί και η χωρική ανάλυση του τελικού προϊόντος η οποία επιδρά σημαντικά στην περεταίρω μελέτη του, επιφέροντας αλλοιώσεις στην ακρίβεια του. 4.6 Σύγκριση των UAV-DEM με τα ορθομετρικά υψόμετρα Με το πέρας της παραπάνω διαδικασίας επιτεύχθηκε η μελέτη και αξιολόγηση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους μέσω σημείων ελέγχου στην επικράτεια της περιοχής μελέτης και μέσω τομών σε κάποιες εμφανώς προβληματικές περιοχές. Σε αυτό το κομμάτι της παρούσας εργασίας γίνεται μια προσπάθεια αξιολόγησης τμημάτων των παγκόσμιων DEMs έχοντας ως αναφορά, ψηφιακά μοντέλα εδάφους που έχουν δημιουργηθεί μέσω αεροφωτογραφιών από UAV. Με αυτό τον τρόπο δεν θα γίνει σύγκριση και αξιολόγηση μίας μόνο σημειακής τιμής αλλά ολόκληρη η επιφάνεια. 66

82 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Στα πλαίσια αυτής της εργασίας υπήρχαν 7 διαθέσιμα ψηφιακά μοντέλα εδάφους που προήλθαν μέσω φωτογραμμετρίας. Τα αρχικά δεδομένα είναι αεροφωτογραφίες που προήλθαν από σύστημα UAV και η επεξεργασία αυτών για την δημιουργία των DSM πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό Agisoft Photoscan. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό των 7 αυτών ψηφιακών μοντέλων είναι ότι σε όλα υπάρχει και ένα σημείο αναφοράς ώστε να γίνει εφικτός, έστω και σημειακά, ο έλεγχος της ποιότητας και της ακρίβειας αυτών. Τα DSMs που είναι διαθέσιμα, η διακριτική τους ικανότητα αλλά και τα σημεία αναφοράς που περιέχουν είναι τα εξής: Σημείο 488: Οικισμός Πλατανίδια, περιοχή του Βόλου, διακριτική ικανότητα 8,7cm/pxl Σημείο 529: Οικισμός Νέα Ρόδα, περιοχή Χαλκιδικής, διακριτική ικανότητα 8,0cm/pxl Σημείο 623: Οικισμός Νέα Μουδανιά, περιοχή Χαλκιδικής, διακριτική ικανότητα 16,5cm/pxl Σημείο 1067: Οικισμός Άγιος Αθανάσιος, περιοχή Ξάνθης, διακριτική ικανότητα 6,3cm/pxl Σημείο 1205: Οικισμός Παλαιόκαστρο, περιοχή Χαλκιδικής, διακριτική ικανότητα 6,4cm/pxl Σημείο 1236: Οικισμός Χαριτωμένη, περιοχή Δράμας, διακριτική ικανότητα 7,2cm/pxl Σημείο 1891: Οικισμός Γλυνάδο, περιοχή Νάξου, διακριτική ικανότητα 6,6cm/pxl Ο σημειακός έλεγχος αυτών των DSM είναι ο ίδιος που περιγράφηκε στην αρχή του κεφαλαίου και για τα παγκόσμια μοντέλα και αφορά την διαφορά των ορθομετρικών υψομέτρων, που αντλήθηκαν από τα σημεία ελέγχου, με τις υψομετρικές τιμές των DSM στα σημεία αυτά. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται τα σημεία ελέγχου στα οποία υπάρχει πληροφορία και από τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους από UAV. Στην τελευταία στήλη παρουσιάζεται η διαφορά των υψομετρικών τιμών μεταξύ των σημείων ελέγχου και των DSM από τα UAV. Αφαιρέθηκε το ύψος του βάθρου καθώς τα ψηφιακά μοντέλα που προέρχονται από φωτογραμμετρία περιέχουν και πληροφορία φυσικών και τεχνητών αντικειμένων που βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια του εδάφους. Πίνακας4.3 Στοιχεία των σημείων ελέγχου που περιλαμβάνονται στον έλεγχο των DSMs και η υψομετρική διαφορά τους. 67

