ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΗΣ ΑΠΟ GPS ΚΑΙ GIS ΙΑΣΤΗΜΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΣΤΗ ΜΟΡΦΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΤΗΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ. Αντώνιος Φ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΖΟΜΕΝΗΣ ΑΠΟ GPS ΚΑΙ GIS ΙΑΣΤΗΜΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΣΤΗ ΜΟΡΦΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΤΗΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕ ΟΝΙΑΣ Αντώνιος Φ. Μουρατίδης Υπότροφος Ι.Κ.Υ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, Φεβρουάριος 2010

2 Επταµελής Εξεταστική Επιτροπή 1. Θ. Αστάρας, Καθηγητής Τµήµατος Γεωλογίας, Α.Π.Θ. (Επιβλέπων) 2. Σ. Παυλίδης, Καθηγητής - Πρόεδρος του Τµήµατος Γεωλογίας, Α.Π.Θ. (Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής) 3. Μ. Τσακίρη-Στρατή, Αναπλ. Καθηγήτρια του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. (Μέλος Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής) 4. Κ. Κατσάµπαλος, Καθηγητής Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. 5. Ν. Σουλακέλλης, Αναπλ. Καθηγητής - Πρόεδρος του Τµήµατος Γεωγραφίας του Πανεπιστηµίου Αιγαίου 6. P. Briole, Director of Research, Ecole Normale Supérieure (ENS), Paris, France 7. F. Rolandone, Assoc. Professor, Institut de Science de la Terre, Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Paris, France

3

4 1

5 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Πρωτίστως θα ήθελα να ευχαριστήσω: Τον κύριο επιβλέποντα αυτής της εργασίας, Καθηγητή του Τµήµατος Γεωλογίας, ιευθυντή του Τοµέα Φυσικής και Περιβαλλοντικής Γεωγραφίας και ιευθυντή του Εργαστηρίου Εφαρµογών Τηλεπισκόπησης και Γεωγραφικών Συστηµάτων Πληροφοριών, κ. Θεόδωρο Αστάρα, για την ανάθεση της συγκεκριµένης διδακτορικής διατριβής, τη γενικότερη καθοδήγηση και την πολύτιµη βοήθειά του κατά την εκπόνησή της, αλλά και για το σύνολο της συνεργασίας µας από το 2002 έως σήµερα, σε επίπεδο προπτυχιακού, µεταπτυχιακού και διδακτορικού επιπέδου σπουδών. Τον Καθηγητή και Πρόεδρο του Τµήµατος Γεωλογίας κ. Σπύρο Παυλίδη, Μέλος της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής, για την ουσιαστική επιστηµονική υποστήριξη και τις εποικοδοµητικές συζητήσεις, ιδιαίτερα σε θέµατα που άπτονται των αντικειµένου της Μορφο-Σεισµοτεκτονικής και της Γεωλογίας εν γένει, καθώς και για τον χρόνο που µου διέθεσε, παρά τα αυξηµένα διοικητικά του καθήκοντα. Την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. κα. Μαρία Τσακίρη-Στρατή, Μέλος της Τριµελούς Συµβουλευτικής Επιτροπής και εισηγήτριά µου στην Τηλεπισκόπηση από την σκοπιά του Μηχανικού, για τη συνεχή υποστήριξη και την πολύτιµη βοήθειά της σε θέµατα Τηλεπισκόπησης και ψηφιακής επεξεργασίας τηλεπισκοπικών δεδοµένων, από το 2003 έως σήµερα. Τον κ. Pierre Briole, Director of Research, Laboratoire de Géologie, Ecole Normale Supérieure, για την εµπιστοσύνη που µου έδειξε, την πληθώρα των γνώσεων που µου προσέφερε απλόχερα κατά την 7µηνη παρουσία µου στο Παρίσι και ιδιαίτερα για το ότι µου δίδαξε, πώς η «απλή και καθαρή» µέθοδος εργασίας αποτελεί τη βάση για στέρεο και πρωτότυπο ερευνητικό έργο. Τον κ. Κωνσταντίνο Κατσάµπαλο, Καθηγητή του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. για την πάντα άµεση ανταπόκριση στις απορίες µου, καθώς και για την αµέριστη συµπαράσταση και τις συµβουλές του, ιδιαίτερα σε θέµατα Γεωδαισίας και GPS. Τον κ. Χρήστο Πικριδά, Επίκουρο Καθηγητή του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. για τις χρήσιµες συµβουλές και τις συζητήσεις, καθώς και για την υποστήριξη κατά την εργασία υπαίθρου µε GPS. Τον Λέκτορα του Τµήµατος Γεωλογίας του Α.Π.Θ. κ. ηµήτριο Οικονοµίδη, για την άριστη και συνεπή συνεργασία τα τελευταία 7 χρόνια.

6 3 Tους Penélope Lopez, Maya Ilieva, Rana Charara και Moez Baccouche για τις γνώσεις που ανταλλάξαµε και τη συνεργασία στο ENS. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω: Την κα. Frédérique Rolandone, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), για τις πολύωρες επιστηµονικές συζητήσεις και την άριστη συνεργασία. Την Καθηγήτρια του Τµήµατος Γεωλογίας, κα. Ελευθερία Παπαδηµητρίου για την υποστήριξη της µετακίνησή µου στο Παρίσι µέσω του προγράµµατος ERASMUS. Τους συναδέλφους µεταπτυχιακούς φοιτητές του Τοµέα Φυσικής και Περιβαλλοντικής Γεωγραφίας για τη συνεργασία, καθώς και το σύνολο του προσωπικού του Τοµέα για την επιστηµονική και υλική υποστήριξη. Το προσωπικό του Τµήµατος Γεωλογίας και του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του Α.Π.Θ. Το επιστηµονικό, διοικητικό και τεχνικό προσωπικό του Ecole Normale Superieure, για την υποστήριξη κατά την 7µηνη εκεί παρουσία µου. Την Επιτροπή Ερευνών του Α.Π.Θ. για την αναγνώριση της ερευνητικής µου προσπάθειας και την οικονοµική ενίσχυση. Το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.) για την οικονοµική υποστήριξη κατά τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών, υπό τη µορφή χορήγησης υποτροφίας, µε γνωστικό αντικείµενο «Τηλεπισκόπηση και Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήµατα στις Γεωεπιστήµες». Τους πολύ καλούς µου φίλους για την υποµονή τους τα τελευταία 4 χρόνια και πάνω από όλα, τους γονείς µου, δίχως τη συµπαράσταση και την υποµονή των οποίων η ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής θα ήταν αδύνατη. Τέλος, θερµές ευχαριστίες απευθύνονται σε όλους εκείνους, οι οποίοι άµεσα ή έµµεσα, λιγότερο ή περισσότερο, συνέβαλαν στην ολοκλήρωση αυτής της διατριβής και οι οποίοι δεν συµπεριλήφθησαν παραπάνω.

7 4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η «Παρατήρηση της Γης» (Earth Observation) από το διάστηµα αποτελεί σήµερα κεντρικό άξονα της Ευρωπαϊκής περιβαλλοντικής πολιτικής. Στο πλαίσιο αυτό, το γνωστικό αντικείµενο της Τηλεπισκόπησης και ιδιαίτερα η διαστηµική του έκφανση γνωρίζει ιδιαίτερη ανάπτυξη. Η αλµατώδης πρόοδος της διαστηµικής τεχνολογίας, υπήρξε καθοριστική στην καθιέρωση της Τηλεπισκόπησης στο χώρο των Γεωεπιστηµών. Παράλληλα, νέες τεχνικές και προηγµένες δυνατότητες ψηφιακής επεξεργασίας των τηλεπισκοπικών δεδοµένων, σε συνδυασµό µε πρόσθετα εργαλεία της σηµερινής τεχνολογίας, όπως τα Συστήµατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS) και τα Παγκόσµια ορυφορικά Συστήµατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSS), έχουν θεµελιώσει άνευ προηγουµένου δυνατότητες συλλογής, σύνθεσης, ανάλυσης και αναπαράστασης εξαιρετικά ετερόκλητων δεδοµένων και πληροφοριών, µε εντυπωσιακά αποτελέσµατα στην ψηφιακή αναπαράσταση του γήινου αναγλύφου και τη χαρτογράφηση διαφόρων γεωδυναµικών φαινοµένων στην επιφάνεια της Γης. Το αντικείµενο, το οποίο πραγµατεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι η συµβολή της διαστηµικής/δορυφορικής Τηλεπισκόπησης στις Γεωεπιστή- µες, µε έµφαση: (1) στις δυνατότητες συνέργιας µε τα Συστήµατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS) και τα Παγκόσµια ορυφορικά Συστήµατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSS), (2) στις τοπογραφικές-γεωδαιτικές δυνατότητες της Τηλεπισκόπησης µε την εφαρµογή τεχνολογιών αιχµής όπως η συµβολοµετρία SAR (SAR Interferometry / InSAR) και (3) στην αξιολόγηση των τηλεπισκοπικών τεχνικών και δεδοµένων (εικόνες, ψηφιακά µοντέλα εδάφους, δεδοµένα GPS) στις Γεωεπιστήµες. Το πεδίο εφαρµογής αφορά κυρίως τους κλάδους της Γεωµορφολογίας, Μορφοτεκτονικής και Σεισµοτεκτονικής. Ειδικότερα, σκοπός ήταν η ειδική επεξεργασία και ανάλυση δορυφορικών εικόνων διαφορετικής χωρικής και φασµατικής ανάλυσης (ENVISAT/ASAR, ERS, TerraSAR-X, SPOT-5, LANDSAT) σε συνδυασµό µε τη συλλογή και επεξεργασία άλλων δεδοµένων (π.χ. εκτεταµένων κινηµατικών δεδοµένων GPS), καθώς και η χρήση και αξιολόγηση ψηφιακών µοντέλων εδάφους (Digital Elevation Models/DEMs) από διάφορες πηγές (SRTM, GDEM, InSAR κ.α.), στο χώρο της Κεντρικής Μακεδονίας. Το επίκεντρο του ενδιαφέροντος εντοπίζεται στην ευρύτερη περιοχή της Μυγδονίας Λεκάνης (µορφο-σεισµοτεκτονικού ενδιαφέροντος), στο οικιστικό συγκρότηµα της Θεσσαλονίκης και τέλος στην ευρύτερη περιοχή του Καλοχωρίου, όπου απαντούν φαινόµενα καθίζησης. Τα αποτελέσµατα της διατριβής αφορούν νέα στοιχεία που προέκυψαν για τα φαινόµενα καθίζησης και παραµόρφωσης γύρω από τη Θεσσαλονίκη, την α- ξιολόγηση της ακρίβειας των DEM, τη σεισµοτεκτονική ανάλυση σηµαντικών ρηγµάτων της περιοχής µελέτης, το γεωδυναµικό καθεστώς στην Κεντρική Μακεδονία, όπως αυτό προκύπτει από µετρήσεις GPS, καθώς και τις επιµέρους α- ξιολογήσεις των χρησιµοποιούµενων δεδοµένων και τεχνικών.

8 5 ABSTRACT Earth Observation from space is nowadays an important activity of the European Union within its enviromental policies. In this context, spaceborne Remote Sensing has been attracting an increasing attention among the scientific community. In the last few decades, the rapid evolution of space technology has significantly contributed to the recognition of Remote Sensing as an important tool and source of information for Geoscience applications. At the same time, new techniques and advanced capabilities of digital processing of remote sensing data, along with additional technologies such as Geographical Information Systems (GIS) and Global Navigation Satellite Systems (GNSS), have established unprecedented capabilities of collection, synthesis, analysis and representation of extremely inhomogeneous data and information. Among many other implications, this has lead to impressive results regarding the digital representation of the Earth s relief and the mapping of several geodynamical phenomena. This thesis deals with the contribution of spaceborne Remote Sensing in Geosciences, with emphasis on: (1) the synergy with GIS and GNSS, (2) the topographic-geodetic components of Remote Sensing, with the implementation of SAR Interferometry (InSAR) techniques and (3) the evaluation of Remote Sensing methods and data, such as satellite images, Digital Elevation Models/DEMs and GPS data. The application area primarily concerns the fields of Geomorphology, Morphotectonics and Seismotectonics. In this context, the purpose of the analyses carried out was the processing of satellite data and images of various spatial and spectral resolution (ENVISAT/ASAR, ERS, TerraSAR-X, SPOT-5, LANDSAT) as well as the use and validation of DEMs from various sources (SRTM, GDEM, InSAR etc), in order to study areas in Central Macedonia (Northern Greece). Special attention is given to the broader area of Mygdonia basin (Geomorphology and Morpho-Seismotectonis), the city of Thessaloniki and the broader Kalohori area (subsidence phenomena). The results and conclusions of this study are related to new information about subsidence and deformation phenomena in the study area, the validation of DEMs, the seismotectonic analysis of several important faults, the geodynamics of Central Macedonia as it is drawn from extensive GPS measurements and additional assessment of data and methods implemented.

9 6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ - ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Γεωγραφικά στοιχεία Μετεωρολογικά δεδοµένα - κλίµα Κάλυψη γης - βλάστηση Γεωλογία ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΥΓ ΟΝΙΑΣ ΛΕΚΑΝΗΣ Φυσική Γεωγραφία Γεωµορφολογία Νεοτεκτονική Σεισµικότητα ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΑΛΟΧΩΡΙΟΥ Περιγραφή και γεωµορφολογική εξέλιξη Φαινόµενα καθίζησης ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ Εικόνες ραντάρ (Synthetic Aperture Radar/SAR)... 45

10 Λοιπές πολυφασµατικές εικόνες ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΑ ΚΑΙ ΑΛΛΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΑ ΡΟΗ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ GIS ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ GIS ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΠΙΠΕ ΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Παραγωγή ψηφιακού µοντέλου εδάφους ηµιουργία τριγωνοποιηµένου ακανόνιστου δικτύου Ταξινόµηση αναγλύφου Χάρτης κλίσεων Χάρτης προσανατολισµού κλιτυών Χάρτες σκιασµένου αναγλύφου ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ GIS ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ GNSS/GPS ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΣΥΛΛΟΓΗ ΣΗΜΕΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΟΥ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ Εισαγωγή και σκοπιµότητα... 70

11 Συλλογή των δεδοµένων Επεξεργασία των δεδοµένων ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GPS Εισαγωγή Συλλογή δεδοµένων και αποτελέσµατα ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Ε ΑΦΟΥΣ - ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΠΗΓΕΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ Ε ΑΦΟΥΣ Κλασική Τοπογραφία Ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών Εναέρια φωτογραµµετρία Στερεοσκοπία δορυφορικών οπτικών εικόνων Τεχνικές ραντάρ Συστήµατα λέιζερ ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ SRTM Εισαγωγή ιαθέσιµες εκδόσεις Aξιολόγηση της ακρίβειας DEM ΑΠΟ ΕΙΚΟΝΕΣ SPOT ιαθεσιµότητα και ακρίβεια ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ GDEM ιαθεσιµότητα Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS DEM ΑΠΟ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΧΑΡΤΩΝ Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS

12 IΝSAR DEM ΑΠΟ Ε ΟΜΕΝΑ ERS\TANDEM Εισαγωγή και δεδοµένα Ανάκτηση και εγγραφή εικόνων Επιλογή περιοχής ενδιαφέροντος και DEM αναφοράς Υπολογισµός και φιλτράρισµα συµβολογράµµατος Ξεδίπλωµα της φάσης - παραγωγή του DEM Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS Η ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γεωδαισία Γενικά περί ραντάρ - SAR Βασικές αρχές της συµβολοµετρίας SAR Ιστορία της συµβολοµετρίας SAR Πλεονεκτήµατα της συµβολοµετρίας SAR Τεχνικές δυσκολίες και περιορισµοί ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ SAR Τεχνική των σταθερών σκεδαστών Σειρές δεδοµένων µικρής βάσης ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΕΠΙΛΟΓΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Ε ΟΜΕΝΩΝ Εισαγωγή - Ροή συµβολοµετρικής επεξεργασίας Εγγραφή των εικόνων Υπολογισµός συµβολογραµµάτων Υπολογισµός της συνάφειας της φάσης

13 Παραγωγή διαφορικών συµβολογραµµάτων Το πρόβληµα του «ξεδιπλώµατος» της φάσης ΣΥΜΒΟΛΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ENVISAT/ASAR Παραγωγή των συµβολογραµµάτων Εκτίµηση της συνάφειας της φάσης Φιλτράρισµα και γεωκωδικοποίηση των συµβολογραµµάτων Ερµηνεία των αποτελεσµάτων ΣΥΜΒΟΛΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ERS Παραγωγή των συµβολογραµµάτων Εκτίµησης της συνάφειας της φάσης Φιλτράρισµα, γεωκωδικοποίηση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γραµµώσεις Είδη δορυφορικών εικόνων ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εισαγωγή Ραδιοµετρική διόρθωση εικόνων VIS/IR Μείωση του θορύβου στις εικόνες SAR Γεωµετρική διόρθωση/ορθοαναγωγή ΒΕΛΤΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΕΙΚΟΝΩΝ Ραδιοµετρική ενίσχυση Γραµµική έκταση του ιστογράµµατος Εξισορρόπηση του ιστογράµµατος Προσαρµογή του ιστογράµµατος σε µαθηµατική αναφορά Αντιστροφή της εικόνας

14 11 Ψευδοέγχρωµη απεικόνιση Γεωµετρική ενίσχυση Eνίσχυση των ακµών Οµαλοποίηση (εξοµάλυνση) της εικόνας Μετασχηµατισµοί πολυφασµατικών δεδοµένων Ανάλυση κυρίων συνιστωσών ηµιουργία ψευδοχρωµατικών εικόνων Λόγοι φασµατικών ζωνών και δείκτες βλάστησης Συγχώνευση εικόνων Συνδυασµός εικόνων και DEM - 3D απεικόνιση ΕΙΚΟΝΕΣ SPOT Το πρόγραµµα και οι δορυφόροι SPOT εδοµένα SPOT και επεξεργασία τους ΕΙΚΟΝΕΣ LANDSAT ορυφόροι της σειράς LANDSAT εδοµένα LANDSAT και επεξεργασία τους ΕΙΚΟΝΕΣ SAR ERS-1 & Οι δορυφόροι ERS-1 & ERS εδοµένα ERS και επεξεργασία τους ΕΙΚΟΝΕΣ ENVISAT/ASAR Ο δορυφόρος ENVISAT εδοµένα ENVISAT/ASAR και επεξεργασία τους ΕΙΚΟΝΑ TERRASAR-X Η αποστολή ΤerraSAR-X εδοµένα TerraSAR-X και επεξεργασία τους ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

15 ΕΞΑΓΩΓΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΟΡΦΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟ ΤΑ DEM Εισαγωγή Ταξινόµηση αναγλύφου Υπολογισµός κλίσεων Υπολογισµός του προσανατολισµού των κλιτυών Οριοθέτηση λεκανών απορροής Εξαγωγή και ταξινόµηση υδρογραφικού δικτύου υνατότητες περαιτέρω µορφοτεκτονικής ανάλυσης ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Εισαγωγή Εφαρµογή εµπειρικής σχέσης µήκους ρήγµατος - µεγέθους σεισµού ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΝΕΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Περιοχή Καλοχωρίου Πολεοδοµικό συγκρότηµα της Θεσσαλονίκης Περιοχή Μυγδονίας λεκάνης Άλλες περιοχές εδοµένα GPS Χρήση εικόνας TerraSAR-X Παραγωγή INSAR DΕΜ Σεισµοτεκτονικά αποτελέσµατα ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΩΝ Συµβολή των GIS και GPS Αξιολόγηση - σύγκριση DEM από τις διάφορες πηγές Συµβολή της διαφορικής συµβολοµετρίας SAR Αξιολόγηση πολυφασµατικών δορυφορικών εικόνων

16 Αξιολόγηση δορυφορικών εικόνων SAR Συνολική αξιολόγηση των δορυφορικών εικόνων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ [BIBLIOGRAPHY]

17 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ - ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ Η «Παρατήρηση της Γης» (Earth Observation) από το διάστηµα αποτελεί σήµερα κεντρικό άξονα της Ευρωπαϊκής περιβαλλοντικής πολιτικής και υλοποιείται µέσω του Ευρωπαϊκού Οργανισµού ιαστήµατος/εο (European Space Agency/ESA). Στο πλαίσιο αυτό, το γνωστικό αντικείµενο της Τηλεπισκόπησης και ιδιαίτερα η διαστηµική του έκφανση γνωρίζει ιδιαίτερη ανάπτυξη. Άρρηκτα συνδεδεµένη µε την ανάπτυξη των υπολογιστικών συστηµάτων, της Πληροφορικής και της Τεχνολογίας εν γένει, η Τηλεπισκόπηση ως «η επιστήµη και τεχνική λήψης πληροφοριών για ορισµένο αντικείµενο, περιοχή ή φαινόµενο, µέσω της ανάλυσης δεδοµένων, τα οποία συλλέγονται από απόσταση, δίχως την άµεση επαφή µε το υπό εξέταση στοιχείο» (Lintz & Simonett 1976, Colwell 1984, Holz 1985, Αστάρας 1993, Lillesand & Kiefer, 1994), εξελίσσεται ραγδαία κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Ένας περισσότερο πρόσφατος και κατατοπιστικός ορισµός της Εφαρµοσµένης Τηλεπισκόπησης [url1] αναφέρεται στο «σύνολο των βασισµένων σε ενόργανες παρατηρήσεις τεχνικών, χρησιµοποιούµενες για την πρόσκτηση και µέτρηση χωρικά οργανωµένης (συνήθως γεωγραφικά κατανεµηµένης) πληροφορίας/δεδοµένων για τις ιδιότητες (φασµατικές, χωρικές, φυσικές) ενός συνόλου θεωρούµενων σηµειακών στόχων (εικονοστοιχεία/pixels) εντός µίας απεικόνισης (εικόνας), η οποία αντιστοιχεί σε χαρακτηριστικά, αντικείµενα και υλικά, µε τη χρήση µίας ή περισσότερων συσκευών καταγραφής, που δεν βρίσκονται σε φυσική επαφή µε τα αντικείµενα υπό παρακολούθηση, αλλά σε πεπερασµένη απόσταση από αυτά. Από τις µετρήσεις διαµέσου ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας, πεδίων δυνάµεων ή ηχητικής ενέργεια (κύµατα), προκύπτει συσσωρευµένη πληροφορία για την εκάστοτε απεικόνιση, η οποία συλλέγεται από κάµερες, ραδιόµετρα, σαρωτές, λέιζερ, δέκτες ραδιοκυµάτων, συστήµατα ραντάρ, σόναρ, θερµικές συσκευές, ανιχνευτές ήχου, σεισµογράφους, µαγνητόµετρα, βαρυτή- µετρα και άλλα όργανα». Αν και µακροσκελής, γεγονός που τον καθιστά δύσχρηστο, ο ως άνω ορισµός, κατορθώνει να συνοψίσει σε ικανοποιητικό βαθµό το σύγχρονο αντικείµενο, καταδεικνύοντας παράλληλα την πολυπλοκότητά του. Ως εκ τούτου, η Τηλεπισκόπηση εγκολπώνει στοιχεία βασικών επιστηµών, όπως τα Μαθηµατικά η Φυσική και η Χηµεία, όπου τοποθετούνται και οι φυσικές της βάσεις, ενώ βρίσκει εφαρµογή σε ένα πλήθος εφαρµοσµένων επιστηµών όπως η Γεωλογία, Γεωδαισία, (Ψηφιακή) Χαρτογραφία, Αρχαιολογία και γενικότερα σε όλες τις επιστήµες που µε τον έναν ή άλλο τρόπο σχετίζονται µε την επιφάνεια (κατά περίπτωση και κάτω από αυτήν) της Γης και την ατµόσφαιρα, όπως επίσης και σε επιστήµες Μηχανικών, στην Ιατρική κ.ο.κ. Με αναφορά στις Γεωεπιστήµες ειδικότερα, η Τηλεπισκόπηση παρέχει τη δυνατότητα καλύτερης αντίληψης του δυναµικού περιβάλλοντος τόσο της Γης όσο και άλλων πλανητών, µέσω της µελέτης της βιόσφαιρας (πανίδας, χλωρίδας) και των τεσσάρων αβιοτικών σφαιρών (ατµόσφαιρα, υδρόσφαιρα, κρυόσφαιρα, λιθόσφαιρα), καθώς και των µεταξύ τους αλληλεπιδράσεων (Αστάρας,

18 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ). Η αλµατώδης πρόοδος της δορυφορικής και διαστηµικής τεχνολογίας, ιδιαίτερα στον τοµέα της ψηφιακής λήψης δεδοµένων υπήρξε καθοριστική στην καθιέρωση της Τηλεπισκόπησης στο χώρο των Γεωεπιστηµών. Οι νέες τεχνικές λήψης, έχουν ήδη περιορίσει κατά πολύ και τείνουν να απαρχαιώσουν τη χρήση των συµβατικών αεροφωτογραφιών, µε εξαίρεση τις περιπτώσεις όπου το ιστορικό αρχείο των αεροφωτογραφιών (στην προ δορυφορικών εικόνων εποχή) χρησιµοποιείται για τη διαχρονική µελέτη διαφόρων φαινοµένων. Παράλληλα, νέες τεχνικές Τηλεπισκόπησης και προηγµένες δυνατότητες ψηφιακής επεξεργασίας των δεδοµένων τους, σε συνδυασµό µε πρόσθετα εργαλεία της σηµερινής τεχνολογίας, όπως τα Συστήµατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS) και τα Παγκόσµια ορυφορικά Συστή- µατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSS), έχουν θεµελιώσει άνευ προηγουµένου δυνατότητες συλλογής, σύνθεσης, ανάλυσης και αναπαράστασης εξαιρετικά ετερόκλητων δεδοµένων και πληροφοριών. Συνολικά, η διεπιστηµονικότητα που χαρακτηρίζει το ευρύτερο πεδίο της Τηλεπισκόπησης, τα εντυπωσιακά επιστηµονικά επιτεύγµατα που τη συνοδεύουν, η δυναµική και οι διαφαινόµενες προοπτικές της στην παρατήρηση της Γης, την καθιστούν ένα συναρπαστικό τοµέα έρευνας ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ Ως κλάδος της Γεωλογίας, η Νεοτεκτονική (ή Ενεργός Τεκτονική) µελετά τις «πρόσφατες» γεωλογικές δοµές και διεργασίες, λαµβάνοντας την κύρια ποσότητα πληροφοριών της από γεωλογικά δεδοµένα της πρόσφατης και ενεργού παραµόρφωσης. Ωστόσο, µία σηµαντική ποσότητα πληροφοριών προκύπτει από σεισµολογικές, γεωδαιτικές, ιστορικές, αρχαιολογικές και γεωµορφολογικές προσεγγίσεις. Μεταξύ αυτών, οι γεωµορφολογικές µελέτες και τα αποτελέσµατά τους συνιστούν τα πιο σηµαντικά στοιχεία για τις νεοτεκτονικές έρευνες, επειδή συνδέονται άµεσα µε πρόσφατες και ενεργές δοµές. Έτσι, οι γεωµορφολογικοί δείκτες δίνουν µια πρώτη αντίληψη για την ενεργό τεκτονική της εκάστοτε περιοχής. Η αξιολόγηση του αναγλύφου, των πρανών (κλιτυών) και των αποθέσεων που σχηµατίζονται από ενεργές τεκτονικές διαδικασίες, παρέχουν βασικά δεδοµένα, απαραίτητα για µια καθαρή νεοτεκτονική ανάλυση και επιπλέον, για την αξιολόγηση γεωλογικών καταστροφών και τον υπολογισµό του σεισµικού κινδύνου, ενώ µπορούν να συµβάλλουν και στη µακράς διάρκειας πρόγνωση των σεισµών (Παυλίδης, 2003). Σε αυτά τα πλαίσια, όπως ακριβώς δηλώνει το σύνθετο της ονοµασίας του, ο κλάδος της Μορφοτεκτονικής έρχεται για να αποτελέσει το σύνδεσµο µεταξύ της Γεωµορφολογίας και της Τεκτονικής (Νεοτεκτονικής), προσπαθώντας να α- ναλύσει τις σχέσεις µεταξύ των γεωλογικών δοµών και της επιφάνειας της Γης.