83 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Όπως φαίνεται και στον παραπάνω πίνακα η (UAV_H-H-ΒΑΘΡΟ) υψομετρική διαφορά αυτών κυμαίνεται από μερικά εκατοστά έως κάτι λιγότερο από ένα μέτρο και όπως φαίνεται το μέγεθος αυτής δεν είναι ανάλογο της διακριτικής ικανότητας τους. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σημαντικό ρόλο στην τελική ακρίβεια παίζουν η μορφολογία του εδάφους, το πλήθος και η διάταξη των σημείων ελέγχου που θα αποτελέσουν την γεωαναφορά του, ο ανθρώπινος παράγοντας κ.α.. Παρόλα αυτά, κρίνοντας την αποχή τους αυτή με την ονομαστική ακρίβεια των παγκόσμιων μοντέλων γίνεται αντιληπτό ότι τα DSM αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των υπό μελέτη DEMs καθώς μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. 4.7 Σύγκριση των ψηφιακών μοντέλων εδάφους του EUD και του ALOS με τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους από UAV Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθούν δύο ψηφιακά μοντέλα εδάφους που προήλθαν από συστήματα UAV και να συγκριθούν με δύο από τα υπό μελέτη παγκόσμια ψηφιακά μοντέλα εδάφους. Η επιλογή των δύο DEMs γίνεται με γνώμονα τα στατιστικά στοιχεία, τις αναλύσεις και τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο αυτό. Με βάση λοιπόν, τα στατιστικά μεγέθη (ελάχιστη τιμή, μέγιστη τιμή μέση τιμή, μεσαία τιμή, επικρατέστερη τιμή, τυπική απόκλιση και εύρος) και τα διαγράμματα που εξήλθαν επιλέγεται ως βέλτιστο μοντέλο το ALOS και ως το λιγότερο αξιόπιστο το EUD. Τα ψηφιακά μοντέλα εδάφους από UAV που θα χρησιμοποιηθούν για την σύγκριση τους με τα EUD και ALOS είναι του Παλαιοκάστρου, που βρίσκεται στην περιοχή της Χαλκιδικής, λόγω του μεγάλου υψομέτρου και του Γλυνάδου στη Νάξο, καθώς οι νησιωτικές περιοχές είναι συνήθως προβληματικές λόγω της αδυναμίας των δορυφόρων να συλλέξουν αξιόπιστα δεδομένα. Η γενική αρχή για την σύγκριση τους παραμένει ίδια και αφορά την υψομετρική διαφορά των εικονοστοιχείων του ενός μοντέλου με το άλλο, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, και η δημιουργία ψηφιδωτών αρχείων (raster) όπου το κάθε εικονοστοιχείο περιέχει την πληροφορία της διαφοράς αυτής. ΔΗ = Η(UAV DEM) Η(DEM) Για την εξαγωγή και ευκολότερη διαχείριση των δεδομένων δημιουργήθηκαν σημεία στις περιοχές μελέτης και ώστε να εισαχθούν όλα τα απαραίτητα δεδομένα στη γεω-βάση και να επιτευχθεί η σύγκριση των μοντέλων. Η δημιουργία των σημείων ήταν τυχαία μέσω εντολής του προγράμματος που χρησιμοποιήθηκε και το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία 342 σημείων για την περιοχή του Γλυνάδου και 366 για την περιοχή του Παλαιοκάστρου και βρίσκονται τοποθετημένα όπως δείχνουν οι δύο παρακάτω εικόνες. 68

84 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.30 Δημιουργία τυχαίων σημείων στις περιοχές μελέτης για την άντληση και καταχώρηση των απαραίτητων δεδομένων στη γεω-βάση. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργήθηκαν δύο πολύ πυκνά σύνολα σημείων αναφοράς με ακρίβεια ίση με αυτήν των ψηφιακών μοντέλων από το οποία προήλθαν και έτσι μπορεί να επιτευχθεί μία πιο λεπτομερής ανάλυση των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Παρατηρώντας τα δύο διαγράμματα που παρατίθενται παρακάτω παρατηρούμε ότι τα ψηφιακά μοντέλα συμπεριφέρονται αρκετά καλά με τις ακραίες τιμές να είναι ελάχιστες και να περιορίζονται σε λιγότερο από 15m για την περιοχή του Γλυνάδου της Νάξου και κάτω από 25m για την περιοχή του Παλαιοκάστρου Χαλκιδικής. Επίσης είναι φανερό ότι το ψηφιακό μοντέλο ALOS έχει καλύτερη συμπεριφορά και παρουσιάζει μικρότερη αποχή από ότι το EUD ενώ το δεύτερο εμφανίζει υψηλότερες ακραίες τιμές 69

85 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Εικόνα4.31 Πάνω: Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ALOS και EUD και των σημείων ελέγχου στην περιοχή Γλυνάδο. Κάτω: Διάγραμμα υψομετρικών διαφορών μεταξύ των ψηφιακών μοντέλων εδάφους ALOS και EUD και των σημείων ελέγχου στην περιοχή Παλαιόκαστρο. Μελετώντας τα στατιστικά μεγέθη που προέκυψαν από την άντληση των παραπάνω δεδομένων παρατηρείται ότι η ελάχιστες και μέγιστες τιμές βρίσκονται περίπου στο διπλάσιο της ονομαστικής τυπικής απόκλισης που παραθέτουν οι δορυφορικές αποστολές. Οι μέσες τιμές δεν ξεπερνούν τα 3m και πιο συγκεκριμένα για την περιοχή του Γλυνάδου η μέση τιμή του ALOS είναι 2,79m ενώ του EUD 1,14m ενώ για την περιοχή του Παλαιοκάστρου η μέση τιμή του ALOS είναι -0,63m και του EUD 2,03m. Μεγάλο ενδιαφέρον έχουν και οι τιμές των τυπικών αποκλίσεων όπου για την περιοχή του Γλυνάδου είναι 3,45m για το ALOS και 4,18m για το EUD ενώ αντίστοιχα για την περιοχή του Παλαιοκάστρου το ALOS είχε τυπική απόκλιση 4.54m ενώ το EUD 7,47m. Αν εξαιρέσουμε την τελευταία τιμή, τυπικές αποκλίσεις βρίσκονται περίπου στο μισό σε σύγκριση με τις ονομαστικές τους τιμές. Πίνακας4.4 Πίνακας στατιστικών μεγεθών των ψηφιακών μοντέλων εδάφους. Τα μεγέθη αφορούν την υψομετρική διαφορά των υψομέτρων των DEMs με τα με τα υψόμετρα των σημείων που δημιουργήθηκαν από τα DEM με την χρήση συστημάτων UAV. 70

86 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Για να γίνει πιο κατανοητή η συμπεριφορά των μοντέλων στις περιοχές αυτές και κατ επέκταση η ανάλυση και αξιολόγηση αυτής, δημιουργούνται ιστογράμματα συχνοτήτων και διαγράμματα διασποράς. Με αυτόν τον τρόπο θα υπάρξει οπτικοποίηση των στατιστικών μεγεθών και μπορούν να γίνουν διακριτές οι αστοχίες των μοντέλων. Ξεκινώντας με το Γλυνάδο και τα ιστογράμματα συχνοτήτων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους παρατηρείται μία παρόμοια συμπεριφορά και στα δυο ψηφιακά μοντέλα εδάφους. Εμφανής είναι και η μεγαλύτερη συσπείρωση του ALOS έναντι του EUD. Αυτό φυσικά φαινόταν και από την ελάχιστη και μέγιστη τιμή που εμφανίζεται και στον παραπάνω πίνακα όμως αυτό που γίνεται διακριτό είναι το πλήθος των τιμών που πλησιάζουν ή αγγίζουν τις ακραίες τιμές. Επίσης παρατηρείται ότι κοντά στην περιοχή του 0 κατά τον οριζόντιο άξονα, δηλαδή τον άξονα των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων και των DSM από UAV, το ιστόγραμμα του EUD συγκεντρώνει μεγαλύτερο πλήθος τιμών από ότι το ALOS το οποίο δείχνει μια μεγαλύτερη μετατόπιση προς τα δεξιά και αυτό μπορεί εν μέρει να γίνει κατανοητό από την μέση και μεσαία τιμή που εμφανίζονται στον πίνακα. Το ψηφιακό μοντέλο του ALOS έχει μέση τιμή 2,79m και μεσαία 2,96m ενώ αντίστοιχα οι τιμές για το EUD περιορίζονται στο 1,14m και 1.59m αντίστοιχα. Εικόνα4.32 Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στα σημεία ελέγχου στην περιοχή Γλυνάδο. 71