19 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 16 Η µορφοτεκτονική έρευνα των νεοτεκτονικών (ενεργών) ρηγµάτων, εκτός από την υπαίθρια παρατήρηση, συµπληρώνεται και µε Τηλεπισκοπικά δεδοµένα, όπως είναι οι αεροφωτογραφίες και οι δορυφορικές εικόνες, από τα οποία εξάγονται χρήσιµες πληροφορίες για την υπό µελέτη περιοχή. Ιδιαίτερα κατά τις τελευταίες δεκαετίες, µε τις αλµατώδεις προόδους της Τηλεπισκόπησης και της τεχνολογίας γενικότερα, τα πολυπληθή και πολυδιάστατα διαστηµικά/δορυφορικά δεδοµένα (εικόνες, ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου κ.λ.π.) αποκτούν αυξανόµενη χρησιµότητα και ενδιαφέρον για τις µορφοτεκτονικές µελέτες (π.χ. Σουλακέλλης κ.α. 1999, Ganas et al. 2005, Μιχαηλίδου κ.α. 2005, Soulakellis et al. 2006). Η Σεισµοτεκτονική από την άλλη πλευρά, είναι η γέφυρα που ενώνει τη Γεωλογία (ειδικότερα τη Νεοτεκτονική) και τη Σεισµολογία. Σύµφωνα µε τους Lay & Wallace (1995), η Σεισµοτεκτονική ορίζεται ως η σχέση ανάµεσα στην εµφάνιση σεισµικών γεγονότων και τις τεκτονικές διαδικασίες, ενώ ο Scholz (2002) χαρακτηρίζει τους σεισµούς ως σύµπτωµα ή φορέα της ενεργού τεκτονικής. Συνεπώς, στη Σεισµοτεκτονική, µελετάται είτε η τεκτονική των πλακών ως πηγή γένεσης σεισµών ή εξετάζονται τα σεισµικά γεγονότα ως έκφραση της τεκτονικής των πλακών [url14]. Οι σεισµοτεκτονικές έρευνες περιλαµβάνουν κυρίως τη σχέση µεταξύ ρηγ- µάτων και σεισµών, µε το συσχετισµό µεταξύ γεωλογικών και σεισµολογικών δεδοµένων και τη µελέτη των επιφανειακών διαρρήξεων (Παυλίδης, 2003). Α- σχολούνται γενικότερα µε την κατανόηση του µηχανισµού που ελέγχει την επιφανειακή παραµόρφωση και µε τους παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν την εκδήλωση ή µη παραµορφώσεων σε ένα σεισµό. Τα θέµατα αυτά θεωρούνται σηµαντικά, για την εξακρίβωση των ενεργών ρηγµάτων και την εκτίµηση του σεισµικού κινδύνου. Τα στοιχεία, τα οποία χρησιµοποιεί η Σεισµοτεκτονική προέρχονται κυρίως από τη Σεισµολογία, τη Γεωλογία, τη Μηχανική των πετρωµάτων και από τεχνικές µοντελοποίησης [url14]. Ωστόσο, οι συνεχώς εξελισσόµενες τεχνικές της Τηλεπισκόπησης, όπως είναι η δορυφορική συµβολοµετρία SAR (SAR Interferometry/InSAR), µεταξύ άλλων, συµβάλλουν πλέον καθοριστικά στις σεισµοτεκτονικές έρευνες (π.χ. De Michele et al. 2008, Cavalié et al. 2008, Atzori et al. 2009), για την κατανόηση του είδους και µεγέθους των σεισµών, καθώς και της κατανοµής τους στο χώρο και το χρόνο ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Το αντικείµενο, το οποίο πραγµατεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι η συµβολή της διαστηµικής/δορυφορικής Τηλεπισκόπησης στις Γεωεπιστή- µες, µε έµφαση: (1) στις δυνατότητες συνέργιας µε τα Συστήµατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS) και τα Παγκόσµια

20 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 17 ορυφορικά Συστήµατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSS), (2) στις τοπογραφικές-γεωδαιτικές δυνατότητες της Τηλεπισκόπησης µε την εφαρµογή τεχνολογιών αιχµής (InSAR), καθώς και (3) στην αξιολόγηση της συνεισφοράς και της ακρίβειας των τηλεπισκοπικών τεχνικών (InSAR, µέθοδοι ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων) και δεδοµένων (εικόνες, ψηφιακά µοντέλα εδάφους, δεδοµένα GPS) στις Γεωεπιστήµες. Ως εκ τούτου, όσον αφορά στις µεθόδους, τα θέµατα τα οποία προσεγγίζει η διατριβή άπτονται των επιστηµονικών πεδίων της Τηλεπισκόπησης (και εν µέρει, της Φωτογραµµετρίας), της Ψηφιακής Χαρτογραφίας - GIS, της Τοπογραφίας - Γεωδαισίας, καθώς και της Ψηφιακής Επεξεργασίας και Ανάλυσης εδοµένων. Το πεδίο εφαρµογής αποτελούν τα αντικείµενα της Γεωλογίας (υπό την ευρεία έννοια του όρου) και πιο συγκεκριµένα η Γεωµορφολογία, Μορφοτεκτονική και Σεισµοτεκτονική. Σκοπός ήταν η ειδική επεξεργασία και ανάλυση δορυφορικών εικόνων διαφορετικής χωρικής και φασµατικής ανάλυσης (ENVISAT/ASAR, ERS, TerraSAR- X, SPOT-5, LANDSAT) σε συνδυασµό µε τη συλλογή και επεξεργασία άλλων δεδοµένων (π.χ. δεδοµένων GPS), σε συγκεκριµένες θέσεις ιδιαίτερου επιστηµονικού ενδιαφέροντος εντός της περιοχής µελέτης και η σύγκριση µε προηγούµενες µελέτες κλασικών (συµβατικών) και µη µεθόδων, όπου αυτές ή- ταν διαθέσιµες. Επίσης, στρατηγικός στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η χρήση, παραγωγή και αξιολόγηση ψηφιακών µοντέλων εδάφους (Digital Elevation Models/DEMs) από διάφορες πηγές (π.χ. SRTM, ASTER-GDEM, InSAR κ.α.). Εν κατακλείδι, στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρούνται, µε µία διεπιστηµονική προσέγγιση Τηλεπισκόπησης - GPS - GIS, τα εξής: Η ανάδειξη και η µεθοδολογική ανάλυση σύγχρονων τεχνικών και τεχνολογιών αιχµής για την αξιοποίηση των Τηλεπισκοπικών δεδο- µένων στις Γεωεπιστήµες. Η ιδιαίτερη προώθηση των εφαρµογών της δορυφορικής συµβολο- µετρίας SAR, ως τοπογραφικής-γεωδαιτικής µεθόδου, στον ευρύτερο χώρο των Γεωεπιστηµών. Η αξιολόγηση διαστηµικών/δορυφορικών δεδοµένων, όπως είναι τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους (DEM), οι δορυφορικές εικόνες και τα δεδοµένα GNSS, αναφορικά µε τη χρησιµ ότητά τους στις γεωµορφολογικές - γεωλογικές έρευνες. Η ενίσχυση των εφαρµογών συνέργιας της Τηλεπισκόπησης µε τα GPS και GIS, καθώς και πρωτότυπες προσεγγίσεις προς την κατεύθυνση αυτή. Η συµβολή στην εκτίµηση γεωλογικών κινδύνων (καθιζήσεις, σεισµική επικινδυνότητα και σεισµικός κίνδυνος) στην περιοχή µελέτης. Η συνδροµή στην ευρύτερη γεωλογική έρευνα της περιοχής µελέ-

21 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 18 της, µε την παρουσίαση νέων πληροφοριών, βάσει των αποτελεσµάτων της διατριβής. Τα παραπάνω επιχειρούνται µε την εφαρµογή σχετικών µεθόδων έρευνας σε µία περιοχή µε έντονο επιστηµονικό ενδιαφέρον, όπως είναι η περιοχή της Κεντρικής Μακεδονίας, για την οποία γίνεται εκτενέστερη αναφορά στη συνέχεια.

22 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 2.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Το παρόν κεφάλαιο είναι αφιερωµένο στην αναλυτική περιγραφή του περιβάλλοντος της περιοχής µελέτης, ξεκινώντας από βασικά γεωγραφικά στοιχεία, µετεωρολογικά δεδοµένα, κάλυψη γης, βλάστηση και γεωλογία. Στη συνέχεια, παρέχονται πληροφορίες που αφορούν στοιχεία φυσικής γεωγραφίας - γεωµορφολογίας, νεοτεκτονικής και σεισµικότητας, ενώ περιγράφονται αναλυτικά συγκεκριµένες περιοχές ενδιαφέροντος. Έτσι, µε όρους γεωγραφικούς, η παρούσα εργασία επικεντρώνεται σε µία συνεχή και ενιαία περιοχή µελέτης, η οποία γενικά καθορίζεται από τα διαθέσιµα τηλεπισκοπικά δεδοµένα, που χρησιµοποιήθηκαν στα επιµέρους στάδια της διατριβής. Εντούτοις, για την αρτιότερη προσέγγιση του θέµατος, εξετάζονται κυρίως δύο, γειτνιάζουσες µεν, αλλά διακριτές από πλευράς επιστηµονικού ενδιαφέροντος υπό-περιοχές µελέτης, οι οποίες αναπτύσσονται εκατέρωθεν του Πολεοδο- µικού Συγκροτήµατος της Θεσσαλονίκης και στις οποίες επικεντρώνεται το ενδιαφέρον της παρούσας διατριβής. Ως εκ τούτου, αρχικά παρατίθενται ορισµένα γενικότερα δεδοµένα και ακολούθως τα ειδικότερα στοιχεία για τις δύο επιµέρους περιοχές ενδιαφέροντος: (1) την ευρύτερη περιοχή της Μυγδονίας Λεκάνης και (2) το ευρύτερο οικιστικό συγκρότηµα (συµπεριλαµβανοµένων των περιχώρων) της Θεσσαλονίκης και το κεντρικό τµήµα της οµώνυµης πεδιάδας, µε καταρχήν επίκεντρο ενδιαφέροντος τη σηµερινή δυτική προέκταση της πόλης (περιοχή Καλοχωρίου) ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Γεωγραφικά στοιχεία Η περιοχή µελέτης περικλείεται από τις γεωγραφικές συντεταγµένες 22 o o 30 ανατολικού γεωγραφικού µήκους και 40 ο ο 50 βόρειου γεωγραφικού πλάτους. Ως εκ τούτου, εντοπίζεται στην Κεντρική Μακεδονία, ανήκει διοικητικά, στο µεγαλύτερό της τµήµα, στο νοµό Θεσσαλονίκης, ενώ στα περιθώριά της καταλαµβάνει µικρότερα τµήµατα των Νοµών Χαλκιδικής, Σερρών, Κιλκίς, Πέλλας, Ηµαθίας και Πιερίας (Σχήµα 1).

23 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 20 Σχήµα 1. Ευρύτερη περιοχή µελέτης. Το κόκκινο πλαίσιο οριοθετεί την καταρχήν περιοχή ενδιαφέροντος. Περιλαµβάνει το δυτικό και κεντρικό χώρο της Μυγδονίας λεκάνης, δηλαδή τη λίµνη Κορώνεια (ή Λαγκαδά ή Αγ. Βασιλείου) στο σύνολό της και το δυτικό τµήµα της λίµνης Βόλβης, καθώς και την ευρύτερη περιοχή εκατέρωθεν της λεκάνης προς βορρά, όπου υψώνεται το όρος Βερτίσκος (1103m) και προς νότο, όπου δεσπόζει το όρος Χορτιάτης (Κισσός, 1201m). Στο κέντρο της περιοχής µελέτης βρίσκεται το πολεοδοµικό συγκρότηµα της Θεσσαλονίκης, ενώ στα α- νατολικά εκτείνεται η οµώνυµη πεδιάδα, η οποία αποστραγγίζεται από τους ποταµούς Γαλλικό, Αξιό, Λουδία και Αλιάκµονα. Ορισµένοι από τους σηµαντικότερους οικισµούς εντός της περιοχής έρευνας, από πληθυσµιακής ή γενικότερης γεωπεριβαλλοντικής άποψης, είναι οι εξής: Καλοχώρι, Σίνδος, Πανόραµα, Θέρµη, Ασβεστοχώρι, Ωραιόκαστρο, Λαγκαδάς, Ζαγκλιβέρι, Γερακαρού, Στίβος, Άσσηρος, Ασκός, Σοχός (Σχήµα 1) Μετεωρολογικά δεδοµένα - κλίµα Σύµφωνα µε τον Μπαλαφούτη (1977), η κατανοµή της θερµοκρασίας και της βροχόπτωσης κατατάσσουν το κλίµα της ευρύτερης περιοχής µελέτης στον κλιµατικό τύπο Csa κατά Koeppen (Critchfield, 1974), δηλαδή µεσογειακό κλίµα µε ήπιους χειµώνες και ξηρό, θερµό καλοκαίρι. Η µέση µηνιαία θερµοκρασία κατά τον ψυχρότερο µήνα είναι µεγαλύτερη των 0 ο C, ενώ η θερµοκρασία του θερµότερου µήνα είναι πάντα µεγαλύτερη

24 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 21 των 10 ο C. Η βροχόπτωση του ξηρότερου µήνα δεν υπερβαίνει τα 40mm, ενώ ο βροχερότερος µήνας έχει τουλάχιστον τριπλάσια βροχόπτωση από τον ξηρότερο. Αποκλίσεις από τον παραπάνω κλιµατικό τύπο µπορούν να εµφανίζονται σε µεγάλα υψόµετρα (>700m). Οι µέσες τιµές των βασικών κλιµατικών παραµέτρων (θερµοκρασία, βροχόπτωση, υγρασία) για τη Θεσσαλονίκη παρουσιάζονται ενδεικτικά στο Σχήµα 2. Σχήµα 2. Κλιµατολογικά στοιχεία για τη Θεσσαλονίκη από το 1959 έως το (πηγή: Ε.Μ.Υ. [url11] ) Κάλυψη γης - βλάστηση Από µία γενική κατηγοριοποίηση της κάλυψης γης στην περιοχή µελέτης (Υπουργείο Γεωργίας, 1991, 1994) προκύπτει, ότι αποτελείται κυρίως από καλλιεργούµενες εκτάσεις (51%), θαµνώνες (22%), δάση (13%) και βοσκότοπους (7%) (Σχήµα 3).

25 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 22 Σχήµα 3. Γενική κατηγοριοποίηση της κάλυψης γης στην περιοχή µελέτης (Υπουργείο Γεωργίας, 1991, 1994). Μία περισσότερο λεπτοµερής και σχετικά πρόσφατη εικόνα της κάλυψης γης στην ευρύτερη περιοχή µελέτης δίνεται από την τελευταία έκδοση (2000) του προγράµµατος CORINΕ (Σχήµα 4).

26 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 23 Σχήµα 4. Κάλυψη γης στην ευρύτερη περιοχή µελέτης, σύµφωνα µε την έκδοση του προγράµµατος CORINE 2000 [url4]. Η δασοκάλυψη - φυτοκάλυψη στην περιοχή µελέτης, περιλαµβάνει κυρίως δάση αείφυλλων πλατύφυλλων θαµνώνων, φυλλοβόλων θάµνων, πεύκης και δρυός (Υπουργείο Γεωργίας, 1991, 1994) (Σχήµα 5).

27 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 24 Σχήµα 5. ασικός χάρτης της περιοχής µελέτης (Υπουργείο Γεωργίας, 1991, 1994) Γεωλογία Από γεωτεκτονική άποψη, η περιοχή µελέτης τοποθετείται µεταξύ της ελληνικής ενδοχώρας και των εσωτερικών ελληνίδων ζωνών (Σχήµα 6). Ειδικότερα, στην ευρύτερη περιοχή συναντώνται οι εξής τρεις από τις γεωτεκτονικές ζώνες του Ελληνικού χώρου: (1) η Σερβοµακεδονική µάζα στο ανατολικό τµήµα, (2) η Περιροδοπική ζώνη στο κεντρικό - δυτικό τµήµα και (3) η ζώνη Αξιού στο δυτικό τµήµα της περιοχής µελέτης.

28 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 25 Σχήµα 6. Θέση της ευρύτερης περιοχής µελέτης (κόκκινο πλαίσιο) από γεωτεκτονικήγεωλογική σκοπιά (πηγή: ΙΓΜΕ [url3] ). Η Σερβοµακεδονική µάζα (Σχήµα 7), η οποία καθιερώθηκε ως ανεξάρτητη γεωτεκτονική ζώνη από τους Kockel & Walther (1965, 1968) και Mercier (1968), έχει ΒΒ - ΝΝΑ διεύθυνση και εκτείνεται από την περιοχή του Βελιγραδίου έως το Βόρειο Αιγαίο. Η ζώνη αυτή αντιστοιχεί σε µια κρυσταλλική ηπειρωτική µάζα (τµήµα της Λαυρασίας), παλαιοζωικής ή/και προκάµβριας ηλικίας, η οποία συνορεύει ανατολικά µε τη µάζα Ρίλα - Ροδόπης και δυτικά µε την Περιροδοπική ζώνη (Μουντράκης 1985, Σουλακέλλης 1994). Τα δύο αυτά όρια της Σερβοµακεδονικής αποτελούν ίσως τις κύριες γραµ- µές ευαισθησίας του φλοιού στην περιοχή και καθιστούν τη Σερβοµακεδονική την πλέον ενεργή σεισµοτεκτονική ζώνη (Mountrakis et al., 1983). Το (ανατολικό) όριο της Σερβοµακεδονικής µάζας µε τη µάζα της Ρίλα - Ροδόπης, κατά µήκος του ποταµού Στρυµώνα, γνωστό και ως "Γραµµή Στρυµώνα" (Σχήµα 7), όπου η Σερβοµακεδονική µάζα εφιππεύει ή και επωθείται πάνω στη Ροδόπη, µπορεί να παρατηρηθεί µόνο σε λίγες θέσεις, λόγω των νεογενών και τεταρτογενών αποθέσεων που καλύπτουν την περιοχή του ορίου. Το δυτικό όριο της Σερβοµακεδονικής µάζας υπήρξε πάντοτε προβληµατικό. Σύµφωνα µε την επικρατούσα άποψη σήµερα, το όριο αυτό καθορίζεται από τη γραµµή των κρυσταλλοσχιστωδών πετρωµάτων µε τα Περµοτριαδικά µεταϊζή- µατα της Περιροδοπικής. Η επαφή της Σερβοµακεδονικής µάζας µε την Περιροδοπική ζώνη είναι τεκτονική και οφείλεται στις Τριτογενείς φάσεις πτυχώσεων (συµπίεση), κατά τις οποίες προκλήθηκαν συνεχείς λεπιώσεις προς τα δυτικά, µε αποτέλεσµα η Σερβοµακεδονική µάζα να εφιππεύει τα νεώτερα Περµοτριαδικά µεταϊζήµατα της Περιροδοπικής (Μουντράκης, 1985).

29 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 26 Σχήµα 7. Τεκτονικό σκαρίφηµα της Σερβοµακεδονικής µάζας. 1: µεταλπικά ιζήµατα της κοιλάδας του Στρυµώνα, 2: σειρά του Βερτίσκου, 3: σειρά των Κερδυλλίων, 4: µάζα της Ροδόπης, 5: Περιροδοπική ζώνη, 6: ανατολικό όριο της Σερβοµακεδονικής (Γραµµή Στρυµώνα), 7: δυτικό όριο της Σερβοµακεδονικής (Μουντράκης, 1985). Σύµφωνα µε τον Μουντράκη (1985), η Σερβοµακεδονική µάζα διαιρείται σε δύο µεγάλες σειρές πετρωµάτων: α) Την κατώτερη και αρχαιότερη σειρά Κερδυλλίων, η οποία καταλαµβάνει την Ανατολική Χαλκιδική µεταξύ των εκβολών του Στρυµώνα και του Στρατωνίου και δοµείται κυρίως από εναλλαγές µαρµάρων και βιοτιτικών - κεροστιλβικών γνευσίων µε παρεµβολές µαρµαρυγιακών σχιστολίθων και αµφιβολιτών, συνοδευόµενα από φαινόµενα ανάτηξης µε σχηµατισµό µιγµατιτικών πετρωµάτων. β) Την ανώτερη (νεώτερη) σειρά του Βερτίσκου, η οποία βρίσκεται δυτικά της προηγούµενης σειράς, κατέχει τον κορµό της Χαλκιδικής και εκτείνεται µέχρι των συνόρων. Συνίσταται από µία ακολουθία γνευσίων, µαρµαρυγιακών σχιστολίθων και λεπτών στρωµάτων µαρµάρων, ενώ στους ανώτερους ορίζοντες της επικρατούν οι µεταγάββροι - µεταδιαβάσες και οι αµφιβολίτες, που προήλθαν

30 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 27 από µεταµόρφωση βασικών πυριγενών πετρωµάτων. Επίσης, συχνά παρεµβάλλονται, µε τεκτονικές επαφές µέσα στα άλλα πετρώµατα, σερπεντινικά σώµατα. Μεγάλοι όγκοι όξινων πλουτωνικών πετρωµάτων του Μεσοζωικού - Παλαιογενούς, κυρίως γρανιτικής σύστασης, καθώς και πηγµατιτικές φλέβες διακόπτουν τη συνέχεια των µεταµορφωµένων πετρωµάτων του κρυσταλλοσχιστώδους της Σερβοµακεδονικής µάζας. Στην περιοχή του Λαγκαδά, έχει εντοπιστεί µία µικρή εµφάνιση ιζηµάτων µολασσικού τύπου, ηλικίας Ηωκαίνου-Ολιγοκαίνου και συγκεκριµένα πρόκειται για κροκαλοπαγή, µαργαϊκούς ασβεστόλιθους, ψαµµίτες και αργίλλους θαλάσσιας, λιµναίας και χερσαίας φάσης. Η Περιροδοπική ζώνη (Σχήµα 8) καθιερώθηκε από τους Kauffmann et al (1976) και αποτελεί την ανατολικότερη ζώνη των εσωτερικών Ελληνίδων. Εκτείνεται ως ζώνη πλάτους 10-20Km, µε διεύθυνση Β -ΝΑ στην δυτική πλευρά της Σερβοµακεδονικής µάζας. Σχήµα 8. Χάρτης της Περιροδοπικής ζώνης κατά Kockel et al. (1971, 1977) µε τις τρεις ενότητές της και τις σηµαντικότερες οφειολιθικές εµφανίσεις. 1: Ενότητα Ντεβέ Κοράν - ουµπιά, 2: Ενότητα Μελισσοχωρίου - Χολοµώντα, 3: Ενότητα Ά- σπρης Βρύσης - Χορτιάτη, 4: οφειόλιθοι, 5: όριο της ζώνης µε την Σερβοµακεδονική (Μουντράκης, 1985). Αποτελείται από ηµι-µεταµορφωµένα έως µεταµορφωµένα Περµοτριαδικά και Ιουρασικά ιζήµατα, τα οποία παρουσιάζουν µεγάλη ποικιλία και κατατάσσονται από Α προς σε τρεις βασικές ενότητες (Μουντράκης, 1985): 1) Ενότητα Ντεβέ Κοράν- ουµπιά: Περιλαµβάνει στη βάση της ένα σχηµατισµό µετακλαστικών ιζηµάτων του Περµίου (ψαµµίτες - χαλαζίτες, χαλαζιακοί σχιστόλιθοι, µετα-κροκαλοπαγή), που είναι γνωστός µε το τοπικό όνοµα «σχη- µατισµός Εξαµιλίου». Επάνω από το σχηµατισµό Εξαµιλίου βρίσκεται η ηφαι-

31 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 28 στειοϊζηµατογενής σειρά Περµίου - Κάτω Τριαδικού και τέλος τα ανθρακικά - νηριτικά ιζήµατα Μέσου Τριαδικού - Μέσου Ιουρασικού. 2) Ενότητα Μελισσοχωρίου - Χολοµώντα: Έχει τη µεγαλύτερη έκταση από τις τρεις ενότητες της Περιροδοπικής και εκτείνεται σαν λωρίδα πλάτους 5-15Km, µε διεύθυνση Β -ΝΑ, από την περιοχή της λίµνης οϊράνης στα Ελληνογιουγκοσλαβικά σύνορα προς το όρος Χολοµώντα της Χαλκιδικής και τη Σιθωνία. Ο κατώτερος σχηµατισµός περιλαµβάνει Μέσο - Άνω Τριαδικά µάρµαρα και ανακρυσταλλωµένους ασβεστόλιθους και φυλλίτες. Ο ανώτερος σχηµατισµός, ο οποίος αποτελεί και τον σπουδαιότερο σχηµατισµό της Περιροδοπικής ζώνης, καθώς καθορίζει την ιδιαιτερότητα της ζώνης ως αντιπροσωπεύουσα την ηπειρωτική κατωφέρεια και την αύλακα στην περιφέρεια της ηπείρου (Λαυρασίας), είναι ο Κάτω - Μέσο Ιουρασικός φλύσχης, γνωστός και ως "φλύσχης της Σβούλας". 3) Ενότητα 'Ασπρης Βρύσης - Χορτιάτη: Είναι λωρίδα παράλληλα µε την ενότητα Μελισσοχωρίου Χολοµώντα, πλάτους 4-8Km, η οποία αρχίζει βόρεια της Θεσσαλονίκης, διέρχεται από το Χορτιάτη, φτάνει στο νότιο άκρο της Σιθωνίας, όπου κάµπτεται, αποκτώντας ΑΒΑ διεύθυνση και επεκτείνεται µέχρι το ά- κρο του Αγίου Όρους. Τα κατώτερα της τµήµατα περιλαµβάνουν Πέρµιο - Τριαδικά µετακλαστικά και νηριτικά ιζήµατα, ανάλογα µε αυτά της ενότητας Ντεβέ Κοράν - ουµπιά. Τα ανώτερα της τµήµατα αποτελούνται από ιζήµατα βαθιάς θάλασσας (κερατόλιθοι, σχιστόλιθοι, φυλλίτες και µάργες), µέσα στα ο- ποία παρεµβάλλονται συχνά οφειολιθικά σώµατα µε βασικά και υπερβασικά πετρώµατα (γάββροι, διορίτες, σερπεντινίτες, διαβάσες), ενώ και όξινα µεταµορφωµένα πυριγενή πετρώµατα (πράσινοι επιγνεύσιοι Θεσσαλονίκης). Οι τρεις εσωτερικές ζώνες (Σχήµα 9): (1) Παιονίας, (2) Πάικου και (3) Αλ- µωπίας, συνιστούν µαζί την παλαιά ζώνη Αξιού, η οποία αρχικά καθορίστηκε ως µία ενιαία ζώνη και στη συνέχεια διαιρέθηκε στις τρεις παραπάνω ανεξάρτητες ζώνες, µε βάση τα αλπικά ιζήµατα. Σχήµα 9. Γεωτεκτονική τοποθέτηση της ζώνης Αξιού, η οποία διαιρείται, µε βάση τα αλπικά ιζήµατα, σε τρεις υπό-ζώνες: (1) τη ζώνη Παιονίας (Pe), (2) τη ζώνη Πάικου (Pa) και (3) τη ζώνη Αλµωπίας (Al). Rh: Μάζα της Ροδόπης, Sm: Σερβοµακεδονική µάζα, CR: Περιροδοπική ζώνη, Pl: Πελαγονική ζώνη, G: Ζώνη Γαβρόβου-Τριπόλεως (τροποποιηµένο από Μουντράκη, 1985).

32 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 29 Η οριστική αυτή διαίρεση της ζώνης Αξιού έγινε από τον Mercier (1968), ο οποίος, ανάλογα µε τους παλαιογεωγραφικούς χαρακτήρες, έδωσε τις ονοµασίες «Αύλακα Παιονίας», «Ύβωµα Πάικου» και «Αύλακα Αλµωπίας». Το βασικό κριτήριο µε την οποία έγινε η διαίρεση ήταν το ότι στη µεν ζώνη Πάικου παρατηρείται µια παχιά νηριτική ασβεστολιθική σειρά ηλικίας Ιουρασικού, η οποία δείχνει, ότι η περιοχή του Πάικου ήταν υποθαλάσσια ράχη (ύβωµα) µε ρηχή θάλασσα, ενώ στις ζώνες Παιονίας και Αλµωπίας τα αντίστοιχα ιζήµατα Ιουρασικού είναι βαθιάς θάλασσας (αργιλικά και κερατολιθικά). Στο προαλπικό υπόβαθρο της ζώνης Αξιού συναντώνται αρκετές εµφανίσεις µεταµορφωµένων πετρωµάτων (συχνά συµπτυχωµένων µε αλπικά ιζήµατα), κυρίως γνευσίων, µαρµαρυγιακών σχιστολίθων και χαλαζιακών-χλωριτικών σχιστολίθων, µε µικρογρανιτικές και πηγµατιτικές παρεµβολές. Είναι πιθανόν, ότι οι εµφανίσεις των Παλαιοζωικών αυτών µεταµορφωµένων πετρωµάτων έχουν προέλευση τη Σερβοµακεδονική µάζα, από όπου αποσπάστηκαν τεκτονικά κατά τη διάρκεια των πτυχώσεων και συµπτυχώθηκαν µε τα αλπικά ιζήµατα της ζώνης Αξιού (Μουντράκης, 1985). Στη συνέχεια, γίνεται εκτενέστερη αναφορά στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των δύο υπό-περιοχών µελέτης, ήτοι (1) την ευρύτερη περιοχή της Μυγδονίας λεκάνης και (2) την ευρύτερη περιοχή του Καλοχωρίου, τα οποία παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΥΓ ΟΝΙΑΣ ΛΕΚΑΝΗΣ Φυσική Γεωγραφία Γεωµορφολογία Η Μυγδονία λεκάνη (Σχήµα 10) συνιστά ένα εκτεταµένο επίµηκες βύθισµα, το οποίο αποτελεί τµήµα ενός ευρύτερου βυθίσµατος (Προµυγδονιακού), που περιλαµβάνει επίσης και τις γειτονικές λεκάνες του Ζαγκλιβερίου και της Μαραθούσας. Το εν λόγω βύθισµα διαχωρίζει τη χερσόνησο της Χαλκιδικής από τον κεντρικό κορµό της Μακεδονίας και αποτελείται από δύο τµήµατα: (1) την υπολεκάνη Βόλβης στα ανατολικά και (2) την υπολεκάνη Λαγκαδά στα δυτικά. Το όριο µεταξύ αυτών των δύο υπολεκανών δεν είναι σαφές. Σε γενικές γραµµές ορίζεται από τον άξονα Στίβου-Σχολαρίου, στην κεντρική περιοχή της Μυγδονίας, από ένα σύστηµα ράχεων, λοφίσκων και αναβαθµίδων, διαµέσου των οποίων διέρχεται ο ποταµός ερβένι (Ψιλοβίκος, 1977).

33 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 30 Σχήµα 10. Η ευρύτερη περιοχή µελέτης, όπως απεικονίζεται σε ψευδοχρωµατική απεικόνιση πολυφασµατικής εικόνας Landsat-7/ETM+ (R, G, B = 3, 2, 1). Η διακεκοµµένη γραµµή οριοθετεί τη Μυγδονία Λεκάνη σύµφωνα µε τον Ψιλοβίκο (1977). Το ανάγλυφο της περιοχής µπορεί να διαχωριστεί σε τέσσερα τµήµατα (Σουλακέλλης, 1994): Α) Στο ορεινό Β-Β άκρο, στο οποίο υψώνεται το όρος Βερτίσκος (1103m). Β) Στο γενικότερο βόρειο τµήµα, το οποίο µπορεί να χαρακτηριστεί ως λοφώδες - ηµιορεινό, µε υψόµετρα έως 600m. Στο ανατολικό µέρος αυτού και συγκεκριµένα βόρεια από το δυτικό τµήµα των ορέων της Βόλβης αναπτύσσεται µια οµαλή επιφάνεια, η επιφάνεια επιπέδωσης του Ασκού. Η επιφάνεια αυτή βρίσκεται µεταξύ των ισοϋψών των 400m και των 600m, παρουσιάζοντας µια µικρή κλίση από ΒΑ προς Ν. Γ) Στο κεντρικό τµήµα, το οποίο µπορεί να χαρακτηριστεί ως πεδινό και περιλαµβάνει την υπολεκάνη Λαγκαδά και το δυτικό τµήµα της υπολεκάνης της Βόλβης. ) Στο νότιο τµήµα, το οποίο χαρακτηρίζεται ως ορεινό και καταλαµβάνεται από τον όγκο του Χορτιάτη (Κισσός 1201m). Εξαίρεση στην κατανοµή αυτή του ανάγλυφου αποτελούν η λεκάνη του Ζαγκλιβερίου στα ανατολικά και το βόρειο τµήµα της λεκάνης του Ανθεµούντα στα νότια, που αναπτύσσονται σε χαµηλότερα υψόµετρα. Οι κύριοι κλάδοι του υδρογραφικού δικτύου στο βόρειο τµήµα της περιοχής παρουσιάζουν νότια έως νοτιοδυτική διεύθυνση απορροής, ενώ αντίθετα στο νότιο τµήµα παρουσιάζουν Β έως ΒΑ διεύθυνση (Λαµπρινός 1989, Σουλακέλλης 1994).

34 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Νεοτεκτονική Η Λεκάνη της Μυγδονίας αποτελεί τυπικό και αντιπροσωπευτικό παράδειγµα εφελκυστικής νεοτεκτονικής στον ελληνικό χώρο. Το τεκτονικό βύθισµα της Μυγδονίας βρίσκεται στα όρια της Σερβοµακεδονικής µάζας µε την Περιροδοπική ζώνη και ανήκει στις µικρότερες λεκάνεςτάφρους του βορειοελλαδικού χώρου, που αναπτύχθηκαν σε µία διεύθυνση Β - ΝΑ έως Α- κυρίως στο Τεταρτογενές, µία διεύθυνση που µαρτυρεί την επικράτηση ενός εφελκυστικού πεδίου µε διεύθυνση ΒΒΑ-ΝΝ. Τα περιθωριακά ρήγ- µατα του τεκτονικού βυθίσµατος, τα οποία οριοθετούν τη λεκάνη, θεωρούνται σεισµικά ενεργά. Η Μυγδονία λεκάνη αποτελεί µία ιδιαίτερα πολύπλοκη περιοχή όσον αφορά την τεκτονική της δοµή και τη συµπεριφορά των ρηγµάτων αυτών στο πρόσφατο γεωλογικό παρελθόν. Η ιζηµατογένεση κατά τη διάρκεια του Πλειόκαινου σε αυτές τις λεκάνες προκάλεσε την απόθεση των ιζηµάτων της Προµυγδονιακής οµάδας (Σχήµα 11). Σχήµα 11. Νεογενείς - Τεταρτογενείς αποθέσεις της Μυγδονίας λεκάνης (Koufos et al., 1995, τροποποιηµένο). Κατά την εφελκυστική φάση του κατώτερου Πλειστόκαινου δηµιουργήθηκαν νέα κανονικά ρήγµατα διαφόρων παρατάξεων, τα οποία διαµόρφωσαν καινούργιες υπολεκάνες µέσα στις ήδη προϋπάρχουσες (λεκάνες Μυγδονίας,

35 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 32 Μαραθούσας, Ζαγκλιβερίου και Βρωµολιµνών). Η αντίστοιχη ιζηµατογένεση σ' αυτές τις λεκάνες δηµιούργησε το Μυγδονιακό σύστηµα (Παυλίδης, 2003). Αναλυτικότερα, η ενεργός τεκτονική κατάσταση της περιοχής, κατά τη διάρκεια όλου του Τεταρτογενούς, µε εφελκυστικές τάσεις σε διεύθυνση Β-Ν (Papazachos et al. 1979, Paquin et al. 1981, Mercier et al. 1983), προκάλεσε ρήγµατα γενικής διεύθυνσης Α-, καθώς και επαναδραστηριοποίηση των παλαιότερων Β -ΝΑ διεύθυνσης ρηγµάτων. Αποτέλεσµα της δράσης των Α- αυτών ρηγµάτων από το Τεταρτογενές µέχρι σήµερα ήταν η δηµιουργία αλλεπάλληλων, παράλληλων τεκτονικών βυθισµάτων κατά µήκος της Σερβοµακεδονικής στην διεύθυνση Α-, από τα ελληνοβουλγαρικά σύνορα µέχρι το Αιγαίο (Mountrakis et al. 1983, Psilovikos & Sotiriadis 1983). Ωστόσο, σύµφωνα µε τους Papazachos et al. (1979), εκτός από τις δύο παραπάνω διευθύνσεις ρηγµάτων, παρατηρούνται στην περιοχή και ρήγµατα άλλων διευθύνσεων, όπως π. χ. Β-Ν ή ΒΑ-Ν, τα οποία εµφανίζονται να βρίσκονται σε ενεργό κατάσταση µέχρι σήµερα, προκαλώντας σεισµούς και δίνοντας έτσι στην Σερβοµακεδονική ζώνη το χαρακτήρα της πιο σεισµικά ενεργής περιοχής του Βορειοελλαδικού χώρου (Σουλακέλλης, 1994). Σύµφωνα µε τον Παυλίδη (2003), η τεκτονική εξέλιξη της ευρύτερης περιοχής της Μυγδονίας µπορεί να διαχωριστεί σε τρεις περιόδους: Μέσο(;) - Άνω Μειόκαινο: Κατά την περίοδο αυτή ο χώρος της Λεκάνης της Μυγδονίας δε δεχόταν την επίδραση του ρήγµατος της Βόρειας Ανατολίας. Για την περίοδο αυτή έχει διαπιστωθεί ότι ο µέσος εφελκυσµός είχε διεύθυνση Β - ΑΝΑ, ενώ τα ΒΑ - Ν διεύθυνσης ρήγµατα στην περιοχή ήταν κυρίως κανονικά µε µικρή αριστερόστροφη συνιστώσα. Πλειόκαινο - Κατώτερο Πλειστόκαινο: Η επίδραση του ρήγµατος της Βόρειας Ανατολίας, το οποίο άρχισε να επηρεάζει την περιοχή, διαµόρφωσε τον εφελκυστικό άξονα σε µία ΒΑ - Ν διεύθυνση. Αυτό είχε ως αποτέλεσµα τη δη- µιουργία κανονικών ρηγµάτων Β - ΝΑ παράταξης, καθώς και την επαναδραστηριοποίηση παλαιοτέρων. Μέσο Πλειστόκαινο - Σήµερα: Το ενεργό τεκτονικό πεδίο στην ευρύτερη περιοχή µελέτης είναι Β - Ν µε µικρές αποκλίσεις από ΒΒΑ - ΝΝ έως ΒΒ -ΝΝΑ. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία κανονικών ρηγµάτων Α - παράταξης, τα οποία είναι κυρίως ενεργά σήµερα. Ενεργά είναι επίσης και ρήγµατα άλλων παρατάξεων, τα οποία, ευρισκόµενα υπό την επήρεια του πεδίου αυτού, παρουσιάζουν συνιστώσα οριζόντιας µετατόπισης. Το εφελκυστικό αυτό πεδίο στην περιοχή της λεκάνης της Μυγδονίας επιβεβαιώθηκε και κατά τη διάρκεια του σεισµού του 1978, όπου στις επιφανειακές διαρρήξεις το διάνυσµα ολίσθησης (slip vector) έδειξε διεύθυνση εφελκυσµού Β - Ν. Ο ρυθµός ολίσθησης που υπολογίστηκε από παλαιοσεισµολογικά δεδοµένα ποικίλλει σηµαντικά σε διάφορες θέσεις της λεκάνης. Αυτό οφείλεται στο χαρακτήρα της λεκάνης, η οποία είναι πολυ-ρηγµατωµένου (multi-fractured) τύπου, όπως έχει δείξει η γεωλογική παρατήρηση. Για την εκτίµηση του σεισµικού κίνδυνου στην περιοχή, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ο µεγαλύτερος ρυθµός ολί-

36 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 33 σθησης των ρηγµάτων, ο οποίος κυµαίνεται από 0,3 µέχρι 0,6mm/yr (Παυλίδης, 2003). Μετά από τον σεισµό του 1978, οι εργασίες των Papazachos et al. (1979), Carver and Bollinger (1981), Soufleris et al. 1982, Mountrakis et al. (1983), Mercier et al. (1983), Pavlides (1993) και άλλων, συνδυάζοντας σεισµολογικά δεδοµένα και δεδοµένα υπαίθρου, προσέφεραν σηµαντικές πληροφορίες, σχετικά µε την γεωµετρία των ρηγµάτων και την κινηµατική τους (Σουλακέλλης, 1994). Στην ευρύτερη περιοχή µελέτης, αναγνωρίζεται πληθώρα ρηγµάτων, τα οποία, σύµφωνα µε τα πλέον πρόσφατα δεδοµένα, θεωρούνται ενεργά (Σχήµα 12). Σχήµα 12. Ενεργά ρήµατα στην ευρύτερη περιοχή µελέτης (Παυλίδης, 2008). Tα κυριότερα ρήγµατα της ευρύτερης περιοχής της Μυγδονίας, τα οποία απασχολούν την παρούσα διατριβή είναι τα εξής (Σχήµα 13):

37 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 34 Σχήµα 13. Κυριότερα ρήγµατα της ευρύτερης περιοχής της Μυγδονίας, τα οποία απασχολούν την παρούσα διατριβή. A-P: Ρήγµα Ασβεστοχωρίου-Πολίχνης, L-AgV: Ρήγµα Λαγυνών-Αγίου Βασιλείου, P-P: Ρήγµα Πυλαίας-Πανοράµατος, A: Ρήγµα Ανθεµούντα, As: Ρήγµα Ασσήρου, An-Sc: Ρήγµα Ανάληψης-Σχολαρίου, G-N-S- P: Ρήγµα Γερακαρούς -Νικοµηδινού - Στίβου - Περιστερώνα, S: Ρήγµα Σοχού, V-NA: Ρήγµα Βόλβης-Νέας Απολωνίας (Tranos et al. 2003, Ζερβοπούλου & Παυλίδης 2005, Vamvakaris et al. 2006). α) Σεισµικό ρήγµα Γερακαρούς - Νικοµιδηνού - Στίβου - Περιστερώνα (G-N- S-P). Το ρήγµα αυτό µε διεύθυνση Α- είναι το σηµαντικότερο ρήγµα της περιοχής και συνδέεται άµεσα κυρίως µε τον µεγάλο σεισµό της Θεσσαλονίκης (20 Ιουνίου 1978, M=6,5). Επιφανειακά εµφανίζεται µε µεγάλη κλίση προς τον Βορρά και εντοπίζεται σαν το µορφολογικό όριο µεταξύ του υποβάθρου και των ι- ζηµάτων της Μυγδονίας λεκάνης (νεογενή και τεταρτογενή), µε µορφή αναβαθµίδων που αναπτύσσονται κατά θέσεις στα νέα ιζήµατα. Παρουσιάζεται µε δύο παράλληλους ή υπο-παράλληλους κλάδους, οι οποίοι δηµιουργούν εντυπωσιακά τεκτονικά πρανή, τόσο στο υπόβαθρο όσο και στα ιζήµατα Πλειοκαίνου - Πλειστοκαίνου. Τα ίχνη αυτά στα πρανή είναι ιδιαίτερα ορατά σε αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες (Σουλακέλλης 1994). β) Ενεργό ρήγµα Λαγυνών-Αγίου Βασιλείου (L-AgV). Το ρήγµα αυτό µε διεύθυνση Α-, αν και αποτελεί τη συνέχεια της προηγούµενης ρηξιγενούς γραµ- µής του βυθίσµατος της Μυγδονίας λεκάνης προς τα δυτικά, εντούτοις δεν υπάρχουν στοιχεία για συγκεκριµένη σεισµική δράση. Εντοπίζεται σαν το µορφολογικό όριο µεταξύ του υποβάθρου και των ιζηµάτων της Μυγδονίας λεκάνης (Νεογενή και Τεταρτογενή ιζήµατα) και διαπιστώνεται σε ορισµένες θέσεις από την παρουσία τεκτονικών αναβαθµίδων. Είναι και αυτό εξίσου ορατό σε αερο-

38 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 35 φωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες (Σουλακέλλης 1994). γ) Σεισµικό ρήγµα Βόλβης-Νέας Απολωνίας (V-NA). Αυτό αποτελεί κλάδο του συστήµατος των σεισµικών ρηγµάτων που έδωσαν επιφανειακά ίχνη διαρρήξεων, διεύθυνσης 115 και κλίσης στην επιφάνεια 73 προς ΒΒΑ, κατά το σεισµό της 20 ης Ιουνίου 1978 (M w =6,5). εν έχει έντονη επιφανειακή εκδήλωση, αφού αναπτύσσεται µέσα στα τεταρτογενή ιζήµατα. δ) Σεισµικό ρήγµα Ανάληψης-Σχολαρίου (An-Sc). Αυτό παρουσιάζεται στο ύπαιθρο ως γεωµορφολογική αναβαθµίδα κατά µήκος της λεκάνης Λαγκαδά και πρόκειται για ρήγµα πλάγιο-κανονικό, γενικής διεύθυνσης Β -ΝΑ, µε µετάπτωση προς τα Ν και σηµαντική αριστερόστροφη συνιστώσα. ε) Ενεργό ρήγµα Ασσήρου (As). Το ρήγµα αυτό οριοθετεί το βύθισµα του Λαγκαδά στο ΒΑ του τµήµα (Β -ΝΑ διεύθυνση) και αποτελεί ουσιαστικά την προς τα Β συνέχεια του σεισµικού ρήγµατος Σχολαρίου-Ανάληψης. Στο ύπαιθρο η ρηξιγενής του επιφάνεια µπορεί να παρατηρηθεί µόνο σε ορισµένες θέσεις, καθώς εξαιτίας της διάβρωσης αναπτύσσεται οµαλό µορφοανάγλυφο (πρανή µε µικρή σχετικά κλίση). Για το λόγο αυτό δεν είναι ιδιαίτερα ορατό στις αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες (Σουλακέλλης 1994). στ) Ενεργό ρήγµα Ασβεστοχωρίου-Πολίχνης (A-P). Το ρήγµα αυτό είναι εµφανές κυρίως από τη µορφολογία του, καθώς τοποθετείται κατά µήκος της κοιλάδας του Ασβεστοχωρίου µε διεύθυνση ΒΑ-ΝΑ (120 ). ζ) Ρήγµα Πυλαίας - Πανοράµατος (P-P). Βρίσκεται ανατολικά της πόλης της Θεσσαλονίκης (απέχει περίπου 6Κm από το κέντρο της), είναι κανονικό µε διεύθυνση Α- και κλίση προς Βορρά. Εκτείνεται ανατολικά του Πανοράµατος µέχρι και τον ήµο της Πυλαίας, πιθανά προεκτείνεται και µέσα στην πόλη (Tranos et al. 2003, Ζερβοπούλου & Παυλίδης 2005). η) Ρήγµα Σοχού (S). Εντοπίζεται βόρεια του οµώνυµου οικισµού, έχει διεύθυνση Α- ( 90 ) και κλίση 60 προς Νότο. θ) Ρήγµα Ανθεµούντα (A). Βρίσκεται Ν-ΝΑ της Θεσσαλονίκης σε απόσταση 14Κm, έχει γενική διεύθυνση Α- και συνολικό µήκος 32Κm περίπου (Μουντράκης κ.α. 1996, Goldsworthy et al. 2002, Ζερβοπούλου & Παυλίδης 2005) Σεισµικότητα Όπως έχει προαναφερθεί, ένα µεγάλο µέρος της περιοχής µελέτης ανήκει στην Σερβοµακεδονική µάζα, η οποία χαρακτηρίζεται ως η πιο σεισµικά ενεργή περιοχή του Βορειοελλαδικού χώρου. Οκτώ ισχυροί σεισµοί (M 6.5) έλαβαν χώρα στη Σερβοµακεδονική µάζα κατά τον 20 ο αιώνα, οι ισχυρότεροι εκ των οποίων στην Κρέσνα (Ν Βουλγαρία, Μ=7.6, 1904) και το Άγιο Όρος (M=7.4, 1906). Ως εκ τούτου, η ευρύτερη µελετούµενη περιοχή χαρακτηρίζεται από υ- ψηλή σεισµικότητα (Σχήµα 14).

39 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 36 Σχήµα 14. Χάρτης σεισµικότητας της ευρύτερης περιοχής µελέτης (έως τις 30/09/2007). Απεικονίζονται τα επίκεντρα 326 σεισµών µε Μέγεθος Σεισµικής Ροπής (Μ) τουλάχιστον 4,5 και εστιακό βάθος έως 250Km (πηγή: Σεισµολογικός Σταθµός Α.Π.Θ. [url10] ). Σηµαντικό τµήµα της σεισµικής δραστηριότητας της περιοχής συγκεντρώνεται µέσα και γύρω από τη Μυγδονία λεκάνη. Σε ιστορικά αρχεία (Παπαζάχος & Παπαζάχου, 2002) σώζονται πληροφορίες για επτά ισχυρούς (6.0 M 7.0) σεισµούς (Πίνακας 1), οι οποίοι έπληξαν την πόλη της Θεσσαλονίκης και το πιθανότερο επίκεντρό τους εντοπίζεται στο γεωγραφικό χώρο της λεκάνης της Μυγδονίας (Παυλίδης 2003, Vamvakaris et al. 2006). Πίνακας 1. Συνοπτικά χαρακτηριστικά των σηµαντικότερων ιστορικών σεισµικών γεγονότων µε επίκεντρο στην λεκάνη της Μυγδονίας ή την ευρύτερη περιοχή (Papazachos et al. 2000, Παπαζάχος & Παπαζάχου 2002, Papazachos et al. 2009). ΕΤΟΣ (µ.χ.) ΤΟΠΩΝΥΜΙΟ φ λ Μ ΕΝΤΑΣΗ (ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ) 620 Παγγαίο o N o E 6.8 VII 677 Βόλβη o N o E 6.4 VII 700 Στίβος o N o E 6.5 VII 1430 Στίβος o N o E 6.0 VI 1677 Ανθεµούντας o N o E 6.2 VIII 1759 Ανθεµούντας o N o E 6.5 IX 1902 Άσσηρος o N o E 6.5 IX 1932 Ιερισσός o N o E 7.0 Χ 1932 Σοχός o N o E Στίβος o N o E 6.5 VIII+ Κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα, δύο καταστροφικοί σεισµοι έπληξαν την ευρύτερη της Θεσσαλονίκης, αυτός της Ασσήρου (5/7/1902, M W =6.5) και του Στίβου (20/6/1978, M W =6.5). Ο πιο πρόσφατος ισχυρός σεισµός του Στίβου

40 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 37 προκάλεσε σηµαντικές καταστροφές στη Θεσσαλονίκη και τους γύρω Νοµούς. Το σύνολο της σεισµικής ακολουθίας του 1978 αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό γεγονός και µάλιστα όχι µόνο για την εν λόγω περιοχή, καθώς θεωρείται αφετηρία για µια διαφορετική και σύγχρονη προσέγγιση του σεισµικού φαινοµένου από γεωλογική (νεοτεκτονική, παλαιοσεισµολογική) και σεισµοτεκτονική πλευρά (Παυλίδης, 2003). Έκτοτε, η ευρύτερη περιοχή της Μυγδονίας βρίσκεται υπό εντατική και συνεχή παρακολούθηση και µελέτη, από την σκοπιά της Σεισµολογίας - Γεωφυσικής (π.χ. Θανάσουλας, 1983), της Γεωλογίας (π.χ. Tranos et al., 2003), της Παλαιοσεισµολογίας (π.χ. Chatzipetros et al., 2005), της Νεοτεκτονικής (π.χ. Mountrakis et al., 1983), της Σεισµοτεκτονικής (π.χ. Vamvakaris et al., 2006), της Μορφοτεκτονικής (π.χ. Ζερβοπούλου & Παυλίδης, 2005), της Στρωµατογραφίας (π.χ. Koufos et al., 1995), της Τηλεπισκόπησης (π.χ. Astaras & Soulakellis 1990, Σουλακέλλης, 1994), της Γεωδαισίας (π.χ. Martinod et al., 1997), αλλά και πολλών άλλων κλάδων των Γεωεπιστηµών ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΚΑΛΟΧΩΡΙΟΥ Περιγραφή και γεωµορφολογική εξέλιξη Η εξέλιξη της περιοχής του Καλοχωρίου συνδέεται άµεσα µε την εξέλιξη της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης - Γιαννιτσών, η οποία καταλαµβάνει µία έκταση περίπου 2000Km 2 στην Κεντρική Μακεδονία (Σχήµα 15) και αποτελεί ουσιαστικά ένα εκτεταµένο δέλτα, ηλικίας 2500 ετών. Η αλλουβιακή αυτή πεδιάδα της Θεσσαλονίκης βρίσκεται ανατολικά της οµώνυµης πόλης και αποτελεί τη µεγαλύτερη πεδιάδα χαµηλού υψοµέτρου στη Β. Ελλάδα, µε το υψόµετρο να φτάνει σήµερα, σε ορισµένες περιπτώσεις, έως και λίγα µέτρα κάτω από το επίπεδο της θάλασσας (κοντά στην περιοχή του Καλοχωρίου). Προς Βορρά περιβάλλεται από τους ορεινούς όγκους του Πάικου (1650m) και της δεύτερης ψηλότερης κορυφής της οροσειράς του όρους Βόρα (Τζένα, 2182m), δυτικά από το Βέρµιο (2052m) και τα Πιέρια (2190m), προς Νότο και ύση οριοθετείται από χαµηλούς λόφους (προεκτάσεις Πιερίων και Χορτιάτη αντίστοιχα), ενώ κατά τη διεύθυνση Α-ΝΑ συναντά τον Θερµαϊκό Κόλπο. Η αποστράγγιση της πεδιάδας πραγµατοποιείται κυρίως διαµέσου των ποταµών Αξιού (Βαρδάρη) και Αλιάκµονα, οι οποίοι σχηµατίζουν χαρακτηριστικά δέλτα και δευτερευόντως από τους µικρότερους ποταµούς Γαλλικό («Εχέδωρο» στην αρχαιότητα) και Λουδία. Η γεωλογία της περιοχής (Σχήµα 15) περιλαµβάνει Μεσοζωικούς ασβεστόλιθους, µάρµαρα, σχιστόλιθους, γρανίτες και υπερβασικά πετρώµατα στους ο- ρεινούς όγκους, Νεογενή-Πλειστοκαινικά ιζήµατα στους λόφους και Ολοκαινικές αλλουβιακές αποθέσεις στις πεδιάδες και κοιλάδες (Astaras & Sotiriadis, 1988).

41 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 38 Σχήµα 15. Γεωλογικό υπόβαθρο της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης και θέση της ακτογραµ- µής σύµφωνα µε την ανασύσταση της παλαιογεωγραφίας από σύγχρονους συγγραφείς (Ghilardi et al., 2008).

42 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 39 Ένας πρώτος λεπτοµερής γεωµορφολογικός χάρτης (Σχήµα 16) για το κεντρικό τµήµα της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης δόθηκε πρόσφατα από τους Ghilardi et al. (2008). Σχήµα 16. Γεωµορφολογικό υπόβαθρο της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης (Ghilardi et al., 2008). Κατά τη διάρκεια του κατώτερου Νεογενούς, η ευρύτερη περιοχή της ση- µερινής πεδιάδας της Θεσσαλονίκης σχηµάτιζε µαζί µε τον Θερµαϊκό Κόλπο το επίµηκες τεκτονικό βύθισµα (graben) Αξιού Θερµαϊκού (Συρίδης 1990, Dinter & Royden 1993). Το βύθισµα αυτό πληρώθηκε σταδιακά κυρίως µε κλαστικά (κροκαλοπαγή, άµµοι, άργιλοι) και τοπικά µε ασβεστιτικά (ασβεστόλιθοι, µάρ-

43 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 40 γες) ιζήµατα, τα οποία αποτέθηκαν σε διαδοχικά σύνθετα αποθετικά παλαιοπεριβάλλοντα, κατά τη διάρκεια του Μειοκαίνου, Πλειοκαίνου και Πλειστοκαίνου. Το συνολικό πάχος των ιζηµάτων αυτών ξεπερνούσε τα 2Km στο κέντρο του Θερµαϊκού Κόλπου. Μία έντονη τεκτονική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια του ανώτερου Πλειστοκαίνου επηρέασε ισχυρά το βύθισµα Αξιού Θερµαϊκού, το οποίο βαθµιαία εξελίχθηκε στη σηµερινή του µορφή (Συρίδης, 1990). Η Πέλλα, την εποχή του Μ. Αλεξάνδρου ( 500 π.χ.) ήταν παράκτια πόλη, καθώς ο Θερµαϊκός Κόλπος εκτεινόταν ως εκεί (Σχήµα 15). Οι τέσσερις όµως ποταµοί (Γαλλικός, Αξιός, Λουδίας και Αλιάκµονας), µε τα υλικά που µετέφεραν στις εκβολές τους, σε συνδυασµό µε την ηπειρωτική ανύψωση του Ολοκαίνου, προκάλεσαν τη σταδιακή απόσυρση της θάλασσας και τη µετατόπιση της ακτογραµµής προς τα ΝΑ κατά περίπου 50Κm (Σχήµα 15), κλείνοντας τον κόλπο και σχηµατίζοντας τη λίµνη των Γιαννιτσών (Σχήµα 17), η οποία αποστραγγίζονταν µέχρι τη δεκαετία του 1930 από τον ποταµό Λουδία. Σχήµα 17. Απόσπασµα από χάρτη αρχικής κλίµακας 1: της Γ.Υ.Σ. (φύλλο: Έ ΕΣΣΑ (ΒΟ ΕΝΑ)) του 1927, όπου φαίνεται η λίµνη των Γιαννιτσών πριν την οριστική της αποξήρανση (1933). Επίσης, απεικονίζεται τµήµα του Αξιού ποταµού, πριν την τεχνητή εκτροπή της κοίτης του για την αποφυγή απόφραξης του λιµανιού της Θεσσαλονίκης. Το 1933 έλαβε χώρα η οριστική αποξήρανση της λίµνης των Γιαννιτσών και η µετατροπή του Λουδία σε τεχνητό κανάλι. Επίσης, έγινε εκτροπή της κοίτης

44 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 41 του Αξιού προς τα δυτικά, για την αποφυγή απόφραξης του λιµανιού της Θεσσαλονίκης, από τα φερτά υλικά του ποταµού (Astaras & Sotiriadis 1988, Poulos et al. 1994, Ghilardi et al. 2008) Φαινόµενα καθίζησης Οι πρώτες ενδείξεις καθίζησης στην περιοχή του Καλοχωρίου παρατηρήθηκαν το 1965, µε τη µορφή της προοδευτικής εισχώρησης της θάλασσας στη ξηρά. Το 1969, κατά τη διάρκεια έντονων βροχοπτώσεων, το νερό της θάλασσας έφτασε έως τα πρώτα σπίτια στα νότια του οικισµού. Οι δύο πρώτες προσπάθειες κατασκευής αναχωµάτων κατά µήκος της α- κτογραµµής απέτυχαν, καθώς τα αναχώµατα κατέρρευσαν το 1973 και 1979 αντίστοιχα, πληµµυρίζοντας εκ νέου τόσο τον οικισµό όσο και τις γύρω περιοχές. Τελικά, το 1980, ένα νέο µεγαλύτερο ανάχωµα κατασκευάστηκε, παρέχοντας αυξηµένη προστασία στον οικισµό του Καλοχωρίου (Σχήµα 18), αν και επιµέρους καταστροφές και επεκτάσεις του αναχώµατος δεν αποφεύχθηκαν (Loupasakis & Rozos, 2009). Σχήµα 18. Απεικόνιση στο Google Earth, της περιοχής του Καλοχωρίου και των αναχω- µάτων που κατασκευάστηκαν για την προστασία από τις πληµµύρες, εξαιτίας της συνεχούς καθίζησης στην οποία υπόκειται η περιοχή.