87 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν και τα διαγράμματα διασποράς των υψομετρικών διαφορών αυτών, καθώς γίνεται εύκολα εμφανές ότι το διάγραμμα του ψηφιακού μοντέλου ALOS έχει μια σχετικά ισχυρή σχέση μεταξύ των μεταβλητών του και με την υψομετρική διαφορά να έχει μία μικρή αύξηση καθώς αυξάνεται και το υψόμετρο του σημείου ενώ από την άλλη, το διάγραμμα του ψηφιακού μοντέλου EUD παρουσιάζει ένα διάγραμμα διασποράς με μία πιο «χαλαρή» σχέση, καθώς η συσπείρωση των τιμών δεν είναι τοσο έντονη και οι τιμές της υψομετρικής διαφοράς μειώνονται σε σχέση με την αύξηση του υψομέτρου. Εμφανής είναι και η αύξηση της ασυμμετρίας στο διάγραμμα διασποράς του EUD σε αντίθεση με το διάγραμμα του ALOS που οι κατανομές του είναι συμετρικές και έχουν μία σχετικά σταθερή διασπορά. Εικόνα4.33 Διαγράμματα διασποράς της υψομετρικής διαφοράς των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV και των υψομέτρων των ψηφιακών μοντέλων εδάφους στα σημεία ελέγχου συναρτήσει των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στην περιοχή Γλυνάδο. 72

88 Κεφάλαιο 4: Συγκρίσεις - Αποτελέσματα Αναλύοντας τα ιστογράμματα συχνοτήτων στην περιοχή του Παλαιοκάστρου Χαλκιδικής γίνεται εμφανές, όπως φαίνεται και στον πίνακα των στατιστικών μεγεθών που παρατίθεται παραπάνω, το εύρος των διαφορών των υψομετρικών τιμών αλλά και το πλήθος σε κάθε κλάση. Από τη πρώτη στιγμή γίνεται αντιληπτό ότι το εύρος του ιστογράμματος του EUD είναι μεγαλύτερο από του ALOS παρόλα αυτά δεν είναι μεγάλο το πλήθος των τιμών που ξεπερνούν τα όρια του. Επίσης παρατηρείται ότι το ιστόγραμμα του ALOS συγκεντρώνει μεγαλύτερο πλήθος τιμών στο εύρος [-5,5], δηλαδή κοντά στην τιμή 0, από το EUD και αυτό εν μέρει μπορεί να γίνει αντιληπτό από τη μέση και μεσαία τιμή που για το ALOS είναι -0,63m και -0,86m και για το EUD είναι -2,03m και -2,90m αντίστοιχα. Οι αρνητικοί δείκτες των μέσων και μεσαίων τιμών αντικατοπτρίζονται και από τα ιστογράμματα συχνοτήτων καθώς παρατηρείται μια μετατόπιση του συνόλου προς τα αριστερά δηλαδή προς τις αρνητικές τιμές των διαγραμμάτων. Εικόνα4.34 Ιστογράμματα συχνοτήτων των υψομετρικών διαφορών μεταξύ των παγκόσμιων ψηφιακών μοντέλων εδάφους και των υψομέτρων από το ψηφιακό μοντέλο του UAV στα σημεία ελέγχου στην περιοχή Παλαιόκαστρο. 73