45 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 42 Το τεχνητό αυτό φράγµα συνδυάζεται µε τη λειτουργία εκτεταµένου επιφανειακού υδρογραφικού δικτύου και αρκετούς σταθµούς άντλησης υδάτων για την προστασία της περιοχής από πληµµυρικά επεισόδια (Loupasakis & Rozos, 2009). Παρόλα αυτά, ορισµένες περιοχές που κατακλύστηκαν από ύδατα δεν ανακτήθηκαν ποτέ (Σχήµα 19). Σχήµα 19. Σύγχρονη άποψη της περιοχής Ν του Καλοχωρίου. Οι στύλοι του παλαιού ηλεκτρικού δικτύου της δεκαετίας του 1970 είναι σήµερα µερικώς βυθισµένοι κάτω από την επιφάνεια των υδάτων. Η πλειοψηφία των ερευνητών υποδεικνύει την υποχώρηση των υδροφόρων οριζόντων εξαιτίας της υπεράντλησης, ως το κύριο αίτιο των φαινοµένων καθίζησης (π.χ. Hadzinakos et al. 1990, Andronopoulos et al. 1991, Rozos & Hadzinakos 1993). Ωστόσο, κάποιοι συγγραφείς προτείνουν και άλλες ερµηνείες (Loupasakis & Rozos, 2009), όπως: (1) τη συµπαγοποίηση των υπο-επιφανειακών ιζηµάτων, την οξείδωση των εδαφών τύρφης στην ακόρεστη ζώνη (vadose zone), τη συνιζηµατογενή παρα- µόρφωση του δέλτα και την υπο-επιφανειακή αστάθεια του µετώπου λάσπης του δέλτα, εξαιτίας της συµπαγοποίησης σχετικά βαθέων στρωµάτων (Stiros, 2001), (2) την παράκτια διάβρωση και την άνοδο της θαλάσσιας στάθµης (Doukakis, 2005), (3) τη συνδυασµένη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών παραγόντων (Psimoulis et al., 2007) και (4) τη συµπαγοποίηση χαλαρών αποθέσεων ιλύος αργίλου, από φαινόµενα ροής άµµου κοντά στην ακτογραµµή (Dimopoulos, 2005).

46 2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ 43 Από τη σύγκριση ιστορικών δεδοµένων χωροστάθµησης και δεδοµένων GPS προκύπτει ότι τµήµατα της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης, κυρίως κοντά στα σηµερινά δέλτα των ποταµών, έχουν υποστεί καθίζηση έως και 4m (Σχήµα 20), τα τελευταία 50 περίπου έτη (Stiros 2001, Psimoulis et al. 2007). Σχήµα 20. Μεταβολές υψοµέτρων της περιόδου υπό τη µορφή ισοϋψών κα- µπυλών, µε βάση ιστορικά δεδοµένα χωροστάθµησης και δεδοµένα GPS. Η ι- σοϋψής των 3m στην περιοχή Σίνδου-Καλοχωρίου έχει τοποθετηθεί κατά Stiros (2001). Τα κόκκινα τρίγωνα αντιπροσωπεύουν τα τριγωνοµετρικά ση- µεία στα οποία έγιναν παρατηρήσεις, ενώ το πράσινο τρίγωνο αποτελεί το θεωρούµενο σταθερό σηµείο αναφοράς (Psimoulis et al., 2007). Τα αποτελέσµατα άλλων ερευνών (Πίνακας 2) συµφωνούν σε γενικές γραµµές µε τα παραπάνω στοιχεία, δίνοντας ρυθµούς καθίζησης από 2,8cm/yr έως 13cm/yr, ενώ σύµφωνα µε τις ίδιες µελέτες, η καθίζηση συνεχίζεται µε ρυθµούς της τάξης των 5cm/yr (Loupasakis & Rozos, 2009). Πίνακας 2. Ρυθµοί καθίζησης στην ευρύτερη περιοχή του Καλοχωρίου, σύµφωνα µε διάφορους ερευνητές. Περίοδος Ρυθµός καθίζησης Βιβλιογραφικές αναφορές 9/1992-7/1995 3cm/yr - 13cm/yr Badelas et al., ,8cm/yr - 5cm/yr Doukas et al., 2004b 9/ /2000 4cm/yr - 5cm/yr Raucoules et al., 2008

47 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 3.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται όλα τα δεδοµένα, τα οποία χρησιµοποιήθηκαν για τις ανάγκες εκπόνησης της διατριβής. Αρχικά παρουσιάζονται οι διαθέσιµες δορυφορικές εικόνες ραντάρ (SAR) και οι λοιπές πολυφασµατικές δορυφορικές εικόνες, και ακολούθως απαριθµούνται τα χαρτογραφικά και άλλα επιπλέον δεδοµένα (λ.χ. µετεωρολογικά, υψοµετρικά κ.λ.π.) που χρησιµοποιήθηκαν. Στη συνέχεια αναφέρονται τα λογισµικά που απαιτήθηκαν για την επεξεργασία και ανάλυση των δεδοµένων και τέλος περιγράφεται η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε, βάσει ενός διαγράµµατος ροής εργασιών, το οποίο υιοθετήθηκε ΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΙΚΟΝΕΣ Για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής χρησιµοποιήθηκε πλήθος δορυφορικών εικόνων (Σχήµα 21), τόσο πολυφασµατικών όσο και εικόνων ραντάρ (SAR), µε διαφορετική χωρική, φασµατική, ραδιοµετρική και (δια)χρονική ανάλυση. Σχήµα 21. Συγκριτική παρουσίαση της χωρικής ανάλυσης και χωρικής κάλυψης των διαθέσιµων Τηλεπισκοπικών εικόνων.

48 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Εικόνες ραντάρ (Synthetic Aperture Radar/SAR) Όσον αφορά στις εικόνες SAR, αποκτήθηκαν µέσω του Ευρωπαϊκού Οργανισµού ιαστήµατος (ΕΟ /ESA, category-1 project ID: 4482) (Σχήµα 22): 19 εικόνες ENVISAT/ASAR κατερχόµενης τροχιάς (track 279), κατακόρυφης πόλωσης (VV), της περιόδου και 54 εικόνες SAR κατερχόµενης τροχιάς (track 7) και 4 εικόνες SAR ανερχόµενης τροχιάς (track 372) των δορυφόρων ERS-1 & 2, κατακόρυφης πόλωσης (VV), της περιόδου , µεταξύ των οποίων επτά ζεύγη εικόνων της περιόδου «tandem», κατά την οποία οι δορυφόροι ERS-1 & 2 λάµβαναν δεδοµένα της ίδιας περιοχής µε διαφορά 24 ωρών. Σχήµα 22. Περιοχή κάλυψης των εικόνων ENVISAT/ASAR (track279) και ERS (track7 & track 372). Επίσης, στα πλαίσια της προώθησης των προϊόντων της εταιρίας Infoterra [url13], [url26] GmbH και µετά την υποβολή κατάλληλης πρότασης, χορηγήθηκε δωρεάν (προς αξιολόγηση), µία εικόνα TerraSAR-X ανερχόµενης τροχιάς, χωρικής ανάλυσης 3m (stripmap mode) και οριζόντιας (ΗΗ) πόλωσης, µε επίκεντρο το χώρο της Μυγδονίας (Σχήµα 23). Η ηµεροµηνία λήψης της εν λόγω εικόνας είναι

49 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 46 Σχήµα 23. Περιοχή κάλυψης της εικόνας TerraSAR-X. Το ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εικόνα TerraSAR-X, έγκειται στο ότι πρόκειται για την πρώτη µελέτη µε εικόνα SAR υψηλής ανάλυσης (3m) της περιοχής και µάλιστα µε χρήση της ζώνης Χ (µήκους κύµατος: 2,4cm - 3,7cm) Λοιπές πολυφασµατικές εικόνες Αναφορικά µε τις άλλες πολυφασµατικές εικόνες, χρησιµοποιήθηκαν: 5 Εικόνες SPOT-5/HRVIR και HRG (Πίνακας 3 και Σχήµα 24), χωρικής ανάλυσης 10m και 5m στο πολυφασµατικό και παγχρωµατικό αντίστοιχα, οι οποίες αποκτήθηκαν µέσω του προγράµµατος OASIS [url7] (Optimizing Access to Spot Infrastructure for Science), ένα Ευρωπαϊκό πρόγραµµα διαχειριζόµενο από τη Γαλλική ιαστηµική Υπηρεσία (Centre National d Etudes Spatiales/CNES) και χρηµατοδοτούµενο από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Εικόνες LANDSAT-5/TM και LANDSAT-7/ΕTM +, µέγιστης χωρικής ανάλυσης 15m, οι οποίες καλύπτουν το σύνολο της ευρύτερης περιοχής µελέτης. Εικόνες του Google Earth, υψηλής και πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης (όπου ήταν διαθέσιµες)

50 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 47 Πίνακας 3. Βασικά χαρακτηριστικά των διαθέσιµων εικόνων SPOT-5 (HRG: High Resolution Geometric, HRVIR: High Resolution Visible and Infrared, pan: panchromatic). Τύπος Ηµεροµηνία λήψης Χωρική Ανάλυση Γωνία Πρόσπτωσης (incidence angle) Επίπεδο επεξεργασίας HRG/pan 3 Αυγούστου m -15,81 o (R) 1B HRG/pan 29 Αυγούστου m -15,62 o (R) 1B HRG/pan 25 Οκτωβρίου m -9,24 o (R) 1B HRG/pan 9 Νοεµβρίου m +9,50 o (L) 1B ΗRVIR/m 9 Νοεµβρίου m +9,50 o (L) 1B Σχήµα 24. Χωρική κάλυψη των εικόνων SPOT ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΑ ΚΑΙ ΑΛΛΑ Ε ΟΜΕΝΑ Στα πλαίσια της διατριβής χρησιµοποιήθηκαν επίσης: Τοπογραφικοί χάρτες κλίµακας 1: της Γ.Υ.Σ. (φύλλα: Λαχανάς (1972), Σοχός (1969), Θέρµη (1970), Ζαγκλιβέριον (1970), Θεσσαλονίκη (1982), Πλατύ (1982)). Γεωλογικοί χάρτες κλίµακας 1: του Ι.Γ.Μ.Ε (φύλλα: Λαχανάς (1979), Σοχός (1979), Θέρµη (1978), Ζαγκλιβέριον (1978), Θεσσαλονίκη (1978), Πλατύ (1978)). Νεοτεκτονικός Χάρτης της Ελλάδας κλίµακας 1: (Φύλλα: Θεσσαλονίκη, Λαγκαδάς), του Ο.Α.Σ.Π (1996).

51 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 48 Τοπογραφικός χάρτης του 1927, κλίµακας 1: , της Γ.Υ.Σ. (φύλλο: Έδεσσα (Βοδενά)). ασικοί χάρτες του Υπουργείου Γεωργίας κλίµακας 1: (φύλλα: Θεσσαλονίκη (1994), Χαλκιδική-Άγιο Όρος (1991)). εδοµένα κάλυψης γης του προγράµµατος Corine Land Cover 2000 (CLC2000) [url4]. Μετεωρολογικά δεδοµένα από σταθµούς του Νοµού Θεσσαλονίκης, τα οποία παραχωρήθηκαν από τη ΕΚΕ ( ιεύθυνση Έλεγχου Κατασκευής Έργων) Θεσσαλονίκης. Tοπογραφικά δεδοµένα SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), µεγέθους ψηφίδας 3arcsec (περίπου 90m x 70m, για το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής µελέτης), τα οποία διατίθενται δωρεάν µέσω του διαδικτύου. Tοπογραφικά δεδοµένα ASTER-GDEM [url30] (ASTER Global Digital Elevation Model) µεγέθους ψηφίδας 1arcsec (περίπου 30m x 23m, για το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής µελέτης), τα οποία διατίθενται δωρεάν µέσω του διαδικτύου. Ψηφιακό µοντέλο αναγλύφου 20mx20m, το οποίο δηµιουργήθηκε από τον Μουρατίδη (2010), µε τη χρήση στερεοσκοπικού ζεύγους εικόνων SPOT-5/HRG. ιεθνής και Ελληνική βιβλιογραφία στα επιστηµονικά πεδία που σχετίζονται µε τη διατριβή ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Περαιτέρω εξοπλισµός που απαιτήθηκε ήταν: Προσωπικοί Η/Υ και φορητοί Η/Υ µε λειτουργικά συστήµατα Linux και Windows, µε ελάχιστες προδιαγραφές επεξεργαστή στα 3,0 GHz, τουλάχιστον 100GB αποθηκευτικού χώρου και 2GΒ µνήµης RAM. Συσκευές GPS χειρός Garmin και Μagellan, ακρίβειας έως λίγων µέτρων, για πλοήγηση στο ύπαιθρο. έκτης GPS χειρός, τύπου GMS-2, µονής συχνότητας (L 1 ), συµβατός µε τα δορυφορικά συστήµατα GPS και GLONASS, της εταιρίας Topcon, τυπικής οριζοντιογραφικής ακρίβειας καλύτερης του 1m σε πραγµατικό χρόνο. ύο υψηλής ακρίβειας γεωδαιτικά GPS (GB-1000) διπλής συχνότητας (L 1, L 2 ) και δύο κεραίες GPS (PG-A1) της εταιρίας Topcon, µε τα παρελκόµενά τους (καλώδια, φορτιστές, κ.λ.π.), ακρίβειας χιλιοστού. Σύστηµα 2 γεωδαιτικών δεκτών GPS διπλής συχνότητας (L 1, L 2 ), της σειράς Hiper pro της Topcon, µε δυνατότητα ασύρµατης σύνδεσης µεταξύ τους, ακρίβειας χιλιοστού. Συνοδευτικός τοπογραφικός εξοπλισµός (τρίποδας, τρικόχλιο, βάση

52 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 49 στήριξης GPS για όχηµα, κ.λ.π). Επιβατικό Ι.Χ. όχηµα για την εκτέλεση των εργασιών υπαίθρου ΛΟΓΙΣΜΙΚΑ Για τους σκοπούς της παρούσας διατριβής χρησιµοποιήθηκαν τα εξής Συστηµάτα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS): ArcGIS (έκδοση ArcInfo), µε τα υπό-προγράµµατά του (ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox) και τις επιµέρους λειτουργίες και επεκτάσεις (extensions) τους, όπως Spatial Analyst και 3D Analyst. MapInfo. Για την συµβολοµετρική επεξεργασία των εικόνων SAR, χρησιµοποιήθηκαν: Το λογισµικό ανοικτού κώδικα ROI_PAC (Repeat Orbit Interferometry Package) v. 3.0, του Caltech/JPL (Jet Propulsion Laboratory). Η εφαρµογή IMAGINE InSAR της οµάδας υπό-προγραµµάτων IMAGINE Radar Mapping Suite του Erdas Imagine. Για την ανάκτηση, διαχείριση και επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων χρησιµοποιήθηκαν τα λογισµικά: ENVI. Erdas Imagine. Leica Photo-grammetry Suite (LPS ). BEAM (Basic ENVISAT Toolbox for (A)ATSR and MERIS) (λογισµικό ESA). NEST (Next ESA SAR Toolbox) (λογισµικό ESA). Η επέκταση SARscape, του ENVI (σε συνεργασία µε ESA/ESRIN). EOLI-SA (Earth Observation Link Stand Alone) (λογισµικό ESA). DESCW (Display Earth remote sensing Swath Coverage for windows) (λογισµικό ESA) Η επεξεργασία και διαχείριση των δεδοµένων GPS βασίστηκε στα λογισµικά: Ashtech Precise Navigation (PNAV ) και Topcon Tools Επίσης, χρησιµοποιήθηκαν: Εφαρµογές του Microsoft Office (Access, Word, Excel, Powerpoint) Λογισµικό ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας Adobe Photoshop Πλήθος µικρότερων εφαρµογών και εργαλείων, τα οποία αναπτύ-

53 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 50 χθηκαν ή ανακτήθηκαν, σύµφωνα µε τις ανάγκες που προέκυψαν κατά την πορεία της εργασίας 3.6. ΡΟΗ ΕΡΓΑΣΙΩΝ Σε κάθε ερευνητικό έργο είναι σηµαντικό να συγκεντρώνεται όλη η διαθέσιµη πληροφορία για την περιοχή µελέτης, από όπου και να προέρχεται αυτή και έπειτα, µετά την αξιολόγηση της ακρίβειάς της (χωρικής, χρονικής ή άλλης) και της αξιοπιστίας της (το πόσο η πληροφορία αντικατοπτρίζει τελικά την πραγµατικότητα), να γίνονται οι δέουσες επιλογές. Η προσέγγιση µε τη χρήση µεθόδων και δεδοµένων Τηλεπισκόπησης προϋποθέτει ιδιαίτερα σωστό σχεδιασµό από τον ερευνητή, καθώς πολύ εύκολα µπορεί να υποπέσει σε λανθασµένες επιλογές. Γενικά, συνιστάται να συγκεντρώνεται αρχικά όλη η διαθέσιµη πληροφορία από τηλεπισκοπικά δεδοµένα, τα οποία είτε άµεσα διαθέσιµα στον χρήστη από το περιβάλλον εργασίας του (Πανεπιστήµιο, Εργαστήριο, Ερευνητικό Κέντρο, κ.λ.π) ή διατίθενται δωρεάν, συνήθως µέσω διαδικτύου, από αναγνωρισµένες πηγές (και πάλι απαιτείται προσοχή). Η συγκέντρωση όλης της διαθέσιµης πληροφορίας είναι σηµαντική, καθώς, ακόµα και αν οι στόχοι του εκάστοτε έργου αποσαφηνιστούν πλήρως εξαρχής, το πιθανότερο είναι, ότι µόνο στην πορεία της εργασίας θα καταστεί 100% σαφές, το ποια δεδοµένα είναι τελικά χρήσιµα και ποια όχι. Ακολούθως, προσδιορίζονται οι ανάγκες και οι δυνατότητες απόκτησης επιπλέον τηλεπισκοπικών δεδοµένων µε συγκεκριµένες προδιαγραφές (ηµεροµηνία και ώρα λήψης, χωρική - φασµατική ραδιοµετρική - (δια)χρονική διακριτική ικανότητα, κόστος, κ.α.). Μία καλή σύνοψη της ροής εργασιών και των θεωρήσεων που οφείλει να διενεργήσει ένας Γεωλόγος, αλλά και ένας Γεωεπιστήµονας γενικότερα, ο οποίος εφαρµόζει τεχνικές Τηλεπισκόπησης, δίνεται από τον Prost (2001). Εν προκειµένω, ακολουθήθηκαν δύο αρχικά ανεξάρτητες ροές εργασιών (πράσινες και κόκκινες γραµµές αντίστοιχα, στο Σχήµα 25), οι οποίες αλληλεπιδρούν στην πορεία της εργασίας και τελικά συγκλίνουν, ώστε να εξαχθούν τα τελικά συµπεράσµατα.

54 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 51 Σχήµα 25. ιάγραµµα ροής εργασιών (επεξήγηση στο κείµενο). Πιο αναλυτικά, όπως παρουσιάζονται στο Σχήµα 25, οι «πράσινες» διαδικασίες αφορούν στην αξιοποίηση των πολυφασµατικών εικόνων (SPOT, LANDSAT) και των εικόνων ραντάρ (SAR) (ENVISAT, ERS, TerraSAR-X), µετά από κατάλληλη ψηφιακή επεξεργασία, για την εξαγωγή συµπερασµάτων στην περιοχή µελέτης (κυρίως στην ευρύτερη περιοχή της Μυγδονίας) και τη σύγκριση µε προηγούµενες έρευνες (a-priori δεδοµένα).

55 3. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 52 Από την άλλη, οι «κόκκινες» διαδικασίες σχετίζονται κυρίως µε την αξιοποίηση της πληροφορίας της φάσης των δεδοµένων ραντάρ για την εφαρµογή της µεθόδου συµβολοµετρίας SAR (InSAR), την παραγωγή, χρήση και αξιολόγηση ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου (DEMs) και τη διενέργεια µετρήσεων GPS. Ο βασικός σκοπός της «κόκκινης» ροής εργασιών είναι η αναζήτηση και µελέτη παραµορφώσεων και καθιζήσεων στην περιοχή ενδιαφέροντος, οι διάφορες χωρικές αναλύσεις σε περιβάλλον GIS και η µελέτη της Γεωδυναµικής εξέλιξης της ευρύτερης περιοχής. Εκτός από τις διακριτές αυτές διαδικασίες, υφίστανται και αµφίδροµες αλληλεπιδράσεις µεταξύ των «πράσινων» και «κόκκινων» διεργασιών. Έτσι λ.χ., τα DEM χρησιµοποιούνται για την ορθοαναγωγή των δορυφορικών εικόνων, κατά τη ψηφιακή τους εργασία, ενώ οι επεξεργασµένες δορυφορικές εικόνες γίνονται δεδοµένα εισαγωγής στο GIS. Τέλος, τα συµπεράσµατα που εξάγονται αφορούν τόσο το σύνολο των δεδοµένων, όσο και επιµέρους διαδικασίες, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Με γνώµονα το ως άνω διάγραµµα ροής, βασικό προκαταρτικό βήµα στην παρούσα εργασία, ήταν η οργάνωση και επεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων στο GIS, µέσω διαδικασιών, οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στο ακόλουθο κεφάλαιο.

56 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ GIS 4.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται µία σύντοµη εισαγωγή στα Συστήµατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems / G.I.S.) και περιγράφονται τα δεδοµένα που ψηφιοποιήθηκαν (δηµιουργία επιπέδων πληροφοριών και βάσης δεδοµένων). Στη συνέχεια λαµβάνουν χώρα διάφορες χωρικές αναλύσεις για την παραγωγή δευτερογενών ψηφιακών χαρτογραφικών προϊόντων (DEM, TIN, χάρτες κλίσεων κ.α.), τα οποία αξιοποιούνται σε επόµενα στάδια της διατριβής ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ GIS Σύµφωνα µε τους Παρασχάκη κ.α. (1990), µε τον όρο Ψηφιακή Χαρτογραφία (Digital Cartography) ή Χαρτογραφία µέσω Η/Υ, εννοούµε το αυτοδύναµο εκείνο κοµµάτι της Χαρτογραφίας, το οποίο συλλέγει, επεξεργάζεται και αποδίδει τα χαρτογραφηµένα δεδοµένα, χρησιµοποιώντας ως εργαλεία τους Η/Υ και τις ειδικές περιφερειακές συσκευές τους. Όλα αυτά γίνονται σε συνδυασµό µε τις δυνατότητες που παρέχονται από διάφορα λογισµικά (όπως λογισµικά γραφικών, βάσεων δεδοµένων κ.λ.π.). Έτσι λοιπόν η Ψηφιακή Χαρτογραφία, η οποία αποτελεί στην ουσία τη σύγχρονη έκφραση της Χαρτογραφίας, τείνει στο εγγύς µέλλον να αντικαταστήσει σχεδόν ολοκληρωτικά τις παραδοσιακές χαρτογραφικές µεθόδους, στις διάφορες χαρτογραφικές διαδικασίες (Αστάρας κ.α., 2007). Ήδη από τα τέλη του περασµένου αιώνα, οι Robinson et al. (1995) αναφέρονται χαρακτηριστικά σε µία άνευ προηγουµένου «επανάσταση» στο χώρο της Χαρτογραφίας, µε την εκτεταµένη χρήση Η/Υ και σχετικής ψηφιακής τεχνολογίας. Ως πλέον αντιπροσωπευτικό εργαλείο Ψηφιακής Χαρτογραφίας, τα Συστή- µατα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems / G.I.S.), αποτελούν «δυναµικά εργαλεία» συλλογής, αποθήκευσης, διαχείρισης, ανάκτησης, µετασχηµατισµού και απεικόνισης χωρικών δεδοµένων, σχετικών µε φαινόµενα που απαντούν και εξελίσσονται στον πραγµατικό κόσµο (Goodchild 1985, Burrough 1992, Burrough & McDonnell 2000, Harmon & Anderson 2003, Αστάρας κ.α. 2007). Σύµφωνα µε τους προαναφερόµενους συγγραφείς, ένα GIS αποτελείται α- πό: Το υπολογιστικό σύστηµα και τα περιφερειακά του (hardware). Το λογισµικό (software) που θα καταστήσει ικανό το υπολογιστικό σύστηµα να επεξεργαστεί το σύνολο των δεδοµένων. Τα δεδοµένα (data) που θα εισαχθούν στο GIS, για να υποστηρίξουν την εκάστοτε εφαρµογή. Το ανθρώπινο δυναµικό, το οποίο θα διαχειριστεί το σύστηµα.

57 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 54 Η λειτουργία των GIS στηρίζεται στη σύνδεση µιας βάσης δεδοµένων (database), η οποία περιέχει περιγραφικά (µη χωρικά) δεδοµένα, µε διάφορα επίπεδα (layers) χωρικών πληροφοριών (Σχήµα 26), τα οποία διαθέτουν κάποιου είδους γεωγραφική αναφορά. Σχήµα 26. Ο συνδυασµός διαφορετικών επιπέδων (layers) χωρικών πληροφοριών, τα οποία υπερτίθενται το ένα πάνω στο άλλο, σύµφωνα µε τη γεωγραφική τους αναφορά και συνοδεύονται από µία βάση δεδοµένων, συνθέτουν τη βασική δοµή ενός GIS. Τόσο τα χωρικά (λ.χ. θέσεις σηµείων δειγµατοληψίας, υδρογραφικό δίκτυο, γεωλογία κ.α.) όσο και τα αντίστοιχα µη χωρικά (λ.χ. κωδικός και στοιχεία δειγ- µατοληψίας, ταξινόµηση υδρογραφικού δικτύου, είδος πετρώµατος) δεδοµένα δύνανται να είναι εξαιρετικά ετερογενή (λ.χ. τοπογραφικά, γεωλογικά, εδαφολογικά, σεισµολογικά κ.α.), σε σηµείο που η µεταξύ τους σύνδεση θα ήταν πρακτικά αδύνατη ή εξαιρετικά πολύπλοκη, δίχως την ύπαρξη ενός GIS. Ο αντικειµενικός σκοπός της συλλογής και διαχείρισης των δεδοµένων σε ένα GIS είναι η συσχέτισή τους και η λήψη αποφάσεων. Έτσι, τα GIS δεν αποτελούν πλέον απλά µια τεχνολογία παραγωγής ψηφιακών προϊόντων (χάρτες, πίνακες κ.λ.π.). Αντίθετα, παρέχουν δυνατότητες για την κάλυψη οργανωτικών και διαχειριστικών αναγκών, τη δηµιουργία µοντέλων και την πρόβλεψη φαινο- µένων και καταστάσεων. Από τα παραπάνω, φαίνεται, ότι η Ψηφιακή Χαρτογραφία µαζί µε τα χαρτογραφικά προγράµµατα που χρησιµοποιεί, αποτελεί στην ουσία υποσύνολο ενός GIS. Σήµερα, η τεχνολογία GIS γίνεται ολοένα και πιο προσιτή στο ευρύ κοινό, περισσότερο ευκολόχρηστη και αξιόπιστη (Harmon & Anderson, 2003), ενώ σε πολλές περιπτώσεις, τόσο το λογισµικό GIS (π.χ. GRASS GIS [url19], DIVA-GIS [url20] ), όσο και ψηφιακές βάσεις δεδοµένων, διατίθενται δωρεάν µέσω του διαδικτύου.

58 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΠΙΠΕ ΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΒΑΣΗΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, η συγκέντρωση, οργάνωση και επεξεργασία της πληροφορίας µε γεωγραφική αναφορά είχε τρεις κυρίως στόχους: (1) τη συλλογή όλης της διαθέσιµης πληροφορίας σε µία ολοκληρωµένη βάση δεδοµένων άµεσης προσπέλασης και διαχείρισης, (2) την παραγωγή ενδιάµεσων προϊόντων (π.χ. χάρτες σκιασµένου αναγλύφου, χάρτες κλίσεων κ.λ.π.) απαραίτητων σε διάφορα στάδια ψηφιακής επεξεργασίας των δεδοµένων της διατριβής και (3) την παραγωγή ψηφιακών χαρτογραφικών προϊόντων µε τα αποτελέσµατα της µελέτης. Το πρώτο βήµα προς αυτήν την κατεύθυνση ήταν η δηµιουργία των απαραίτητων επιπέδων πληροφοριών και των αντίστοιχων βάσεων δεδοµένων. Για τις ανάγκες της διατριβής και µε τη χρήση του λογισµικού ArcGIS, δηµιουργήθηκαν από τους τοπογραφικούς χάρτες της Γ.Υ.Σ., κλίµακας 1:50.000, τα εξής επίπεδα πληροφοριών: Ισοϋψείς καµπύλες (ισοδιάσταση 20m) Υδρογραφικό δίκτυο Τριγωνοµετρικά σηµεία Οικισµοί Επίσης, ψηφιοποιήθηκαν/ανακτήθηκαν: Γεωλογικοί σχηµατισµοί, από τους Γεωλογικούς χάρτες του Ι.Γ.Μ.Ε., κλίµακας 1: Νεοτεκτονικά ρήγµατα, σύµφωνα µε τον αντίστοιχο χάρτη 1: (Μουντράκης κ.α., 1996) Ενεργά ρήγµατα, σύµφωνα µε νεώτερες πηγές εδοµένα σεισµικότητας του Σεισµολογικού Σταθµού του Α.Π.Θ. [url10] εδοµένα βλάστησης και κάλυψης γης, από τους δασικούς χάρτες, κλί- µακας 1: του Υπουργείου Γεωργίας εδοµένα κάλυψης γης του προγράµµατος CORINE 2000 [url4] Λίµνες και ποταµοί Οδικό και σιδηροδροµικό δίκτυο Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας (Όρια Νοµών και ΟΤΑ) Η δηµιουργία των παραπάνω επιπέδων συνοδεύτηκε από την καταχώρηση των αντίστοιχων περιγραφικών στοιχείων κάθε επιπέδου, στη βάση δεδοµένων. Τονίζεται, ότι στην πορεία της εργασίας ψηφιοποιήθηκαν διάφορα επιπλέον επίπεδα µε πληροφορίες, οι οποίες είτε αποτελούσαν δεδοµένα προηγούµενων ερευνητών ή προέκυψαν από την επεξεργασία των δεδοµένων της διατριβής (µετρήσεις GPS, ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου, δορυφορικές εικόνες). Το σύνολο αυτό των επιπέδων πληροφοριών συνδυάστηκαν κατάλληλα µεταξύ τους, προκειµένου να αναλυθούν, να αξιολογηθούν και να προκύψουν τα τελικά συ-

59 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 56 µπεράσµατα ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας Λεκάνης, καθώς και επιµέρους θέσεις ενδιαφέροντος στην ευρύτερη περιοχή µελέτης, χρησιµοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των δορυφορικών και διαστηµικών υψοµετρικών δεδοµένων (DEM), αλλά και των παραγώγων τους ( 9.1). Στα πλαίσια αυτά, χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα από τους ψηφιοποιηµένους τοπογραφικούς χάρτες 1:50.000, έλαβαν χώρα ορισµένες βασικές χωρικές αναλύσεις σε περιβάλλον GIS, οι οποίες αναφέρονται σε θεµελιώδη γεωµορφολογικά χαρακτηριστικά του κεντρικού τµήµατος της Μυγδονίας Λεκάνης. Οι αναλύσεις αυτές αφορούν στη παραγωγή ψηφιακών αναπαραστάσεων του αναγλύφου, την ταξινόµησή του, τον προσδιορισµό των κλίσεων και του προσανατολισµού των κλιτυών, καθώς και η δηµιουργία χαρτών σκιασµένου αναγλύφου. Αντίστοιχες, αλλά και περαιτέρω αναλύσεις, έλαβαν χώρα για το σύνολο της περιοχής µελέτης ή για επιµέρους τµήµατά της, χρησιµοποιώντας τα διάφορα διαθέσιµα ή παραγόµενα διαστηµικά/δορυφορικά Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους (Digital Elevation Models/DEMs) ( 9.1) Παραγωγή ψηφιακού µοντέλου εδάφους Για την κεντρική περιοχή της Μυγδονίας και µε την αξιοποίηση των ψηφιοποιηµένων ισοϋψών καµπυλών, των τριγωνοµετρικών σηµείων, του υδρογραφικού δικτύου και των λιµνών, από τους τοπογραφικούς χάρτες 1: της Γ.Υ.Σ. (ισοδιάσταση 20m), δηµιουργήθηκε υδρολογικά διορθωµένο DEM, µε διάσταση ψηφίδας (µέγεθος εικονοστοιχείου) 30m, χρησιµοποιώντας τον αλγόριθµο «topogridtool» του λογισµικού ArcGIS. Η επιλογή του µεγέθους εικονοστοιχείου των 30m για το παραγόµενο DEM προκύπτει από την κλίµακα των αρχικών χαρτών, τη µέση απόσταση µεταξύ των ισοϋψών καµπυλών και την πυκνότητά τους στην περιοχή µελέτης, κατά τις µεθόδους του Hengl (2005), που παρουσιάζονται στη συνέχεια. Πιο συγκεκριµένα, για την παραγωγή DEM από ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών, και σε σχέση µε την κλίµακα του χάρτη, υπολογίζεται ένα εύρος τιµών, εντός του οποίου θα πρέπει να κυµαίνεται το µέγεθος του προκύπτοντος εικονοστοιχείου και τελικά γίνεται ένας συµβιβασµός µεταξύ της µέγιστης και ελάχιστης τιµής. Σκοπός είναι, αφενός το εικονοστοιχείο να διαθέτει αρκετά µικρό µέγεθος, ώστε να περιγράφονται ικανοποιητικά τα χαρακτηριστικά (λεπτοµέρειες) του αναγλύφου και αφετέρου να είναι αρκετά µεγάλο, ώστε να αποφεύγεται η περιττή αύξηση του όγκου των δεδοµένων, για λόγου αποθήκευσης και επεξεργασίας τους.

60 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 57 Σχήµα 27. Υδρολογικά διορθωµένο DEM του κεντρικού τµήµατος της Μυγδονίας, µε διάσταση ψηφίδας 30m, το οποίο δηµιουργήθηκε από ψηφιοποίηση των τοπογραφικών χαρτών 1: και χρησιµοποιώντας τον αλγόριθµο topogridtool του λογισµικού ArcGIS. Ορισµένες προτεινόµενες διαστάσεις ψηφίδας δίνονται από τις σχέσεις (Hengl, 2005): A p = 2 l (σε σχέση µε την πολυπλοκότητα του αναγλύφου) όπου: p: το ζητούµενο µέγεθος του εικονοστοιχείου Α: Η συνολική έκταση της θεωρούµενης περιοχής και l : το µήκος των ισοϋψών ή: p = SN 0, 0005 (σε σχέση µε την κλίµακα του αρχικού χάρτη) όπου: p: το ζητούµενο µέγεθος του εικονοστοιχείου και SN: ο συντελεστής κλίµακας (π.χ , για κλίµακα 1:50.000)

61 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 58 Έτσι, για την περιοχή µελέτης, κυρίως βάσει της κλίµακας του αρχικού χάρτη, η τιµή 30m θεωρήθηκε ως η πλέον κατάλληλη, καθώς βρίσκεται εντός των προδιαγραφών και παράλληλα εξυπηρετεί τις συγκρίσεις µε άλλα DEM, τα οποία διαθέτουν, στις περισσότερες περιπτώσεις, αντίστοιχη ή πολλαπλάσια των 30m χωρική ανάλυση (βλ. 6) ηµιουργία τριγωνοποιηµένου ακανόνιστου δικτύου Τα τριγωνοποιηµένα ακανόνιστα δίκτυα (Triangulated Irregular Networks /TINs) αποτελούν έναν εναλλακτικό τρόπο ψηφιακής αναπαράστασης του αναγλύφου. Πρόκειται για µια διανυσµατική δοµή δεδοµένων, η οποία κατασκευάζεται µε τριγωνισµό ενός συνόλου σηµείων/κόµβων (vertices). Οι κόµβοι ενώνονται µε µια σειρά από ακµές (edges), ώστε να σχηµατιστεί ένα δίκτυο τριγώνων (Σχήµα 28). Σχήµα 28. Παράδειγµα αναπαράστασης αναγλύφου µε τη µέθοδο του ΤΙΝ. Αριστερά: Κόµβοι και γραµµές του ΤΙΝ. εξιά: Κόµβοι, ακµές και πλευρές (πληρωµένα τρίγωνα) του ΤΙΝ (πηγή: ESRI). Ένα σύνολο σηµείων µπορεί να τριγωνοποιηθεί, συνδέοντας κάθε σηµείο µε όλα τα γειτονικά του, µε ευθύγραµµα τµήµατα, τα οποία δεν τέµνονται µεταξύ τους. Ο τριγωνισµός που προκύπτει, ικανοποιεί το κριτήριο Delaunay (Delaunay, 1934), το οποίο εξασφαλίζει, ότι κανένας κόµβος δεν βρίσκεται στο εσωτερικό οποιουδήποτε από τους περιγεγραµµένους κύκλους των τριγώνων του δικτύου (Σχήµα 29).

62 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 59 Σχήµα 29. Έξι µη-επικαλυπτόµενα τρίγωνα κατασκευασµένα από επτά σηµεία µε τη µέθοδο τριγωνισµού Delaunay (Rahman & Pilouk, 2008). Όταν το κριτήριο Delaunay ικανοποιείται σε όλα τα σηµεία του ΤΙΝ, τότε η µικρότερη εσωτερική γωνία όλων των τριγώνων µεγιστοποιείται. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα να αποφεύγεται, όσο το δυνατόν περισσότερο, η κατασκευή µακριών και λεπτών τριγώνων. Οι ακµές του TINs σχηµατίζουν συνεχόµενα, µη επικαλυπτόµενα τρίγωνα και µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να καθορίσουν τη θέση σηµαντικών γραµ- µικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου, όπως είναι οι κορυφογραµµές των ράχεων ή τα ρέµατα. Επειδή οι κόµβοι δύνανται να τοποθετηθούν ακανόνιστα πάνω στην εκάστοτε επιφάνεια τα TIN µπορούν να διαθέτουν µεγαλύτερη ανάλυση σε περιοχές, όπου η επιφάνεια έχει µεγάλη µεταβλητότητα ή όπου περισσότερη λεπτοµέρεια είναι επιθυµητή και µικρότερη ανάλυση, σε περιοχές χαµηλότερης µεταβλητότητας. Τα δεδοµένα εισαγωγής, τα οποία χρησιµοποιούνται για την κατασκευή του TIN παραµένουν στη θέση τους, όπως οι τοπολογικές σχέσεις µεταξύ των κόµβων των ακµών και των τριγώνων του TIN. Ως εκ τούτου, το ΤΙΝ διατηρεί όλη την ακρίβεια των δεδοµένων εισαγωγής, ενώ παράλληλα µοντελοποιεί τις τιµές µεταξύ γνωστών σηµείων. Έτσι, π.χ. κορυφές ορέων, οδικό και υδρογραφικό δίκτυο µπορούν να συµπεριληφθούν στην επιφάνεια του ΤΙΝ µε ακρίβεια, ως δεδοµένα εισαγωγής (Shekhar & Xiong, 2008). Κατά τα όσα παρατέθηκαν προηγουµένως, για την θεωρούµενη περιοχή ενδιαφέροντος, δηµιουργήθηκε το ΤΙΝ (Σχήµα 30), ώστε να είναι διαθέσιµο προς χρήση σε µετέπειτα στάδια της εργασίας.

63 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 60 Σχήµα 30. Τριγωνοποιηµένο ακανόνιστο δίκτυο (Triangulated Irregular Network/TIN), του κεντρικού τµήµατος της Μυγδονίας Από τις ψηφιακές αναπαραστάσεις των υψοµέτρων (DEM & TIN), προέκυψαν δευτερογενή δεδοµένα (π.χ. για τις κλίσεις και τον προσανατολισµό των κλιτυών), τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια Ταξινόµηση αναγλύφου Ένα από τα σηµαντικότερα στοιχεία της γεωλογικής - γεωµορφολογικής ερµηνείας των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων είναι η αναγνώριση των επιφανειακών µορφών του αναγλύφου, ανεξάρτητα από το είδος των πετρωµάτων, της δοµής και των γεωµορφολογικών διαδικασιών. Επειδή ακριβώς οι µορφές της επιφάνειας αποτελούν τα πλέον οφθαλµοφανή χαρακτηριστικά στις περισσότερες τηλεπισκοπικές εικόνες, η στοιχειώδης γνώση της γεωµορφολογικής ερµηνείας συνιστά απαραίτητη προϋπόθεση για πρακτικά οποιαδήποτε άλλη γεωγραφική ερµηνεία (Löffler et al., 2005). Όπως αναφέρει χαρακτηριστικά ο Verstappen (1977), η µορφή του αναγλύφου αποτελεί το κεντρικό σηµείο ενδιαφέροντος σε κάθε σχεδόν ερµηνεία τηλεπισκοπικών εικόνων, καθώς από αυτήν συντίθεται το «πρόσωπο της Γης», όπως φαίνεται από ψηλά. Σύµφωνα µε τον Dikau (1989), το ανάγλυφο µπορεί να ταξινοµηθεί σε 4

64 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 61 κατηγορίες και να χαρακτηριστεί, ανάλογα µε τα υψόµετρα, σε πεδινό, λοφώδες, ηµιορεινό και ορεινό (Πίνακας 4). Πίνακας 4. Ταξινόµηση του ανάγλυφου σύµφωνα µε το υψόµετρό του από την επιφάνεια της θάλασσας (Dikau, 1989). Υψόµετρο (m) Χαρακτηρισµός < 150 Πεδινές περιοχές Λοφώδεις περιοχές Ηµιορεινές περιοχές > 900 Ορεινές περιοχές Έτσι, µε δεδοµένο το DEM, έλαβε χώρα η ταξινόµηση του αναγλύφου της θεωρούµενης περιοχής, κατά Dikau (Σχήµα 31). Σχήµα 31. Ταξινόµηση του αναγλύφου κατά Dikau (1989), για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας λεκάνης Χάρτης κλίσεων Μία παράµετρος που µπορεί να υπολογιστεί από την περαιτέρω ανάλυση του ψηφιακού µοντέλου αναγλύφου, είναι η κλίση του αναγλύφου, η οποία συνιστά το πιο ευρέως διαδεδοµένο τοπογραφικό µέγεθος και πολύ µεγάλης ση-

65 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 62 µασίας για κάθε γεωµορφολογική έρευνα. Ο Demek (1972), πρότεινε µία ταξινόµηση των κλίσεων του αναγλύφου σε 6 κύριες κατηγορίες, η οποία υιοθετήθηκε στη συνέχεια από τη ιεθνή Γεωγραφική Ένωση (International Geographical Union/IGU) και έχει ως εξής (Νικολαϊδου, 2009): Κλίση 0 ο 2 ο (0% 3,5%): Επίπεδο έως ελαφρώς κεκλιµένο ανάγλυφο (πληµµυρικά πεδία, επιφάνειες επιπέδωσης, αναβαθµίδες). Έναρξη διάβρωσης τύπου καλύµµατος. Απουσία προβληµάτων στις ανθρώπινες δραστηριότητες (µεταφορές, οικοδόµηση, γεωργία, υλοτοµία). Κλίση (3,5% - 8,7%): Ελαφρώς κεκλιµένο ανάγλυφο (πρόποδες κοιλάδων, περιοχές τελικών µοραίνων, κλιτύες θινών). ιάβρωση καλύµµατος και έναρξη αυλακωτής διάβρωσης. Σε περιοχές φυτοκάλυψης παρατηρείται έ- ναρξη ερπυσµού εδαφών. Μέτρα προστασίας του εδάφους λαµβάνονται στις καλλιεργούµενες περιοχές. Ελαφρά δυσκολία στη µετακίνηση των οχηµάτων, δυνατότητα εποικισµού και λειτουργίας βιοµηχανιών. Καλλιέργεια δυνατή µε τη χρήση µηχανηµάτων. Προτεινόµενη η καλλιέργεια κατά τις ισοϋψείς. Κλίση (8,7% 26,8%): Ισχυρώς κεκλιµένο ανάγλυφο (κλιτύες κοιλάδων, τεκτονικές αναβαθµίδες). Κινήσεις µαζών, ισχυρή διάβρωση τύπου καλύµµατος και αυλακωτή, έντονες διαβρωτικές διεργασίες σε περιοχές µειωµένης φυτοκάλυψης, αλλά έναρξη τους και σε περιοχές έντονης φυτοκάλυψης. Πιθανές ολισθήσεις εδάφους και ερπυσµός. Στις 15 0 (26,8%) βρίσκεται η κρίσι- µη γωνία για το σχηµατισµό πλήρους εδαφικού ορίζοντα. Σηµαντικές δυσκολίες στην κατασκευή δρόµων και στη µετακίνηση οχηµάτων. Αδύνατη η καλλιέργεια δίχως τη χρήση αναβαθµίδων. υσκολίες στη χρήση γεωργικών µηχανηµάτων. Κλίση (26,8% - 70%): Απότοµο ( ) έως εξαιρετικά απότοµο ( ) ανάγλυφο (κλιτύες κοιλάδων µεσαίων ορέων). Έντονες διεργασίες απογύµνωσης πάσης φύσεως, ερπυσµοί εδαφών, λασπορροές, πολύ έντονη αυλακωτή και γραµµική διάβρωση, τόσο σε γυµνές όσο και σε καλυµµένες περιοχές (δάση). υνατή η µετακίνηση µόνο µε ερπυστριοφόρα µηχανήµατα. Αδύνατη η καλλιέργεια, δυσχερής η υλοτοµία. Περιοχή δασών και βοσκοτόπων. Κλίση (70% 135%): Απόκρηµνο ανάγλυφο (απότοµες κλιτύες κοιλάδων υψηλών ορέων, κλιτύες σχηµατισµών hogbacks, κλιτύες ασβεστολιθικών φαραγγιών). Πολύ λεπτό, ασυνεχές στρώµα εδάφους, έντονη απογύµνωση του µητρικού πετρώµατος, ισχυρότατη έκθεση στους παράγοντες της διάβρωσης και της βαρύτητας. Αδύνατη η προσπέλαση. Περιοχή δασών, ό- ριο εκµετάλλευσης της υλοτοµίας. Κλίση >55 0 (>135%): Κάθετο ανάγλυφο (κάθετες κλιτύες σε περιοχές ψαµµιτικών και ασβεστολιθικών ορέων). Απουσία εδάφους. Απογύµνωση των εκτεθειµένων πετρωµάτων, κατάρρευση βράχων. Αδύνατη η οικονοµική εκµετάλλευση. Αναρρίχηση. Κίνδυνος πτώσης βράχων στα κατάντη.

66 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 63 Λαµβάνοντας υπόψη την ταξινόµηση των κλίσεων του αναγλύφου που πρότεινε ο Demek, υπολογίστηκαν οι κλίσεις του αναγλύφου στην περιοχή µελέτης και κατασκευάστηκε ο χάρτης κλίσεων (Σχήµα 32). Σχήµα 32. Ταξινόµηση των κλίσεων του αναγλύφου κατά Demek (1972), του κεντρικού τµήµατος της Μυγδονίας Χάρτης προσανατολισµού κλιτυών Εκτός από την τιµή της κλίσης των κλιτυών, σε πολλές περιπτώσεις χρησι- µεύει ιδιαίτερα να είναι γνωστός και ο προσανατολισµός των κλιτυών. Για το σκοπό αυτό, κατασκευάζεται από το ψηφιακό µοντέλου εδάφους ο αντίστοιχος χάρτης προσανατολισµού των κλιτυών (Σχήµα 33).

67 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 64 Σχήµα 33. Χάρτης προσανατολισµού κλιτυών του κεντρικού τµήµατος της Μυγδονίας λεκάνης Χάρτες σκιασµένου αναγλύφου Ο χάρτης ή µοντέλο σκιασµένου αναγλύφου (Hillshade ή Shaded Relief Map/Model) δίνει την εικόνα της εκάστοτε περιοχής, θεωρώντας ότι αυτή φωτίζεται από µία υποθετική πηγή φωτός, η οποία βρίσκεται στο άπειρο και υπολογίζοντας τις σχετικές τιµές έντασης (φωτισµού) µεταξύ των εικονοστοιχείων. Ο τρόπος µε τον οποίο τα στοιχεία της επιφάνειας θα ανακλούν το φως ε- ξαρτάται από τα χαρακτηριστικά τους (κλίση, προσανατολισµός) και από τη θέση της φωτεινής πηγής, η οποία καθορίζεται από τον αναλυτή, µε τη βοήθεια δύο παραµέτρων: (1) του ηλιακού αζιµουθίου (Solar Azimuth) και (2) του ύψους ηλίου (Solar Elevation) Το αζιµούθιο είναι η γωνιακή διεύθυνση (0 ο -360 ο ) του ηλίου, µετρούµενη από το Βορρά κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Το ύψος ηλίου ταυτίζεται µε τη γωνία που σχηµατίζει η φωτεινή πηγή µε τον ορίζοντα. Οι χάρτες σκιασµένου αναγλύφου δηµιουργούν εντυπωσιακές απεικονίσεις του αναγλύφου και χρησιµοποιούνται στην τρισδιάστατη απεικόνιση, συχνά σε συνδυασµό µε άλλα δεδοµένα (π.χ. δορυφορικές εικόνες), βελτιώνοντας το ο- πτικό αποτέλεσµα. Ένα τέτοιο παράδειγµα έχει ήδη παρουσιαστεί σε προηγού- µενο κεφάλαιο ( 2.3.2) στα πλαίσια απεικόνισης των ενεργών ρηγµάτων της

68 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 65 περιοχής µελέτης (βλ. Σχήµα 12, σελ. 33). Στην προκειµένη περίπτωση, για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας, δη- µιουργήθηκαν δύο χάρτες σκιασµένου αναγλύφου, καθώς η πολυπλοκότητα των προσανατολισµών των κλιτυών (βλ. Σχήµα 33) και η επικρατούσα διεύθυνση (περίπου Α- ) των σηµαντικότερων ενεργών ρηγµάτων της περιοχής απαιτεί τον «φωτισµό» της από αντιδιαµετρικές διευθύνσεις, ώστε να τονισθούν τα επι- µέρους γεωµορφολογικά χαρακτηριστικά της. Έτσι, ως αζιµούθιο ηλίου επιλέχθηκαν οι τιµές 315 ο («φωτισµός» από Β ) και 135 ο («φωτισµός» από ΝΑ), ενώ ως ύψος ηλίου επιλέχθηκε γωνία 45 ο και στις δύο περιπτώσεις (Σχήµα 34 & Σχήµα 35). Σχήµα 34. Χάρτης σκιασµένου αναγλύφου (Hillshade), µε εφαρµογή ύψους ηλίου 45 ο και αζιµουθίου 315 ο (πηγή φωτισµού από Β ).

69 4. ΨΗΦΙΑΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ G.I.S. 66 Σχήµα 35. Χάρτης σκιασµένου αναγλύφου (Hillshade), µε εφαρµογή ύψους ηλίου 45 ο και αζιµουθίου 135 ο (πηγή φωτισµού από ΝΑ) ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ GIS Εκτός από τη συλλογή και ταξινόµηση των πληροφοριών (δηµιουργία βάσης δεδοµένων και επιπέδων πληροφοριών) και των βασικών χωρικών αναλύσεων όπως παρουσιάστηκαν παραπάνω, τα GIS χρησιµοποιήθηκαν κατά κόρον στα περισσότερα στάδια της παρούσας εργασίας για τη σύνθεση, συσχέτιση, ανάλυση και παρουσίαση των πληροφοριών που συγκεντρώθηκαν, καθώς και των αποτελεσµάτων που προέκυψαν. Αυτές οι περαιτέρω αναλύσεις σε περιβάλλον GIS, καθώς και τα ψηφιακά χαρτογραφικά προϊόντα, που προέκυψαν από τα αποτελέσµατα της µελέτης, παρουσιάζονται κατά περίπτωση, ενσωµατωµένα στα αντίστοιχα κεφάλαια, στα οποία εµπίπτουν. Μετά την περιγραφή της οργάνωσης των δεδοµένων σε περιβάλλον GIS, η παρούσα διδακτορική διατριβή εισέρχεται στο καθαρά ερευνητικό της έργο, ξεκινώντας από τις µετρήσεις GPS και συνεχίζοντας µε τα ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου, την εφαρµογή τεχνικών διαστηµικής συµβολοµετρίας SAR και την ψηφιακή επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων, όπως παρουσιάζονται στα ε- πόµενα κεφάλαια.

70 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 5.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται αρχικά µία σύντοµη εισαγωγή στα Παγκόσµια ορυφορικά Συστήµατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems / GNSSs), καθώς και µία ανασκόπηση των προηγενέστερων µετρήσεων µε GPS στην περιοχή µελέτης. Ακολούθως περιγράφονται αναλυτικά οι διαδικασίες συλλογής και επεξεργασίας κινηµατικών δεδοµένων GPS (> σηµεία) που έ- λαβαν χώρα για τους σκοπούς της διατριβής. Τέλος, περιγράφονται οι µετρήσεις του γεωδαιτικού δικτύου στην περιοχή των Βαλκανίων, οι οποίες έγιναν το 2008 στα πλαίσια και της παρούσας διατριβής, καθώς και τα αποτελέσµατα (διανύσµατα µετάθεσης) που προέκυψαν για περιοχές της Β. Ελλάδας (Κ. Μακεδονία) και Βουλγαρίας ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ GNSS/GPS Τα Παγκόσµια ορυφορικά Συστήµατα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSSs) είναι συστήµατα, τα οποία αποτελούνται από έναν «αστερισµό» δορυφόρων σε κατάλληλο σχηµατισµό και τροχιά γύρω από τη Γη (Σχήµα 36), τους επίγειους σταθµούς λήψης των δεδοµένων και φυσικά τους χρήστες, οι οποίοι καταγράφουν τα δορυφορικά σήµατα µε τη βοήθεια ειδικών δεκτών GNSS. Ο όρος «GNSS» αντικαθίσταται πολλές φορές λανθασµένα από τον όρο «GPS» (Global Positioning System/Παγκόσµιο Σύστηµα Προσδιορισµού Θέσης), αν και το GPS αποτελεί ένα µόνο είδος GNSS (την Αµερικανική έκδοση). Επί του παρόντος υπάρχουν επίσης το Ρωσικό σύστηµα GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) και το Ευρωπαϊκό σύστηµα GALILEO, το οποίο αναµένεται να λειτουργήσει σε λίγα χρόνια. Ο κύριος σκοπός χρήσης ενός GNSS είναι ο προσδιορισµός θέσης στο οριζόντιο και κατακόρυφο επίπεδο (υψόµετρο), µε τη βοήθεια σχετικών ή απόλυτων συντεταγµένων. Η ακρίβεια η οποία επιτυγχάνεται για τον απλό χρήστη είναι τυπικά της τάξης των λίγων µέτρων αλλά, υπό προϋποθέσεις και ανάλογα µε την εφαρµογή, η ακρίβεια µπορεί να φτάσει στα επίπεδα του χιλιοστού.

71 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 68 Σχήµα 36. Παράδειγµα ενός «αστερισµού» δορυφόρων GNSS (πηγή: ESA [url12] ). Το σκεπτικό λειτουργίας ενός GNSS είναι σχετικά απλό. Ένα GNSS είναι κατ ουσία ένα σύστηµα µέτρησης απόστασης. Αυτό σηµαίνει ότι το µόνο που κάνει ο χρήστης είναι να προσδιορίζει την απόστασή του από κάθε δορυφόρο χρησι- µοποιώντας έναν δέκτη GNSS. Θεωρητικά, απαιτούνται οι αποστάσεις από τουλάχιστον 3 δορυφόρους για τον προσδιορισµό θέσης (Σχήµα 37), αλλά στην πράξη χρειάζονται κατ ελάχιστο 4 δορυφόροι. Σχήµα 37. Προσδιορισµός θέσης χρησιµοποιώντας τις αποστάσεις από δορυφόρους. Θεωρητικά απαιτούνται οι αποστάσεις από 3 δορυφόρους για τον εντοπισµό θέσης: αρχικά δεν γνωρίζουµε ποιο από τα δύο σηµεία είναι το σωστό, αλλά µπορούµε να το βρούµε. Για την ακρίβεια, το ένα από τα δύο σηµεία βρίσκεται, σχεδόν πάντοτε, πολύ µακριά από τη Γη (χιλιάδες χιλιόµετρα µακριά στο διάστηµα) και οι δέκτες είναι αρκετά «έξυπνοι» ώστε να αναγνωρίζουν το σωστό σηµείο (Hurn 1993, Αστάρας κ.α. 2007).

72 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 69 Τα συστήµατα GNSS είναι σήµερα προσιτά στο ευρύ κοινό, το οποίο επιθυµεί να γνωρίζει το πού βρίσκεται και το πού πηγαίνει µε ακρίβεια λίγων µέτρων. Το µόνο που χρειάζεται κανείς είναι ένας κατάλληλος δέκτης GNSS. Υπάρχει µια πληθώρα µεθόδων για τη συλλογή δεδοµένων GNSS, ανάλογα µε την εφαρµογή που εξυπηρετείται κάθε φορά. Ένας βασικός διαχωρισµός είναι αυτός σε κινηµατικό και στατικό προσδιορισµό θέσης, ανάλογα µε το αν ο δέκτης που συλλέγει τα δεδοµένα κινείται ή όχι. Για αναλυτικότερες πληροφορίες περί θεωρίας GNSS και γεωδαιτικών εφαρµογών βλ. Hofmann-Wellenhof et al. (2001) ή Φωτίου & Πικριδάς (2006). Επιστρέφοντας στο χώρο της Τηλεπισκόπησης, καθώς η χωρική ανάλυση των τηλεπισκοπικών δεδοµένων βελτιώνεται συνεχώς, η έννοια της χωρικής α- κρίβειας αποκτά ολοένα και µεγαλύτερη σηµασία. Στις µέρες µας, συµβατικά (µη-στρατιωτικά) διαστηµικά συστήµατα Τηλεπισκόπησης παρέχουν εικόνες µε διακριτική ικανότητα της τάξης λίγων δεκάδων εκατοστών (π.χ. εικόνες Quickbird: 61cm στο παγχρωµατικό). Συνεπώς, δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολο να υποθέσουµε, ότι τα αντίστοιχα στρατιωτικά συστήµατα λειτουργούν ήδη στα επίπεδα λίγων χιλιοστών χωρικής ανάλυσης. Επιπλέον, προηγµένες τεχνικές Τηλεπισκόπησης όπως η συµβολοµετρία ραντάρ συνθετικής κεραίας (Synthetic Aperture Radar Interferometry/InSAR) (βλ. 7) χρησιµοποιούνται για τη µέτρηση µετατοπίσεων στη γήινη επιφάνεια µε ακρίβεια, η οποία υπό προϋποθέσεις φτάνει τα λίγα µόλις χιλιοστά. Συµπληρωµατικά, ας µην λησµονηθεί, ότι µία από τις βασικές αρχές της Τηλεπισκόπησης είναι η δειγµατοληπτική επαλήθευση των αποτελεσµάτων, µε κατάλληλη εργασία υπαίθρου. Λαµβάνοντας υπόψη τα παραπάνω καθίσταται σαφές, ότι ο ακριβής προσδιορισµός θέσης απαιτείται στην Τηλεπισκόπηση για τη γεωαναφορά (διαδικασία ορισµού συντεταγµένων επί του εδάφους) των τηλεπισκοπικών εικόνων, την επαλήθευση και υποστήριξη µετρούµενων µετατοπίσεων µε τεχνικές Τηλεπισκόπησης και τη διεξαγωγή της εργασίας υπαίθρου. Οι απαιτήσεις αυτές µπορούν θεωρητικά να επιτευχθούν µε τη χρήση των GNSSs ΠΡΟΓΕΝΕΣΤΕΡΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ Το 1994, εκτελέστηκε, για πρώτη φορά µε τη χρήση GPS, επαναµέτρηση του παλαιού γεωδαιτικού δικτύου στη περιοχή της Μυγδονίας λεκάνης. Το δίκτυο αυτό ιδρύθηκε το 1979, στην επικεντρική περιοχή του µεγάλου σεισµού του 1978 (Ms = 6.5) και επαναµετρήθηκε µε κλασικές γεωδαιτικές µεθόδους 7 φορές µέχρι το Οι συντεταγµένες που προέκυψαν από το σύστηµα GPS (1994) συγκρίθηκαν µε αυτές που υπολογίστηκαν το 1979 µε τριγωνισµό. Αυτή η σύγκριση έδειξε µια, σχετικά µικρή αλλά σαφή, επέκταση της λεκάνης κατά τη διεύθυνση Β-Ν, της τάξης των 8cm, δηλαδή περίπου 5-6mm/yr (Martinod et al. 1997, Savvaidis et al. 1997, Fotiou et al. 2003). Από το 1994 έως το 2003, έλαβαν χώρα συνολικά 5 εκτεταµένες εργασίες

73 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 70 πεδίου για τη συλλογή δεδοµένων GPS και από τη σύγκριση των αποτελεσµάτων προέκυψε το συµπέρασµα, ότι η περιοχή παρουσίασε µια ύφεση της παρα- µόρφωσης, µε εξαίρεση ορισµένα σηµεία (Doukas et al., 2004a). Για την περιοχή του Καλοχωρίου και την πεδιάδα της Θεσσαλονίκης, όπως έχει αναφερθεί κατά την περιγραφή της περιοχής ( 2.4.2), από τη σύγκριση ιστορικών δεδοµένων χωροστάθµησης και δεδοµένων GPS προκύπτει, ότι τµή- µατα της πεδιάδας της Θεσσαλονίκης, κυρίως κοντά στα σηµερινά δέλτα των ποταµών, έχουν υποστεί καθίζηση έως και 4m, κατά τα τελευταία 50 περίπου έτη (Stiros 2001, Psimoulis et al. 2007) ΣΥΛΛΟΓΗ ΣΗΜΕΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟ Ο ΤΟΥ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ Εισαγωγή και σκοπιµότητα Σε αντίθεση µε τον περισσότερο συνηθισµένο τρόπο συλλογής δεδοµένων GPS, µε τον δέκτη να παραµένει ακίνητος, οι κινηµατικές µετρήσεις GPS (KGPS) συνίστανται στην συλλογή δεδοµένων από έναν κινούµενο δέκτη (rover) και (προαιρετικά, για µεγαλύτερη ακρίβεια) ενός σταθερού (ακίνητου) δέκτη/σταθµού αναφοράς (base or reference station). Ο κινητός δέκτης µπορεί να είναι ένας δέκτης χειρός ή να έχει τοποθετηθεί σε κάποιο κινούµενο φορέα, συνηθέστερα κάποιο µεταφορικό µέσο (αυτοκίνητο, τραίνο, βάρκα, κ.λ.π.), χωρίς να λείπουν και περισσότερο πρωτότυπες εφαρµογές (π.χ. σε διάφορα ζώα). Για τις ανάγκες εκπόνησης της παρούσας εργασίας κρίθηκε απαραίτητο να διεξαχθούν εκτεταµένες κινηµατικές µετρήσεις GPS, για τους εξής σκοπούς: την ακριβή γεωαναφορά των τηλεπισκοπικών εικόνων την αξιολόγηση της ακρίβειας των διαθέσιµων και παραγόµενων DEM την περαιτέρω διερεύνηση των δυνατοτήτων συνέργιας της Τηλεπισκόπησης, των GIS και των δεδοµένων GPS Στη συνέχεια περιγράφονται οι διαδικασίες συλλογής και επεξεργασίας των δεδοµένων KGPS Συλλογή των δεδοµένων Οι µετρήσεις έλαβαν χώρα τον Ιανουάριο Φεβρουάριο του 2008 και απαιτήθηκαν 4 συνολικά ηµέρες. Χρησιµοποιήθηκαν 2 πανοµοιότυποι γεωδαιτικοί δέκτες της εταιρίας Topcon (µοντέλο GB-1000) διπλής συχνότητας (L 1, L 2 ) µε δυνατότητα λήψης δεδοµένων GPS και GLONASS.

74 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 71 Η συχνότητα καταγραφής (sampling rate) ορίστηκε στο 1Hz, δηλαδή 1 µέτρηση/sec. Οι σταθµοί αναφοράς (reference stations) επιλέχθηκαν µε τέτοιον τρόπο, ώστε να εξασφαλίζονται ταυτόχρονα καλές συνθήκες λήψης (ανοικτός ορίζοντας, ελάχιστα δυνατά εµπόδια, όπως κτίρια και δέντρα) και µέγιστη απόσταση 20Κm από τον κινητό δέκτη (rover) για την ελαχιστοποίηση ατµοσφαιρικών επιδράσεων στο σήµα GPS. Συνολικά χρησιµοποιήθηκαν 3 διαφορετικές θέσεις ως σταθµοί αναφοράς. Με σκοπό τη διασφάλιση των µετρήσεων, στο κέντρο περίπου της περιοχής εκτέλεσης των µετρήσεων, ένας επιπλέον σταθµός αναφοράς διπλής συχνότητας (τύπου Leica RS500) τοποθετηµένος στο Α.Π.Θ. (Τµήµα Αγρονόµων & Τοπογράφων Μηχ/κών), κατέγραφε δεδοµένα επίσης στο 1Hz. Η κεραία του κινητού δέκτη τοποθετήθηκε ασφαλώς στο πάνω τµήµα οχή- µατος, µε το οποίο διεξήχθησαν όλες τις µετρήσεις (Σχήµα 38). Στόχος ήταν η ταχύτητα του οχήµατος να παραµείνει κάτω από τα 60Κm/h, ώστε αφενός να διασφαλιστεί η σταθερότητα της κεραίας και αφετέρου να συλλεχθεί τουλάχιστον 1 µέτρηση ανά 15m. Στην πράξη, η µέση ταχύτητα δεν ξεπέρασε τα 40Κm/h, παρέχοντας πυκνότητα δεδοµένων µεγαλύτερη (περίπου µία µέτρηση/11m) από την αρχικά εκτιµώµενη. Γενικά, υπάρχει καλή συσχέτιση µεταξύ της πυκνότητας των σηµείων που συλλέχθηκαν και του αναγλύφου υπό την έννοια, ότι επίπεδες περιοχές καταγράφονται επαρκώς µε σχετικά αραιές µετρήσεις, ενώ το έντονο ανάγλυφο α- παιτεί συχνότερες δειγµατοληψίες. Οι συνθήκες αυτές ικανοποιούνται στην πράξη, καθώς η ταχύτητα του οχήµατος καθορίζεται από τον χαρακτήρα της εκάστοτε οδού, ο οποίος µε τη σειρά του ελέγχεται σε µεγάλο βαθµό από το είδος του αναγλύφου. Σχήµα 38. Κεραία και δέκτης GPS τοποθετηµένα στο όχηµα το οποίο χρησιµοποιήθηκε για τις µετρήσεις.

75 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 72 Με τις παραπάνω ρυθµίσεις και προϋποθέσεις, κατά τη διάρκεια των 22 περίπου ωρών των µετρήσεων, συλλέχθηκαν περισσότερα από σηµεία (Σχήµα 39), παρέχοντας µέση πυκνότητα δεδοµένων της τάξης των 20 σηµείων/κm 2 για την υπό εξέταση περιοχή. Σχήµα 39. Συλλογή κινηµατικών δεδοµένων GPS στην ευρύτερη περιοχή µελέτης Επεξεργασία των δεδοµένων Η εκ των υστέρων επεξεργασία των δεδοµένων GPS που συλλέχθηκαν είχε ως τελικό σκοπό τον απόλυτο προσδιορισµό θέσης των κινηµατικών σηµείων µε υπολογισµό των οριζοντιογραφικών συντεταγµένων τους Χ, Υ και του ορθοµετρικού (τοπογραφικού) τους υψοµέτρου Η. Για το λόγο αυτό απαιτήθηκε: Υπολογισµός των συντεταγµένων των σηµείων αναφοράς µε πολλή µεγάλη ακρίβεια. Προσδιορισµός θέσης των κινηµατικών σηµείων µε βάση τα σηµεία α- ναφοράς. Αποµάκρυνση «προβληµατικών» µετρήσεων µέσω µίας διαδικασίας «φιλτραρίσµατος». Μετατροπή των γεωµετρικών (h) υψοµέτρων των µετρήσεων GPS σε ορθοµετρικά. O υπολογισµός των συντεταγµένων των σταθµών αναφοράς (Πίνακας 5) έγινε χρησιµοποιώντας δεδοµένα του Ευρωπαϊκού µόνιµου δικτύου σταθµών

76 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 73 GPS (European Reference Frame (EUREF) Permanent Network/EPN). Πίνακας 5. Απόλυτες γεωγραφικές συντεταγµένες σε ITRF (πρακτικά ίδιο µε το WGS 84 για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας) των σταθµών αναφοράς, όπως υπολογίστηκαν µε τη βοήθεια δεδοµένων του Ευρωπαϊκού µόνιµου δικτύου σταθµών GPS (EUREF/EPN). Lat Lon Elev (h) o N 023 ο E m o N 023 o E m o N 022 o E m Ακολούθως, έλαβε χώρα ο προσδιορισµός της θέσης και της ακρίβειας (Σχήµα 40) των κινηµατικών σηµείων, µε βάση τα σηµεία αναφοράς, χρησιµοποιώντας το λογισµικό επεξεργασίας δεδοµένων GPS Ashtech Precise Navigation (PNAV ). Σχήµα 40. Ακρίβεια των κινηµατικών µετρήσεων GPS, µετά από την εκ των υστέρων ε- πεξεργασία των δεδοµένων που συλλέχθηκαν. Το µέσο τετραγωνικό σφάλµα (RMS error) είναι <0.5m για το 50% των δεδοµένων, ενώ σχεδόν το 90% των µετρήσεων χαρακτηρίζονται από ακρίβεια καλύτερη του 1.5m. Μόλις το 1.5% των δεδοµένων παρουσιάζουν χαµηλή ακρίβεια (RMS>5m). Εν συνεχεία, για τον εντοπισµό και την αποµάκρυνση µετρήσεων µειωµένης ακρίβειας (εξαιτίας κακής λήψης του δορυφορικού σήµατος, µη ικανοποιητικού αριθµού δορυφόρων κ.α.), αρχικά εντοπίστηκαν οπτικά και αφαιρέθηκαν σηµεία, τα οποία παρουσίαζαν εµφανή απόκλιση από την διαδροµή που ακολουθήθηκε. Αυτά αφορούσαν κυρίως σηµεία κάτω από γέφυρες ή σε περιοχές µε έντονο

77 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 74 ανάγλυφο. Στη διαδικασία αυτή χρησίµευσε ιδιαίτερα η a-priori γνώση της περιοχής µελέτης, καθώς και η υπέρθεση των µετρηµένων σηµείων GPS στο Google Earth [url16]. Επίσης, από το αρχείο το αποτελεσµάτων της επεξεργασίας των κινηµατικών µετρήσεων, εξαιρέθηκαν σηµεία µε µεγάλο µέσο τετραγωνικό σφάλµα (Root Mean Square Error/RMS). Τέλος, υιοθετώντας παρόµοια µεθοδολογία µε αυτήν των Rodríguez et al. (2005), σηµεία µε µετρήσεις υψοµέτρων µε τυπική απόκλιση µεγαλύτερη από 1 m σε απόσταση 30m ή µεγαλύτερη από 5m σε απόσταση 90m, αποκλείστηκαν. Μετά τις παραπάνω διαδικασίες «φιλτραρίσµατος», τα διαθέσιµα κινηµατικά σηµεία GPS µειώθηκαν σε Τελικό στάδιο της επεξεργασίας ήταν ο υπολογισµός των ορθοµετρικών υψοµέτρων. Η κάθετη απόσταση του εκάστοτε σηµείου της επιφάνειας από την επιφάνεια του ελλειψοειδούς εκ περιστροφής (ΕΕΠ) που χρησιµοποιείται ως αναφορά ονοµάζεται «ελλειψοειδές ή γεωµετρικό ή γεωδαιτικό υψόµετρο» (h). Εντούτοις, τόσο στην τοπογραφική χαρτογράφηση όσο και στις περισσότερες εφαρµογές χρησιµοποιείται το ορθοµετρικό (τοπογραφικό) υψόµετρο (Η) µε αφετηρία το γεωειδές. Τα h και H συνδέονται µε τη βοήθεια του ύψους του γεωειδούς (Ν), το ο- ποίο ορίζεται ως η απόσταση του γεωειδούς από το ελλειψοειδές, µέσω της σχέσης: h = H + N (Σχήµα 41). Σχήµα 41. Οι διάφορες επιφάνειες αναφοράς υψοµέτρων. Το υψόµετρο του γεωειδούς Ν λαµβάνεται µε την αλγεβρική του τιµή: έχει θετική τιµή, όταν το γεωειδές βρίσκεται πάνω από το ελλειψοειδές (δεξιά) και αρνητική τιµή, όταν συµβαίνει το αντίστροφο (αριστερά).

78 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 75 Επιφάνεια αναφοράς των υψοµέτρων από µετρήσεις GPS είναι το ελλειψοειδές WGS84. Συνεπώς, απαιτείται µετατροπή των γεωµετρικών υψοµέτρων σε ορθοµετρικά µε αφαίρεση του ύψους του γεωειδούς (Ν). Σύµφωνα µε το University NAVstar COnsortium (UNAVCO [url15] ), το ύψος του γεωειδούς στην περιοχή µελέτης κυµαίνεται µεταξύ 42m και 43m, τιµή που βρίσκεται σε συµφωνία µε τα δεδοµένα του Οργανισµού Κτηµατολογίου και Χαρτογραφήσεων Ελλάδας (Ο.Κ.Χ.Ε.). Η τιµή των 43m κρίθηκε ως περισσότερο αντιπροσωπευτική και χρησιµοποιήθηκε για τον υπολογισµό των ορθοµετρικών υψοµέτρων. Τα τελικά, επεξεργασµένα δεδοµένα KGPS αποτέλεσαν εξαιρετικά χρήσιµο εργαλείο στα πλαίσια της διατριβής για την αξιολόγηση των ψηφιακών µοντέλων εδάφους ( 6) και την αναγνώριση επίγειων σηµείων ελέγχου στις δορυφορικές εικόνες ( 7 & 8) ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GPS Εισαγωγή Η πλέον πρόσφατη διεξαγωγή µετρήσεων GPS (στατικές µετρήσεις µακράς διάρκειας) στα Βαλκάνια έγινε το 2008, στα πλαίσια του προγράµµατος RILA [url18]. Το εν λόγω πρόγραµµα αποτελεί καταρχήν µια συνεργασία της Βουλγαρικής Ακαδηµίας Επιστηµών (Bulgarian Academy of Sciences/BAS) και του Κέντρου Επιστηµονικών Ερευνών της Γαλλίας (French National Centre for Scientific Research\CNRS). Σκοπός του προγράµµατος είναι η σεισµοτεκτονική µελέτη της Βουλγαρίας, µε την εφαρµογή µεθόδων GPS και συµβολοµετρίας SAR (InSAR). Με αφορµή τις εργασίες της παρούσας διατριβής, οι µετρήσεις GPS του προγράµµατος RILA επεκτάθηκαν στο χώρο της Κεντρικής Μακεδονίας και ιδιαίτερα περί τον άξονα Β-Ν, ο οποίος διέρχεται από το βύθισµα της Μυγδονίας (Σχήµα 42).

79 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 76 Σχήµα 42. ίκτυο σταθµών GPS στην περιοχή των Βαλκανίων. Σε µεγέθυνση παρουσιάζονται οι σταθµοί που βρίσκονται εγγύτερα στην ευρύτερη περιοχή ενδιαφέροντος, ενώ µε κόκκινα τρίγωνα συµβολίζονται οι σταθµοί του δικτύου, οι οποίοι βρίσκονται σε Ελληνικό Έδαφος.

80 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS Συλλογή δεδοµένων και αποτελέσµατα Εντός δύο περίπου εβδοµάδων εργασίας υπαίθρου, διεξήχθησαν µετρήσεις στα σηµεία των σταθµών του Ελληνικού δικτύου (Σχήµα 43), χρησιµοποιώντας δέκτες GPS διπλής συχνότητας και γεωδαιτικές κεραίες. Η διάρκεια των µετρήσεων σε κάθε σηµείο ήταν µεταξύ 48 και 72 ωρών. Σχήµα 43. Εικόνα από την εγκατάστασης κεραίας και δέκτη GPS σε έναν από τους σταθ- µούς του Ελληνικού δικτύου (περιοχή Κιλκίς, σηµείο KLKI). Τα δεδοµένα που συλλέχθησαν το 2008, αφού υπέστησαν κατάλληλη επεξεργασία, χρησιµοποιήθηκαν µαζί µε µετρήσεις του 1999 και 2000 για τον υπολογισµό των διανυσµάτων µετάθεσης των µετρηµένων σηµείων, κατά την περίοδο (Matev, 2010). Τα αποτελέσµατα (Σχήµα 44) υποδεικνύουν, ότι η περιοχή µελέτης µετακινείται γενικά µε ταχύτητες άνω των 5mm/yr (µε ακρίβεια ±1mm/yr) κατά τη προσεγγιστική διεύθυνση Β-Ν. Στα νοτιότερα σηµεία, η µετακίνηση αυτή παρουσιάζεται µεγαλύτερη, παραµένοντας ωστόσο σαφώς κάτω από το 1cm/yr, ενώ βορειότερα, στο γεωγραφικό χώρο της Βουλγαρίας, οι µεταθέσεις είναι µικρότερες των 5mm/yr, κατά την ίδια περίπου πάντα διεύθυνση.

81 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ GNSS/GPS 78 Σχήµα 44. Μεταθέσεις (µε επιφύλαξη για το σταθµό Πολυγύρου/POLY) του συνόλου των µετρηµένων σηµείων GPS (Ελλάδα και Βουλγαρία), κατά την περίοδο , µε αναφορά το σταθερό τµήµα της Ευρασίας (Matev, 2010). Τα παραπάνω αποτελέσµατα βρίσκονται σε συµφωνία µε προγενέστερες µετρήσεις (βλ. 5.3), αλλά και µε το γεωτεκτονικό καθεστώς της περιοχής µελέτης.

82 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 6.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό δίδονται αρχικά ορισµένα στοιχεία για τη σηµασία των Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους (Digital Terrain Models/DTMs ή Digital Elevation Models/DEMs), τις χρήσεις τους και τις πηγές προέλευσής τους. Στη συνέχεια, τα διαθέσιµα DEM (SRTM, ASTER-GDEM, SPOT) µαζί µε το DEM που προέκυψε από την ψηφιοποίηση των τοπογραφικών χαρτών (βλ ) και επιπλέον, ένα DEM από εικόνες ERS (µέθοδος InSAR), του οποίου η παραγωγή περιγράφεται στο παρόν κεφάλαιο, αξιολογούνται µε βάση τα συλλεχθέντα κινηµατικά δεδοµένα GPS ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Η πληροφορία για την τοπογραφία της εκάστοτε περιοχής συνιστά θεµελιώδες στοιχείο σε αναρίθµητες επιστηµονικές, πολιτικές και στρατιωτικές ε- φαρµογές. Η υψοµετρική πληροφορία αποτελεί κρίσιµη παράµετρο για σχεδόν όλους τους κλάδους των Γεωεπιστηµών και τις διάφορες εφαρµογές τους: γεωλογική χαρτογράφηση, εκτίµηση φυσικών κινδύνων, µεγάλα κατασκευαστικά έργα, κ.τ.λ. Συνεπώς, η όσο το δυνατόν ακριβέστερη γνώση και µοντελοποίηση της τοπογραφίας αποτελεί ιδιαίτερα χρήσιµο εργαλείο για περαιτέρω µελέτες (Massonnet & Elachi, 2006). Σύγχρονη πηγή υψοµετρικής πληροφορίας αποτελούν τα ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου ΨΗΦΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Ε ΑΦΟΥΣ - ΧΡΗΣΙΜΟΤΗΤΑ Ως Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (Digital Terrain Model/DTM ή Digital Elevation Model/DEM) ορίζεται ένα σύνολο διακεκριµένων σηµείων µε γνωστή οριζοντιογραφική θέση και υψόµετρο, στοιχεία τα οποία µε τη χρήση µαθηµατικής συνάρτησης (µαθηµατικό µοντέλο) συνθέτουν αξιόπιστα το ανάγλυφο της επιφάνειας του εδάφους (Χατζόπουλος, 2006). Σε αυτό το σηµείο κρίνεται σηµαντικό να επισηµανθεί η διάκριση µεταξύ του ψηφιακού µοντέλου εδάφους/αναγλύφου (Digital Terrain Model/DTM ή Digital Elevation Model/DEM), το οποίο απεικονίζει αποκλειστικά την επιφάνεια του φυσικού εδάφους και του ψηφιακού µοντέλου επιφανείας (DSM/Digital Surface Model), το οποίο περιλαµβάνει επιπλέον τα δέντρα, τα κτίσµατα και τα υπόλοιπα αντικείµενα που βρίσκονται επάνω στην επιφάνεια του εδάφους (Σχήµα 45).

83 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 80 Σχήµα 45. ιαφορά µεταξύ ενός ψηφιακού µοντέλου επιφανείας (DSM, αριστερά) και του αντίστοιχου ψηφιακού µοντέλου εδάφους (DEM/DTM, δεξιά) [url2]. ηλαδή, η ουσιαστική διαφορά µεταξύ ενός DTM και ενός DSM συνίσταται στο ότι το µεν πρώτο αναπαριστά το ανάγλυφο (terrain) του εδάφους, ενώ το δεύτερο αποτελεί την αναπαράσταση της επιφάνειας (surface) του εδάφους. Η γνώση του αναγλύφου ή των µεταβολών αυτού και µάλιστα σε ψηφιακή µορφή, υπό τη µορφή ενός DTM, συνιστά απαραίτητο στοιχείο για την ανάκτηση, ενηµέρωση ή χρήση ψηφιακών βάσεων δεδοµένων για τοπογραφικούς και παράγωγους θεµατικούς χάρτες. Σε µορφή κανάβου (raster) είναι κατάλληλο για πολλαπλές χρήσεις σε περιβάλλον GIS ή λογισµικών ψηφιακής επεξεργασίας τηλεπισκοπικών δεδοµένων. Εκτός αυτού, το ανάγλυφο αποτελεί θεµελιώδες στοιχείο του γεωγραφικού χώρου. Έτσι, τα ψηφιακά µοντέλα εδάφους χρησιµοποιούνται σε ένα πλήθος ε- φαρµογών για πολιτικούς, επιστηµονικούς και στρατιωτικούς σκοπούς. Ενδεικτικά, παρατίθενται επιγραµµατικά ορισµένες από τις σηµαντικότερες χρήσεις των ΨΜΑ (Χατζόπουλος 2006, [url27] ): Υπολογισµός υψοµέτρου αναλυτικά σε οποιοδήποτε σηµείο του χάρτη. Υπολογισµός της κλίσης αναλυτικά. Αναλυτικός υπολογισµός του προσανατολισµού (aspect) της επιφάνειας του εικονοστοιχείου (pixel) σε οποιοδήποτε σηµείο του χάρτη. Αναλυτική κατασκευή µηκοτοµών σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, οι οποίες είναι συνήθως χρήσιµες σε έργα διαµόρφωσης χώρων, έργα οδοποιίας κ.λ.π. Αναλυτική κατασκευή κατά πλάτος τοµών, χρήσιµων κατά των υπολογισµό όγκου εκσκαφών σε έργα εκχωµατώσεων και επιχωµατώσεων. Αναλυτική κατασκευή ισοϋψών καµπυλών Αναλυτική κατασκευή προοπτικού περιοχής Αναλυτική κατασκευή σκιάς σε προοπτικό ή τοπογραφικό περιοχής. Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών λεκάνης απορροής οµβρίων υδάτων και επιµέρους υπολογισµοί (ταχύτητα και παροχή ύδατος,

84 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 81 διάβρωση, απόθεση, πληµµύρα κ.λ.π.). Τρισδιάστατη απεικόνιση Ανάλυση ορατότητας ιόρθωση γεωµετρικών παραµορφώσεων εξαιτίας του αναγλύφου σε δεδοµένα τηλεπισκόπησης Μοντελοποίηση των απαραίτητων ραδιοµετρικών διορθώσεων εξαιτίας του αναγλύφου σε τηλεπισκοπικές εικόνες Αυτοκαθοδήγηση µη επανδρωµένων επίγειων, ιπτάµενων και υποβρύχιων οχηµάτων Καθοδήγηση πυραύλων Όπως καθίσταται προφανές, ως φορείς της τοπογραφικής πληροφορίας, τα ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου αποτελούν πολύτιµη πηγή δεδοµένων. Έτσι, κατά περίπτωση και κυρίως ανάλογα µε τις απαιτήσεις ακρίβειας, χρησιµοποιούνται ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου από διάφορες πηγές ΠΗΓΕΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ Ε ΑΦΟΥΣ Η µοντελοποίηση του αναγλύφου από δορυφορικά δεδοµένα αποτελεί ε- νεργό πεδίο έρευνας σε θεωρητικό επίπεδο κατά τα τελευταία 30 και πλέον έτη, ενώ οι πρακτικές εφαρµογές υφίστανται για περισσότερα από 20 χρόνια, µε την εµφάνιση των πρώτων δορυφορικών συστηµάτων Τηλεπισκόπησης για πολιτική χρήση (Toutin & Gray, 2000). Μέχρι σήµερα έχουν χρησιµοποιηθεί και εξακολουθούν να χρησιµοποιούνται διάφορες µέθοδοι παραγωγής DTM, όπως είναι οι κλασικές τοπογραφικές τεχνικές, η σάρωση και ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών, η εναέρια φωτογραµ- µετρία, η χρήση στερεοσκοπικών δορυφορικών εικόνων (π.χ. Tsakiri et al., 2004), η συµβολοµετρία ραντάρ συνθετικής κεραίας (Synthetic Aperture Radar Interferometry / InSAR), η κλισιµετρία (clinometry), η πολωσιµετρία (polarimetry), καθώς και τα συστήµατα λέιζερ. Τέλος χρησιµοποιούνται, συνήθως ως συµπληρωµατικές πηγές, τα δεδοµένα των Παγκόσµιων ορυφορικών Συστηµάτων Πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSSs), όπως το Παγκόσµιο Σύστηµα Εντοπισµού Θέσης (Global Positioning System/GPS). Επίσης, η πρόοδος στην συλλογή κινηµατικών δεδοµένων GPS και στα Α- δρανειακά Συστήµατα Πλοήγησης (Inertial Navigation Systems/INS), βελτίωσαν την απόδοση της εναέριας φωτογραµµετρίας και επέτρεψαν τη χρήση συστηµάτων λέιζερ (laser scanning) (Gens, 1998). Η προτίµηση της µιας ή της άλλης µεθόδου εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τα διαθέσιµα δεδοµένα, την απαιτούµενη ακρίβεια, τις ιδιαίτερες συνθήκες της περιοχής ενδιαφέροντος, το διαθέσιµο χρόνο, την έκταση της περιοχής, το σκοπό της µελέτης, τους διαθέσιµους οικονοµικούς και ανθρώπινους πόρους και ε- ξοπλισµό.

85 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 82 Παραδείγµατος χάριν, σε περιοχές του πλανήτη, όπου δεν υπάρχουν λεπτοµερείς τοπογραφικοί χάρτες και οι ατµοσφαιρικές συνθήκες (νεφοκάλυψη) δεν επιτρέπουν τη λήψη εικόνων στο οπτικό τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος, τα δεδοµένα ραντάρ καθίστανται καταλληλότερα, καθώς η µικροκυµατική ακτινοβολία λειτουργεί µέρα και νύχτα, υπό οποιεσδήποτε σχεδόν καιρικές συνθήκες. Αντίστροφα, σε χώρες που διαθέτουν επαρκέστατη και λεπτοµερή χαρτογραφική υποδοµή (π.χ. τοπογραφικούς χάρτες 1:5.000) και µάλιστα σε ψηφιακή µορφή, προφανώς η χρήση της αποτελεί τη βέλτιστη λύση για τη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων. Καθώς η παραγωγή ψηφιακών µοντέλων εδάφους αποτελεί αντικείµενο έ- ρευνας πολλών δεκαετιών, παρατηρείται η περιοδική υπερίσχυση της µιας ή της άλλης από τις προαναφερόµενες µεθόδους, ανάλογα µε τις νέες τεχνικές, τα διαθέσιµα δεδοµένα και τα κατά καιρούς τεχνολογικά επιτεύγµατα (υπολογιστικά συστήµατα, δορυφορική και διαστηµική τεχνολογία κ.ο.κ.). Τέλος αξίζει να σηµειωθεί, ότι πέραν της περαιτέρω ανάπτυξης κάθε µεθόδου ξεχωριστά γίνονται προσπάθειες βελτιστοποίησης των αποτελεσµάτων µε το συνδυασµό περισσότερων τεχνικών και την κατάλληλη αξιοποίηση των πλεονεκτηµάτων που η κάθε µία έχει να προσφέρει (π.χ. Patias 1998, Crosetto & Crippa 1998, Crosetto & Aragues 1999, Roth et al. 2002, Schubert et al. 2004). Στη συνέχεια γίνεται µία σύντοµη περιγραφή των κυριότερων πηγών και µεθόδων παραγωγής ψηφιακών µοντέλων εδάφους, όπως αυτές απαριθµήθηκαν έως τώρα Κλασική Τοπογραφία Η χρήση κλασικών και εξελιγµένων τοπογραφικών οργάνων (θεοδόλιχα, ταχύµετρα, χωροβάτες, total stations κ.α.) και µεθόδων (ταχυµετρία, χωροστάθµηση κ.τ.λ.), καθώς και σύγχρονων οργάνων, τα οποία χρησιµοποιούν το Παγκόσµιο Σύστηµα Εντοπισµού Θέσης (Global Positioning System/GPS), αποτελεί εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας, αλλά και ιδιαίτερα χρονοβόρα µέθοδο συλλογής τρισδιάστατης πληροφορίας. Οι τεχνικές αυτές χρησιµοποιούνται κυρίως σε εφαρµογές µε πολύ υψηλές απαιτήσεις ακρίβειας, όπως είναι η κατασκευή διαφόρων τεχνικών έργων. Για την παραγωγή DEM από µετρήσεις διακριτών ση- µείων µε τις ως άνω µεθόδους απαιτείται η εφαρµογή αλγορίθµων παρεµβολής Ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών Οι υπάρχοντες τοπογραφικοί χάρτες εξακολουθούν να αποτελούν σηµαντική πηγή δηµιουργίας DEM, καθώς παρέχουν τις απαραίτητες µορφολογικές λεπτοµέρειες για την αναπαράσταση του αναγλύφου. Συνήθως, ψηφιοποιούνται οι ισοϋψείς καµπύλες και τα τριγωνοµετρικά σηµεία (Σχήµα 46), ενώ απαιτείται η

86 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 83 εφαρµογή µεθόδων παρεµβολής για τον υπολογισµό των υψοµέτρων ανάµεσα στις ισοϋψείς. Σχήµα 46. Παράδειγµα ψηφιοποιηµένων ισοϋψών καµπύλών. Αν και µεγάλος αριθµός αλγορίθµων παρεµβολής έχει αναπτυχθεί, η αξιοπιστία των αρχικών δεδοµένων αναπόφευκτα µειώνεται, ανεξάρτητα από τη µέθοδο της επεξεργασίας (Gens, 1998) Εναέρια φωτογραµµετρία Η εναέρια φωτογραµµετρία χρησιµοποιώντας τη µέθοδο της δέσµης (bundle block adjustment) αποτελεί την κλασική τεχνική παραγωγής DEM και χρησι- µοποιείται εδώ και δεκαετίες (Σχήµα 47). Στηρίζεται στις βασικές αρχές του αεροτριγωνισµού (aerial triangulation/aerotriangulation), για τον προσδιορισµό των συντεταγµένων σηµείων του εδάφους στις τρεις διαστάσεις. Η µετάβαση από τα αναλογικά στα αναλυτικά όργανα, η εισαγωγή νέων παραµέτρων για τη διόρθωση των συστηµατικών παραµορφώσεων, καθώς και οι δυνατότητες της ψηφιακής φωτογραµµετρίας βελτίωσαν σηµαντικά την ακρίβεια της µεθόδου. Οι εξελίξεις αυτές οδήγησαν στην ανάπτυξη προηγµένων λογισµικών φωτογραµµετρίας για την εφαρµογή της µεθόδου της δέσµης (Gens, 1998).

87 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 84 Σχήµα 47. Γεωµετρία της µεθόδου της δέσµης στην εναέρια φωτογραµµετρία (Gens, 1998) Στερεοσκοπία δορυφορικών οπτικών εικόνων Οι τεχνικές οπτικής στερεοσκοπίας από το διάστηµα βασίζονται γενικά σε εικόνες γραµµικών σαρωτών (line scanner images), οι οποίες είτε λαµβάνονται κατά τη διάρκεια δύο διαφορετικών διελεύσεων του δορυφόρου (dual pass stereo) ή σε µία διέλευση (single pass ή along track stereo). Στην πρώτη περίπτωση απαιτείται το σύστηµα να έχει τη δυνατότητα µεταβολής της κλίσης του, ώστε να καλύψει την ίδια περιοχή σε δύο διαφορετικές ηµεροµηνίες, δίνοντας παράλληλα µία κατάλληλη τιµή του λόγου βάσης/ύψους (base/height ratio) για την παραγωγή DEM. Παραδείγµατος χάριν, οι παγχρωµατικοί αισθητήρες των δορυφόρων SPOT (Σχήµα 48) και των δορυφόρων IRS-1C/1D διαθέτουν τέτοιες δυνατότητες. Ο πρώτος (1993) διαστηµικός σαρωτής µε δυνατότητες στερεοσκοπίας µονής διέλευσης ήταν ο Γερµανικός MOMS-02 (Modular Optoelectronic Multispectral Scanner) (Σχήµα 49), ο οποίος χρησιµοποιήθηκε ως τεχνολογικό πείραµα (Roth et al., 2002). Αργότερα, εµφανίστηκαν περισσότερο εξελιγµένα συστήµατα, όπως αυτά των δορυφόρων SPOT-5/HRS (2002), IRS-P5 (Cartosat-1) (2005), ALOS/PRISM (2006), ενώ πολύ πρόσφατα δηµιουργήθηκε το παγκόσµιο ψηφιακό µοντέλο GDEM, από εικόνες ASTER, για το οποίο γίνεται ιδιαίτερη αναφορά σε επόµενη παράγραφο ( 6.7).

88 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 85 Σχήµα 48. Λήψη στερεοσκοπικών εικόνων σε δύο διελεύσεις του δορυφόρου SPOT [url27]. Σχήµα 49. Λήψη στερεοσκοπικών εικόνων σε µία διέλευση από τον αισθητήρα MOMS-02 (Gens, 1998).

89 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM Τεχνικές ραντάρ Τα δεδοµένα ραντάρ συνθετικής κεραίας (Synthetic Aperture Radars/SARs), κυρίως σε ψηφιακή µορφή, µπορούν να υποστούν επεξεργασία µε διάφορες µεθόδους, όπως κλισιµετρία, στερεοσκοπία, συµβολοµετρία, πολωσιµετρία, χρησι- µοποιώντας τα διαφορετικά χαρακτηριστικά των αισθητήρων και των εικόνων (γεωµετρία, ραδιοµετρία, φάση). Αν και οι περισσότερες από τις παραπάνω τεχνικές προτάθηκαν αρκετά νωρίς, η περιορισµένη διαθεσιµότητα δεδοµένων και σχετικής τεχνολογίας περιόρισε την εξέλιξή τους συγκριτικά µε την «παραδοσιακή» φωτογραµµετρία. Έτσι, η εξέλιξή τους αποτέλεσε συνάρτηση της ερευνητικής δραστηριότητας στους τοµείς της µοντελοποίησης φυσικών παραµέτρων και της επεξεργασίας δεδοµένων (Toutin & Gray, 2000). Η «στερεογραµµετρία ραντάρ» (radar stereogrammetry ή radargrammetry) είναι µία µέθοδος παρόµοια µε τη φωτογραµµετρία, που χρησιµοποιεί την ένταση του οπισθοσκεδαζόµενου σήµατος ραντάρ. Οι τεχνικές που χρησιµοποιεί είναι παρεµφερείς µε αυτές της κλασικής φωτογραµµετρίας, υπό την έννοια ότι βασίζονται στη µέτρηση της παράλλαξης ε- νός ζεύγους στερεοσκοπικών εικόνων για τον υπολογισµό του υψοµέτρου. Η σηµαντικότερη διαφορά συνίσταται στη χρήση εικόνων ραντάρ (SAR) σε αντιδιαστολή µε τις εικόνες του οπτικού φάσµατος, οι οποίες χρησιµοποιούνται στη φωτογραµµετρία (Kyarizu, 2005). Μετά από εκπαίδευση, οι εικόνες ραντάρ µπορούν να παρατηρούνται στερεοσκοπικά εξίσου εύκολα µε τις εικόνες του οπτικού φάσµατος. Οι πρώτες στερεοσκοπικές µέθοδοι εφαρµόστηκαν σε εικόνες ραντάρ κατά τη δεκαετία του 1960, οπότε και προέκυψε για πρώτη φορά ο όρος «στερεογραµµετρία ραντάρ» (La Prade, 1963), αποδεικνύοντας ότι συγκεκριµένος τρόπος λήψης «στέρεο-εικόνων» ραντάρ µπορούσε να δώσει αντίστοιχες παραλλάξεις µε αυτές που προέκυπταν από αεροφωτογραφίες. Οι εξελίξεις στα συστήµατα SAR κατά τη δεκαετία του 1980 και οι περαιτέρω έρευνες σε θεωρητικό επίπεδο επέτρεψαν τη δηµιουργία στέρεο-εικόνων ραντάρ µε εικόνες της ίδιας ή αντίθετης πλευράς λήψης (Σχήµα 50). Από την ανάλυση των παραπάνω ερευνών επιβεβαιώθηκε ότι στη δεύτερη περίπτωση (αντίθετη λήψη) το αποτέλεσµα είναι ανώτερης ποιότητας. Ωστόσο, η ποιοτικά ανώτερη αυτή γεωµετρία λήψης παρουσιάζει δυσκολία στη ανεύρεση των αντίστοιχων σηµείων στις δύο εικόνες και στη συσχέτισή τους, εξαιτίας της πολύ διαφορετικής απεικόνισης της εκάστοτε περιοχής.

90 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 87 Σχήµα 50. Παράλλαξη (p) και υψόµετρο (h) για διαφορετικούς συνδυασµούς λήψεως στέρεο-εικόνων ραντάρ. B: Βάση, H: Ύψος πτήσης, Θ 1 & Θ 2 : Γωνίες λήψεως (Toutin & Gray, 2000). Έτσι, για τη λήψη κατάλληλων στέρεο-εικόνων ραντάρ, απαιτείται συµβιβασµός µεταξύ καλής γεωµετρίας και σχετικά χαµηλών ραδιοµετρικών διαφορών, καθώς οι επιζητούµενες αυτές συνθήκες δηµιουργούν αντικρουόµενες απαιτήσεις, οι οποίες δεν µπορούν να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα κατά ιδανικό τρόπο (Toutin & Gray, 2000). Τέλος, η ικανότητα λήψης δεδοµένων υπό διαφορετικές γωνίες ορισµένων δορυφορικών συστηµάτων, όπως του Radarsat και του ENVISAT/ASAR, παρέχει σηµαντικές δυνατότητες εφαρµογών της στερεογραµµετρίας ραντάρ (Roth et al., 2002). Η συµβολοµετρία (Interferometry) των «ραντάρ συνθετικού ανοίγµατος κεραίας» (SAR), η οποία αναφέρεται συνήθως µε τα αρχικά InSAR, ή IFSAR, είναι, στην πρωτογενή της µορφή, µια τεχνική παραγωγής Ψηφιακών Μοντέλων Αναγλύφου (Digital Elevation Models/DEMs) και έχει αναπτυχθεί ραγδαία κατά την τελευταία δεκαπενταετία. Χρησιµοποιεί την πληροφορία της διαφοράς φάσης µεταξύ δεδοµένων SAR που ελήφθησαν από κεραίες (αντένες) SAR ευρι-

91 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 88 σκόµενες σε διαφορετικές θέσεις και/ή σε διαφορετικές χρονικές στιγµές (Σχήµα 51), για να σχηµατίσει συµβολογράµµατα (Interferograms) (βλ. Σχήµα 82, σελ. 123). Σχήµα 51. Βασική γεωµετρία λήψης δεδοµένων κατάλληλων για συµβολοµετρική επεξεργασία, από δορυφορικά SAR. Τα δεδοµένα (πληροφορία της φάσης) για τον ίδιο στόχο λαµβάνονται από δύο ελαφρώς διαφορετικές θέσεις (SAR 1, 2). Όπου Β είναι η βάση (βασική απόσταση/baseline). Από τα συµβολογράµµατα µπορούν να υπολογιστούν οι υψοµετρικές διαφορές στα αντικείµενα του εδάφους και τελικά να παραχθούν DEM. Η συµβολο- µετρία SAR αποτελεί εδραιωµένη τεχνική παραγωγής DEM εδώ και αρκετές δεκαετίες (Papathanassiou, 1999). Τις εφαρµογές της συµβολοµετρίας SAR στη δηµιουργία DEM χρησιµοποίησε το 2000 η διαστηµική αποστολή SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) (Farr & Kobrick 2000, Ασταρας 2010), η οποία αφιερώθηκε αποκλειστικά στη «συµβολοµετρία SAR µίας διέλευσης» (single-pass SAR interferometry), παρέχοντας τοπογραφικά δεδοµένα άνευ προηγουµένου (βλ. 6.5). Η πρόσφατη εκτόξευση (2006) του Ιαπωνικού δορυφόρου ALOS (Advanced Land Observation Satellite), του Καναδικού Radarsat-2 (2007), του Γερµανικού TerraSAR-Χ (2007), καθώς και ο προγραµµατισµός µελλοντικών αποστολών SAR σε παγκόσµιο επίπεδο αναµένεται να δώσουν νέα ώθηση στον τοµέα της συµβολοµετρίας (Μουρατίδης κ.α., 2007). Επίσης, η υλοποίηση της αποστολής TanDEM-X, µε την εκτόξευση ενός παρόµοιου µε τον TerraSAR-Χ δορυφόρο σε κατάλληλη τροχιά, αναµένεται να επιτρέψει την παραγωγή DEM µε ακρίβεια, κάλυψη και ποιότητα δίχως προηγούµενο, ξεκινώντας από το 2009 [url13].

92 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 89 Περισσότερες λεπτοµέρειες για τη συµβολοµετρία SAR παρέχονται σε επό- µενα κεφάλαια, όπου περιγράφονται διεξοδικά οι τεχνικές InSAR, οι οποίες ε- φαρµόστηκαν στην περιοχή µελέτης για την παραγωγή DEM ( 6.9) και την αναζήτηση παραµορφώσεων ( 7). Είναι γνωστό πως η σκίαση (shade) και οι σκιές (shadows) είναι φαινόµενα που µπορούν να χρησιµεύσουν στον καθορισµό του µεγέθους και του σχήµατος των αντικειµένων και ως εκ τούτου τον υπολογισµό των σχετικών υψοµέτρων σε συγκεκριµένα σηµεία. Η τεχνική της κλισιµετρίας (clinometry) ραντάρ, ως ε- πέκταση της φώτο-κλισιµετρίας (photoclinometry), η οποία αναπτύχθηκε από τον Horn (1975), βασίζεται στον υπολογισµό της τοπικής κλίσης του αναγλύφου, δεδοµένης της οπισθοσκέδασης (φωτεινότητας) κάθε εικονοστοιχείου (pixel). Εφαρµόζοντας τη µέθοδο αυτή τόσο παράλληλα όσο και κάθετα στη διεύθυνση πτήσης του δορυφόρου (Σχήµα 52) είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα ψηφιακό µοντέλο αναγλύφου από µία µόνο εικόνα SAR (Gens 1998, Toutin & Gray 2000). Σχήµα 52. Γεωµετρία της µεθόδου της κλισιµετρίας στις εικόνες ραντάρ, κάθετα στη γραµµή πτήσης. H: ύψος πτήσης, Ρ: τυχαίο σηµείο της επιφάνειας, Θ R : τοπική γωνία πρόσπτωσης στο επίπεδο που ορίζεται από την κάθετη στη διεύθυνση πτήσης και την κάθετη στο σηµείο Ρ. Αντίστοιχη γεωµετρία εφαρµόζεται παράλληλα στη διεύθυνση πτήσης (Toutin & Gray, 2000, τροποποιηµένο).

93 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 90 Η πρώτη πρακτική εφαρµογή της κλισιµετρίας ραντάρ δηµοσιεύτηκε από τον Widley (1986). Ο ίδιος ερευνητής παρουσίασε την µαθηµατική θεωρία στην οποία στηρίζεται η κλισιµετρία ραντάρ (Widley, 1984) (Gens 1998, Toutin & Gray 2000). Σε πρώτη ανάγνωση, η τεχνική φαίνεται σχετικά απλή, καθώς αφορά στην αντιστροφή της µαθηµατικής συνάρτησης που συνδέει την οπισθοσκέδαση της µικροκυµατικής ακτινοβολίας του ραντάρ µε όρους ανακλαστικότητας (albedo) και την τοπική γωνία πρόσπτωσης. Ακολούθως υπολογίζεται η τοπική κλίση από την τιµή έντασης σε κάθε σηµείο και µετατρέπεται σε σχετικό υψόµετρο για κάθε ένα εικονοστοιχείο. Παρόλα αυτά, εξαιτίας των ραδιοµετρικών ασαφειών µεταξύ της ανακλαστικότητας του αναγλύφου, της οπισθοσκέδασης του σήµατος SAR και της τοπικής γωνίας πρόσπτωσης, τα αποτελέσµατα της κλισιµετρίας ραντάρ δεν είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικά. Έτσι, παρά τα ενδιαφέροντα αποτελέσµατα στα µέσα της δεκαετίας του 1990, παραµένει µια περιθωριακή τεχνική, η οποία χρησιµοποιείται σε ειδικές περιπτώσεις, όπως για παράδειγµα σε εξωγήινο περιβάλλον ή όπου δεν υπάρχουν άλλα τοπογραφικά δεδοµένα (Toutin & Gray 2000). Η πολωσιµετρία SAR (SAR polarimetry) ασχολείται µε την λήψη, επεξεργασία και ανάλυση της πολωµένης µικροκυµατικής ακτινοβολίας. Η πόλωση (polarization) αποτελεί µία σηµαντική ιδιότητα των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων, η οποία αναφέρεται στην συµπεριφορά της ηλεκτρικής και µαγνητικής συνιστώσας, σε ένα επίπεδο κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης του κύµατος [url28]. Εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τις γεωµετρικές ιδιότητες, την ανακλαστικότητα, το σχήµα, τον προσανατολισµό των αντικειµένων στα οποία προσπίπτει η ακτινοβολία, καθώς και από τις φυσικές τους ιδιότητες όπως η υ- γρασία και η τραχύτητα. Μία από τις εφαρµογές της πολωσιµετρίας SAR περιλαµβάνει τόσο την α- πευθείας µέτρηση κλίσεων κατά τη διεύθυνση της γραµµής πτήσης (Σχήµα 53), καθώς και την εκτίµηση του υψοµέτρου (Schuler et al., 1996). Η µέθοδος στηρίζεται κατά βάση σε εµπειρικές συγκρίσεις, υποστηριζόµενες από προκαταρτικές θεωρητικές αναλύσεις, µεταξύ της τοπικής κλίσης και της µέγιστης µετάθεσης της συν-πολωσιµετρικής υπογραφής (co-polarized signature maximum shift). Επαλήθευση των παραπάνω έγινε για διάφορες γεωγραφικές περιοχές και φυσικούς στόχους της γήινης επιφάνειας, χρησιµοποιώντας διαφορετικά DEM ως αναφορά. Αν και οι δοκιµές έγιναν µόνο µε αεροµεταφερόµενα SAR στις φασµατικές ζώνες P (λ P cm) και L (λ L 15-30cm), σήµερα υ- πάρχουν και δορυφορικά συστήµατα όπως αυτά των RADARSAT-2 και ENVISAT/ASAR, τα οποία δίνουν πολωσιµετρικά δεδοµένα SAR στη φασµατική ζώνη C (λ C 4-7cm).

94 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 91 Σχήµα 53. Γεωµετρία της µεθόδου της πολωσιµετρίας στις εικόνες ραντάρ. H: ύψος πτήσης, Ρ: τυχαίο σηµείο της επιφάνειας, S A : κλίση του αναγλύφου στο επίπεδο που ορίζουν η διεύθυνση πτήσης και η κατακόρυφος στο Ρ (Toutin & Gray, 2000, τροποποιηµένο). Με την πολωσιµετρία SAR µετρούνται τα στοιχεία του σύνθετου πίνακα σκεδασµού (complex scattering matrix), τα οποία αφορούν το πλάτος (ampli- tude) και τη φάση. Με βάση ένα θεωρητικό υπόδειγµα για κεκλιµένες, ελαφρώς τραχιές διηλεκτρικές επιφάνειες (Valenzuela, 1968), οι κλίσεις κατά τη διεύθυνση της γραµµής πτήσης και οι µεταθέσεις στον προσανατολισµό του µέγιστου της υπογραφής (signature-peak orientation displacements), οι οποίες προκαλούνται από τις κλίσεις αυτές, είναι ανάλογες για µία σειρά κλίσεων. Οι Schuler et al. (1993) έδειξαν για πρώτη φορά ότι οι υπολογιζόµενες κλίσεις των κυµάτων κατά µήκος της διεύθυνσης πτήσης παρήγαγαν σηµαντικές και προβλεπό- µενες µεταθέσεις στη θέση του µέγιστου της συν-πολωσιµετρικής υπογραφής (maxima of the co-polarized signature) της οπισθοσκέδασης από την επιφάνεια των ωκεανών. Έπειτα υπέθεσαν ότι µία αζιµουθιακή γωνία ενός ανοικτού ανα-

95 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 92 γλύφου (open-field terrain) προκαλούσε ανάλογη µετάθεση του µέγιστου της συν-πολωσιµετρικής υπογραφής από την οριζόντια θέση του, κατά γωνία περίπου ίση µε τη κλίση του αναγλύφου. Οι κλίσεις κατά τη διεύθυνση της γραµµής πτήσης µπορούν να υπολογιστούν από τα πολωσιµετρικά δεδοµένα SAR δίχως προηγούµενη γνώση για το ανάγλυφο. Συνδυάζοντας τα προφίλ των κλίσεων κατά τη διεύθυνση της γραµ- µής πτήσης µετρούνται τα σχετικά υψόµετρα, ενώ για τον υπολογισµό των α- πόλυτων υψοµέτρων, πρέπει να είναι γνωστό τουλάχιστον ένα υψόµετρο κατά µήκος κάθε προφίλ (Toutin & Gray, 2000) Συστήµατα λέιζερ Η µέθοδος συλλογής υψοµετρικής πληροφορίας µε συστήµατα λέιζερ αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφίας ως Laser scanning (σάρωση µε λέιζερ), Laser altimetry (αλτιµετρία) ή ως LIDAR (Light Detection And Ranging). Η ανάπτυξη αεροµεταφερόµενων συστηµάτων λέιζερ (Σχήµα 54) ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980, οπότε και τα επιτεύγµατα στις τεχνολογίες του Παγκόσµιου Συστήµατος Εντοπισµού Θέσης (Global Positioning System/GPS) και των αδρανειακών συστηµάτων πλοήγησης (Inertial Navigation Systems/ INSs) κατέστησαν δυνατό ένα τέτοιο εγχείρηµα. Γενικότερα, ο συνδυασµός ενός δέκτη GPS και ενός INS (αποτελούµενου κατά βάση από γυροσκόπια και επιταχυνσιόµετρα) συνιστά ένα ολοκληρωµένο σύστηµα υψηλής αξιοπιστίας, κατάλληλο για ένα ευρύ φάσµα γεωδαιτικών και τοπογραφικών εφαρµογών στην ξηρά, τον αέρα και τη θάλασσα. Η πρώτη προσπάθεια εφαρµογής συστήµατος LIDAR από το διάστηµα έλαβε χώρα το 2001, στα πλαίσια του προγράµµατος «Earth System Science Pathfinder» (ESSP) της NASA (Löffler et al., 2005). Στην περίπτωση ενός αεροµεταφερόµενου LIDAR (Σχήµα 54), ένας δέκτης GPS τοποθετείται σε γνωστό σηµείο εντός της περιοχής όπου πρόκειται να πραγµατοποιηθούν µετρήσεις, ενώ ένας δεύτερος δέκτης εγκαθίσταται στο αεροπλάνο µαζί µε ένα γυροσκόπιο για την καταγραφή της κίνησης του αεροσκάφους (Gens, 1998). Τα LIDAR παρέχουν τρία είδη µετρήσεων/πληροφοριών: (1) Την απόσταση από την επιφάνεια της Γης, (2) τη θέση και τον προσανατολισµό του φορέα (αεροπλάνο, ελικόπτερο κ.λ.π.) και (3) την κινηµατική τροχιά του αεροσκάφουςφορέα (Vaughan et al., 1996). Η διακριτική τους ικανότητα είναι καλύτερη των ραντάρ, εξαιτίας όµως του µικρού µήκους κύµατος που χρησιµοποιούν, δέχονται ισχυρές ατµοσφαιρικές επιδράσεις και για αυτό το λόγο η εφαρµογή τους γίνεται µόνο υπό καλές καιρικές συνθήκες (Löffler et al., 2005).

96 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 93 Σχήµα 54. Λήψη δεδοµένων από σύστηµα λέιζερ (Laser scanning system) [url29]. Τα ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου από συστήµατα LIDAR βρίσκουν αρκετές εφαρµογές σε δασώδεις περιοχές, παραλιακές ζώνες, καθώς και σε αστικό περιβάλλον (Gens, 1998). Όπως αβίαστα προκύπτει από όσα προαναφέρθηκαν, η Τηλεπισκόπηση σή- µερα συµβάλλει καθοριστικά στην παραγωγή DEM. Ιδιαίτερα δε σε περιοχές ή χώρες όπου δεν υπάρχει αξιόπιστη τοπογραφική πληροφορία ή είναι δύσκολο να αποκτηθεί, τα παραγόµενα από διαστηµικά/δορυφορικά δεδοµένα ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου αποτελούν την πλέον ενδεικνυόµενη λύση. Mε την ραγδαία ανάπτυξη της διαστηµικής τεχνολογίας και την βελτίωση των διάφορων µεθόδων, οι προερχόµενοι από «τηλεπισκοπικά» ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου τοπογραφικοί χάρτες τείνουν να αντικαταστήσουν τις άλλες πηγές υψοµετρικής πληροφορίας, τουλάχιστον για ένα µεγάλο ποσοστό των εφαρµογών ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ SRTM Εισαγωγή Το 2000, η αποστολή SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) έδωσε για πρώτη φορά ένα παγκόσµιο, υψηλής ποιότητας DEM, µε διακριτική ικανότητα ενός και τριών δευτερολέπτων της µοίρας (1 και 3 arc second), χρησιµοποιώντας την τεχνική της διαστηµικής συµβολοµετρίας ραντάρ µονής διέλευσης

97 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 94 (single-pass SAR Interferometry). Το DEM αυτό καλύπτει την επιφάνεια της Γης µεταξύ των γεωγραφικών πλατών 60 N και 57 S. Όλα τα δεδοµένα συλλέχθηκαν σε διάστηµα 11 ηµερών (11-22 Φεβρουρίου2000), χρησιµοποιώντας δύο ζεύγη κεραιών ραντάρ, τα οποία λειτουργούσαν στις φασµατικές ζώνες C και X, «φωτίζοντας» ταυτόχρονα την επιφάνεια της Γης και καταγράφοντας τα οπισθοσκεδαζόµενα σήµατα ραντάρ, πάνω στο διαστηµικό λεωφορείο Endeavour. Η αποστολή SRTM αποτέλεσε συνεργασία της NASA, του Κέντρου Αεροδιαστη- µικών Ερευνών της Γερµανίας (DLR) και της Ιταλικής ιαστηµικής (ASI). Η απόλυτη και σχετική υψοµετρική ακρίβεια του SRTM DEM δίνεται από τις προδιαγραφές ως ± 16m για το 90% των δεδοµένων και ± 6m σε τοπική (50-100Κm) κλίµακα αντίστοιχα (Farr & Kobrick 2000, Werner 2001, Rabus et al. 2003, Farr et al. 2007). Από τη στιγµή που τα δεδοµένα SRTM διατέθηκαν στην επιστηµονική κοινότητα, έγιναν γρήγορα ελκυστικά για διάφορες εφαρµογές στην Τοπογραφία (π.χ. Falorni et al. 2005, Koch & Lohmann 2000), τη Γεωµορφολογία (e.g. Guth 2003, Stock et al. 2002), τις µελέτες βλάστησης (π.χ. Kellndorfer et al., 2004), την πρόβλεψη των κυµάτων βαρύτητας (tsunamis) (e.g. Blumberg et al., 2005), αλλά και σε αστικές εφαρµογές (π.χ. Gamba et al., 2002) (Gorokhovich & Voustianiouk, 2006). Εξαιτίας της πολύ πιο οµογενούς, από οποιαδήποτε προγενέστερα παγκόσµια δεδοµένα, υψοµετρικής ακρίβειας των περίπου 15m σε γεωγραφικές µονάδες των 30m ή 90m περίπου (1arcsec/3arcsec) και της διαθεσιµότητάς τους, τα δεδοµένα SRTM, έγιναν ιδιαίτερα δηµοφιλή, ακόµα και µε µειωµένη ακρίβεια και ανάλυση, µε περιορισµούς για ορισµένες εφαρµογές (Massonnet & Elachi, 2006) ιαθέσιµες εκδόσεις Τα δεδοµένα SRTM των 3arcsec διατίθενται ελεύθερα µέσω του διαδικτύου ως επιµέρους αρχεία των 1 o x1 o, κυρίως από τη NASA [url21] και τη USGS [url22] (United States Geological Survey). Υπάρχουν δύο σειρές (εκδόσεις) δεδοµένων διαθέσιµες. Η έκδοση 1 (version 1, χάριν συντοµίας: v1) αποτελείται από τα αρχικά δεδοµένα SRTM, δεν έχει υποστεί επεξεργασία και περιέχει «προβληµατικά» σηµεία σε περιοχές χαµηλής οπισθοσκέδασης (backscatter), όπως οι υδάτινες µάζες. Η δεύτερη σειρά δεδοµένων (v2), γνωστή και ως η «τελειωµένη» έκδοση (finished version), είναι το αποτέλεσµα σηµαντικής προσπάθειας βελτίωσης των δεδοµένων και παρουσιάζει καλά καθορισµένες υδάτινες µάζες και ακτογραµµές, ενώ απουσιάζουν τα µεµονωµένα εικονοστοιχεία (pixels) µε παράλογες (πολύ υψηλές ή χαµηλές σε σχέση µε τα γειτονικά εικονοστοιχεία) τιµές, αν και ορισµένες περιοχές µε κενά δεδοµένων (data voids) εξακολουθούν να υπάρχουν. Τα κενά αυτά συνιστούν ως επί τω πλείστον υδάτινες µάζες (λί- µνες και ποταµοί), περιοχές µε χιονοκάλυψη και ορεινές περιοχές (για παρά-

98 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 95 δειγµα, τα Ιµαλάια εµφανίζουν τη µεγαλύτερη συγκέντρωση κενών δεδοµένων). Σε κάθε περίπτωση, η v2 αποτελεί ανώτερο προϊόν από τη v1 και η χρήση της προτείνεται για τους περισσότερους χρήστες [url23]. Εκτός από τις παραπάνω δύο πρωτότυπες εκδόσεις, διατίθεται από το Consultative Group on International Agricultural Research - Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI) µία εναλλακτική έκδοση (v3) των δεδοµένων SRTM, σε επιµέρους τµήµατα των 5 o x5 o. Η v3 είναι το αποτέλεσµα περαιτέρω επεξεργασίας των αρχικών δεδοµένων της NASA, µε σκοπό τη συµπλήρωση των κενών δεδοµένων µε µεθόδους παρεµβολής. Περισσότερες λεπτοµέρειες παρέχονται στη σχετική ιστοσελίδα του CGIAR [url24]. Η έκδοση v3 συνοδεύεται από ένα ε- πιπλέον αρχείο, µία «µάσκα κενών» (voids mask), η οποία δείχνει τις περιοχές των κενών της v2 που συµπληρώθηκαν στη v3. Γνωστό προβληµατικό σηµείο στη v3 αποτελεί µία µετάθεση των δεδοµένων κατά ½ εικονοστοιχείο, σε σχέση µε την v2 (Jarvis et al, 2006). Το σφάλµα αυτό εντοπίστηκε µεν, αλλά η διεύθυνση της µετάθεσης ήταν αρχικά ασαφής. Τελικά, (Αύγουστος 2008), δηµιουργήθηκε µία τέταρτη έκδοση των δεδοµένων SRTM (v4), για την εξάλειψη της παραπάνω ατέλειας Aξιολόγηση της ακρίβειας Ορισµένες προσπάθειες αξιολόγησης των δεδοµένων SRTM έλαβαν χώρα χρησιµοποιώντας διάφορα δεδοµένα αλτιµετρίας (altimetry) (Helm et al., 2002; Sun et al., 2003) και ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου (Smith & Sandwell, 2003; Jarvis et al., 2004; Muller, 2005) (Gorokhovich & Voustianiouk 2006, Bhang et al. 2007). Η πλέον εκτεταµένη προσπάθεια αξιολόγησης έγινε µε τη συλλογή, παγκοσµίως κατανεµηµένων, επίγειων σηµείων ελέγχου (Ground Control Points/GCPs), µε τη µέθοδο του κινηµατικού προσδιορισµού θέσης µε GPS (KGPS). Τα δεδοµένα συλλέχθηκαν από οχήµατα, τα οποία έφεραν δέκτες GPS. Συνολικά συλλέχθηκαν περίπου 9,4 εκατοµµύρια σηµεία σε έξι ηπείρους µε µια γενική ακρίβεια της τάξης των 50cm. Η επεξεργασία των δεδοµένων έγινε µε το λογισµικό GIPSY [url17] του Jet Propulsion Laboratory (JPL) των Η.Π.Α. Τελικά, περισσότερα από δύο εκατοµµύρια επίγεια σηµεία ελέγχου χρησιµοποιήθηκαν για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των δεδοµένων SRTM. Τη λεπτοµερή ανάλυση της ως άνω προσπάθειας, µαζί µε µια διεξοδική αξιολόγηση των τοπογραφικών δεδοµένων SRTM σε παγκόσµιο επίπεδο περιγράφουν οι Rodríguez et al. (2005). Ωστόσο, σε τοπική κλίµακα, η αξιολόγηση της υψοµετρικής ακρίβειας των δεδοµένων SRTM είναι απαραίτητη για την κατανόηση των δυνατοτήτων και των περιορισµών χρήσης αυτής της σειράς τοπογραφικών δεδοµένων για την εκάστοτε περιοχή. Εξάλλου, µία από της βασικές αρχές της Τηλεπισκόπησης είναι η ανάγκη επιβεβαίωσης των ευρηµάτων της, η λεγόµενη «υπαίθρια επαλή-

99 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 96 θευση» (ground truth), τουλάχιστον για ένα αντιπροσωπευτικό τµήµα της περιοχής µελέτης, ώστε να διασφαλιστεί η αξιοπιστία των αποτελεσµάτων (Αστάρας, 2006). Στην Ελλάδα, έλαβε χώρα µία αξιολόγηση των δεδοµένων SRTM για την Κρήτη, βασισµένη σε τοπογραφικούς χάρτες 1: , από τους Miliaresis & Paraschou (2005), καταλήγοντας στο συµπέρασµα ότι τα δεδοµένα SRTM των 3arcsec δεν πληρούν τις προδιαγραφές ακρίβειας των 16m για την περιοχή που µελετήθηκε. Για το ίδιο νησί, µία ακόµη µελέτη από τους Nikolakopoulos et al. (2006), σύγκρινε το DEM του SRTM µε αυτό από στερεοζεύγη εικόνων TERRA/ASTER στις περιοχές του Β. Ηρακλείου και της Σητείας. Τα δεδοµένα SRTM (v1 v4) για την περιοχή µελέτης έχουν αξιολογηθεί ενδελεχώς από τους Mouratidis et al. (2010) (Πίνακας 6), καταλήγοντας ότι η έκδοση v4 είναι όντως η πλέον βελτιωµένη, καθώς, έχοντας διατηρήσει την α- κρίβεια των πρωτογενών δεδοµένων, έχει παράλληλα συµπληρώσει τις περιοχές όπου υπήρχαν κενά (voids). Ως εκ τούτου, η ν4 αποτελεί ανώτερο προϊόν από τις προηγούµενες εκδόσεις (v1-v3) και η χρήση της συνιστάται για τη συντριπτική πλειονότητα των εφαρµογών (Mouratidis et al., 2010). Πίνακας 6. Στατιστικά της αξιολόγησης των δεδοµένων SRTM από τους Mouratidis et al. (2009) και σύγκριση µε τα αντίστοιχα αποτελέσµατα των Rodríguez et al. (2005) για την Ευρασία. Η απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια των αρχικών προδιαγραφών (16m) της αποστολής SRTM ικανοποιείται πλήρως στην περιοχή µελέτης και είναι µάλιστα σηµαντικά καλύτερη (6.4m), πολύ κοντά στις τιµές που υπολογίστηκαν για την Ευρασία (6.2m) από τους Rodríguez et al. (2005) (Mouratidis et al., 2010). Έκδοση SRTM Μέγιστο Απόλυτο υψοµετρικό σφάλµα (m) Ελάχιστο Τυπική απόκλιση Rodríguez et al. (2005) Μέγιστο Σχετικό υψοµετρικό σφάλµα (m) Ελάχιστο Τυπική απόκλιση Rodríguez et al. (2005) v v v v Λεπτοµερέστερη ανάλυση της υψοµετρικής ακρίβειας για την έκδοση v4 δίνεται µε τη µορφή ιστογραµµάτων και αντίστοιχων περιγραφικών στατιστικών (Σχήµα 55).

100 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 97 Σχήµα 55. Παρουσίαση της υψοµετρικής ακρίβειας των δεδοµένων SRTM (ν4), µε τη µορφή ιστογραµµάτων και περιγραφικών στατιστικών (Mouratidis et al., 2010). Περαιτέρω αξιολόγηση των δεδοµένων v4, υποδεικνύει την µείωση της υ- ψοµετρικής ακρίβειας, µε την αύξηση της κλίσης του αναγλύφου (Σχήµα 56), η οποία αποτελεί τον πλέον κρίσιµο παράγοντα ακρίβειας (των ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου γενικότερα). Αυτό συµβαίνει καταρχήν εξαιτίας της χωρικής α- νάλυσης των δεδοµένων SRTM και των περιορισµών της ακρίβειας της συµβολοµετρίας SAR σε ορεινές περιοχές (µεγάλες κλίσεις), ενώ και η οριζοντιογραφική (αν)ακρίβεια των δεδοµένων SRTM αποκτά αυξανόµενη σηµασία, µε την αύξηση της κλίσης του αναγλύφου. Έτσι, ακόµη και σε χαµηλά υψόµετρα, µε µεγάλες όµως κλίσεις, παρατηρούνται σηµαντικά υψοµετρικά σφάλµατα (Mouratidis et al., 2010).

101 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 98 Σχήµα 56. ιακύµανση της υψοµετρικής ακρίβειας των δεδοµένων SRTM (v4) συναρτήσει της κλίσης του αναγλύφου (Mouratidis et al., 2010). Για τις ανάγκες της παρούσας µελέτης, χρησιµοποιήθηκαν τα δεδοµένα v4, τα οποία χορηγήθηκαν, λίγους µήνες πριν την επίσηµη διάθεσή τους, από τον Dr. A. Jarvis του International Center for Tropical Agriculture (CIAT), µετά από προσωπική επικοινωνία DEM ΑΠΟ ΕΙΚΟΝΕΣ SPOT ιαθεσιµότητα και ακρίβεια Στα πλαίσια ερευνητικής εργασίας στο χώρο της Μυγδονίας λεκάνης (Μουρατίδης, 2010), έλαβε χώρα η παραγωγή και αξιολόγηση DEM χωρικής ανάλυσης 20m x 20m, από στερεοζεύγος εικόνων SPOT-5/HRG. Στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά, υπό µορφή διαγραµµάτων και πινάκων, τα αποτελέσµατα της παραπάνω αξιολόγησης. Αρχικά παρατίθενται τα αποτελέσµατα του απόλυτου υψοµετρικού σφάλ- µατος (Σχήµα 57 & Πίνακας 7).

102 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 99 Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος Συχνότητα Αθροιστικό % Συχνότητα Κλάση (m) 100% 80% 60% 40% 20% 0% Σχήµα 57. Ιστόγραµµα του απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για DEM χωρικής ανάλυσης 20m x 20m, το οποίο προέκυψε από στερεοζεύγος εικόνων SPOT-5/HRG (Μουρατίδης, 2010). Πίνακας 7. Βασικά περιγραφικά στατιστικά της αξιολόγησης του απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος (Σχήµα 57) (Μουρατίδης, 2010). Μέση τιµή -0,6295 Τυπική απόκλιση 22,67 Εύρος 148 Κύρτωση -0,0079 Λοξότητα -0,0102 Ελάχιστο -73 Μέγιστο 75 Πλήθος Τέλος, δίνεται η διαφοροποίηση της ακρίβειας του εν λόγω DEM, ανάλογα µε την κλίση του αναγλύφου (Σχήµα 58).

103 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 100 Μέση απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια (m) Κλίση ( ο ) Σχήµα 58. Μέση απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια, σε σχέση µε τη διαφοροποίηση της κλίσης του αναγλύφου, για DEM χωρικής ανάλυσης 20m x 20m, το οποίο προέκυψε από στερεοζεύγος εικόνων SPOT-5/HRG (Μουρατίδης, 2010). Το DΤΜ χωρικής ανάλυσης 20m x 20m των εικόνων SPOT-5/HRG αποτυπώνει την περιοχή µελέτης µε ικανοποιητικό τρόπο, αφού η υψοµετρική του α- κρίβεια είναι καλύτερη των 30m για το 90% των δεδοµένων. Τονίζεται ωστόσο, ότι η ιδανική περίπτωση για την παραγωγή ενός DEM υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας από δεδοµένα SPOT, είναι η απόκτηση εικόνων SPOT-5/HRS, µε πρακτικά µηδενικές ραδιοµετρικές διαφορές (καθώς τα δεδοµένα συλλέγονται ταυτόχρονα) και βέλτιστη γεωµετρία, σε συνδυασµό µε την υψηλή διακριτική ικανότητα και τη χωρική κάλυψη που παρέχουν. Οι επίσηµες προδιαγραφές για το ιδανικό αυτό DEM δίνουν οριζοντιογραφική ακρίβεια στα επίπεδα των 5m και αντίστοιχη απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια που κυµαίνεται, ανάλογα µε την κλίση, µεταξύ 10m και 30m. Η σχετική οριζοντιογραφική ακρίβεια φτάνει τα 8m, ενώ η σχετική υψοµετρική ακρίβεια κυµαίνεται από 5m έως 28m [url25]. Η ύπαρξη επίγειων σηµείων ελέγχου µπορεί να βελτιώσει τις παραπάνω τιµές - το κατά πόσο, εξαρτάται κυρίως από την ποσότητα και ποιότητα των σηµείων. Ωστόσο, οι εικόνες HRS δεν διατίθενται από την εταιρία, η οποία τις προωθεί, παρά µόνο ως τελικό προϊόν (DEM) υψηλού κόστους (2,3 /Km 2 ) και ελάχιστης παραγγελίας 3.000Km 2, η οποία συνεπάγεται δαπάνη της τάξεως των [url25] (Μουρατίδης, 2010).

104 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM ΥΨΟΜΕΤΡΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ GDEM ιαθεσιµότητα Το πλέον πρόσφατο (Ιούνιος 2009) παγκόσµιο ψηφιακό µοντέλο αναγλύφου, το οποίο παράχθηκε µε τη µέθοδο της στερεοσκοπίας δορυφορικών εικόνων ASTER, είναι το ASTER-GDEM [url30] (ASTER Global Digital Elevation Model) (Σχήµα 59) και πρόκειται για µία συνεργασία του Υπουργείου Οικονοµίας, Εµπορίου και Βιοµηχανίας της Ιαπωνίας (METI) και της NASA. Σχήµα 59. Το (σχεδόν) παγκόσµιο ψηφιακό µοντέλο αναγλύφου ASTER-GDEM [url30]. Το GDEM καλύπτει τη γήινη επιφάνεια µεταξύ 83 N και 83 S και αποτελείται από επιµέρους τµήµατα των 1 x1, καθένα από τα οποία περιέχει τουλάχιστον 0.01% ξηράς. Χρησιµοποιεί γεωγραφικές συντεταγµένες (WGS84/EGM96) και έχει µέγεθος εικονοστοιχείου 1 arc-second ( 30mx30m). Η υψοµετρική του ακρίβεια εκτιµάται στα 20m (95% επίπεδο εµπιστοσύνης), ενώ η οριζοντιογραφική του ακρίβεια υπολογίζεται στα 30m (95% επίπεδο εµπιστοσύνης). Το GDEM αποτελεί ένα ακόµα παράδειγµα συµβολής της Τηλεπισκόπησης στην παραγωγή τοπογραφικών δεδοµένων υψηλής ποιότητας σε παγκόσµιο επίπεδο. Μάλιστα είναι βελτιωµένο όσον αφορά στη παγκόσµια χωρική κάλυψη (99%) αλλά και στη χωρική του ανάλυση (30m παντού), σε σχέση µε τα δεδο- µένα SRTM. Αν και η ονοµαστική υψοµετρική και οριζοντιογραφική του ακρίβεια είναι κατώτερη του SRTM, το GDEM αναµένεται να έχει ευρεία χρήση ανά την υφήλιο, για πολυάριθµες εφαρµογές και να τύχει της ίδιας αξιοποίησης µε το SRTM από την επιστηµονική κοινότητα, αφού η διάθεσή του είναι δωρεάν και

105 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 102 γίνεται µέσω του διαδικτύου Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS Όπως αναφέρθηκε σε προηγούµενο κεφάλαιο ( 5.4.3), από τις διαδικασίες «φιλτραρίσµατος» των σηµείων KGPS, τα διαθέσιµα σηµεία µειώθηκαν σε Με επιπλέον περιορισµό των σηµείων σε αυτά που αντιστοιχούν στην περιοχή κάλυψης του GDEM, ο αριθµός τους µειώθηκε σε Τέλος, για να καλυφθεί η περίπτωση, όπου σε ένα εικονοστοιχείο του GDEM αντιστοιχούν περισσότερες από µία µετρήσεις KGPS, υπολογίστηκε ο µέσος όρος των υψοµέτρων σε ακτίνα που αντιστοιχεί στο µέγεθος του εικονοστοιχείου του GDEM (Σχήµα 60). Κατά αυτόν τον τρόπο αφενός οι αξιολογήσεις των εικονοστοιχείων είναι ισοβαρείς στη συνολική αξιολόγηση του DEM και α- φετέρου οµαλοποιούνται πιθανά προβληµατικές µετρήσεις KGPS, οι οποίες ενδεχοµένως (µε πολύ µικρή πιθανότητα) δεν εντοπίστηκαν σε προηγούµενα στάδια φιλτραρίσµατος ( 5.4.3). Μετά τις παραπάνω διαδικασίες, οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν στο περιβάλλον του ArcGIS (ArcMap, ArcToolbox) ο τελικός αριθµός των διαθέσιµων σηµείων για την αξιολόγηση του GDEM, ανήλθε σε Σχήµα 60. Υπολογισµός του µέσου όρου των υψοµέτρων από τις µετρήσεις KGPS, σε α- κτίνα που αντιστοιχεί σε ένα εικονοστοιχείο του DEM των δεδοµένων GDEM ( 30m x 30m).

106 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 103 Η σύγκριση υψοµετρικών δεδοµένων από ένα DΕΜ µορφής κανάβου (raster), όπως είναι το GDEM, µε δεδοµένα GPS διανυσµατικής µορφής (vector format) σε περιβάλλον GIS, απαιτεί τη µετατροπή των δύο σειρών δεδοµένων στην ίδια τοπολογική µορφή. Για το σκοπό αυτό είναι δυνατό να ακολουθηθούν δύο διαδικασίες: είτε η µετατροπή του DEM σε διανυσµατική µορφή ή ο µετασχηµατισµός των δεδοµένων GPS σε µορφή κανάβου. Οι δύο παραπάνω διαδικασίες µπορούν εύκολα να επιτευχθούν στο περιβάλλον του ArcGIS (Spatial Analyst). Ωστόσο, στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε η πρώτη προσέγγιση, καθώς η διανυσµατική µορφή κρίθηκε περισσότερο εύχρηστη. Η εκτίµηση της υψοµετρικής ακρίβειας του GDEM, όπως άλλωστε και όλων των υπολοίπων διαθέσιµων DEM, έγινε µε την αφαίρεση των τιµών υψοµέτρου κάθε εικονοστοιχείου του DEM, από την τιµή που προέκυψε από τα αντίστοιχα δεδοµένα KGPS (ή, κατά περίπτωση, από το µέσο όρο των µετρήσεων KGPS, οι οποίες αντιστοιχούν σε κάθε εικονοστοιχείο του εκάστοτε DEM). Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων αξιολόγησης του GDEM παρουσιάζεται µε τη µορφή ιστογράµµατος (Σχήµα 61) και αντίστοιχων περιγραφικών στατιστικών (Πίνακας 8) του σφάλµατος που προέκυψε από την παραπάνω α- φαίρεση. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος Συχνότητα Αθροιστικό % % Συχνότητα % 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Κλάση (m) Σχήµα 61. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το GDEM.

107 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 104 Πίνακας 8. Βασικά περιγραφικά στατιστικά της αξιολόγησης του απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το GDEM. Μέση τιµή 11,5199 Τυπική απόκλιση 4,94 Κύρτωση 2,3886 Λοξότητα -0,3844 Εύρος 58 Ελάχιστο -16 Μέγιστο 42 Πλήθος Η σηµαντική αρνητική τιµή λοξότητας (-0,3844) υποδεικνύει, ότι το GDEM παρουσιάζει σαφή τάση υποτίµησης των υψοµέτρων και ως εκ τούτου η µέση τιµή είναι µετατοπισµένη προς τα δεξιά, σε σχέση µε την τιµή µηδέν (περίπτωση κανονικής κατανοµής). Ωστόσο, η τιµή της µέσης τιµής ( 11m) και η τυπική απόκλιση (±5m περίπου) από αυτήν προσδίδουν αξιοπιστία στα δεδοµένα GDEM. Όσον αφορά στην υψοµετρική ακρίβεια του GDEM, συναρτήσει της κλίσης του αναγλύφου, έχει ως εξής (Σχήµα 62): Μέση απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια (m) Κλίση ( ο ) Σχήµα 62. ιακύµανση της µέσης απόλυτης υψοµετρική ακρίβειας, συναρτήσει της κλίσης του αναγλύφου, για το GDEM.

108 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM DEM ΑΠΟ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΧΑΡΤΩΝ Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS Στα πλαίσια των αξιολογήσεων των διαφόρων ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου, θα ήταν παράλειψη να µην συµπεριληφθεί η αξιολόγηση του DEM, το οποίο παράχθηκε, από τα ψηφιοποιηµένα δεδοµένα των τοπογραφικών χαρτών κλίµακας 1:50.000, σε περιβάλλον GIS ( 4.4.1). Το DEM αυτό, χάριν συντοµίας, θα αναφέρεται στο εξής ως «DEM-GIS». Ακολουθώντας τις ίδιες διαδικασίες, όπως και κατά την αξιολόγηση του GDEM µε τα δεδοµένα KGPS, προέκυψαν οι αντίστοιχες πληροφορίες για την απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια (Σχήµα 63 & Πίνακας 9) και την σχέση της µε την κλίση του αναγλύφου (Σχήµα 64), για το DEM-GIS. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος Συχνότητα Αθροιστικό % Συχνότητα ,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00%,00% Κλάση (m) Σχήµα 63. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το DEM, το οποίο προέκυψε από την ψηφιοποίηση των τοπογραφικών χαρτών κλίµακας 1:50.000, σε περιβάλλον GIS («DEM-GIS»). Πίνακας 9. Βασικά περιγραφικά στατιστικά της αξιολόγησης του απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το DEM-GIS. Μέση τιµή -3,5 Τυπική απόκλιση 6,65 Κύρτωση 1,1875 Λοξότητα 0,4690 Εύρος 76 Ελάχιστο -40 Μέγιστο 36 Πλήθος 13387

109 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 106 Όπως φανερώνει η θετική τιµή λοξότητας (0,4690) και η µετατοπισµένη προς αριστερά, σε σχέση µε τo µηδέν (περίπτωση κανονικής κατανοµής), µέση τιµή (-3,5m), το DEM-GIS παρουσιάσει µια τάση υπερτίµησης των πραγµατικών υψοµέτρων, η οποία ενδεχοµένως να οφείλεται στον τρόπο παραγωγής του από το εργαλείο «topogridtool» του ArcGIS. H ακρίβεια των -3,5m ± 6,65m βρίσκεται στα αναµενόµενα πλαίσια, λαµβάνοντας υπόψη την κλίµακα (1:50.000) και την ισοδιάσταση (20m) των τοπογραφικών χαρτών, οι οποίοι αποτέλεσαν την πηγή των αρχικών δεδοµένων για την παραγωγή του DEM-GIS. Μέση απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια (m) 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, Κλίση ( ο ) Σχήµα 64. Μεταβολή της µέσης απόλυτης υψοµετρικής ακρίβειας, σε σχέση µε τη διαφοροποίηση της κλίσης του αναγλύφου, για το DEM-GIS IΝSAR DEM ΑΠΟ Ε ΟΜΕΝΑ ERS\TANDEM Εισαγωγή και δεδοµένα Όπως σύντοµα αναφέρθηκε στο παρόν κεφάλαιο ( 6.4.5) και όπως θα περιγραφεί αναλυτικότερα σε επόµενη παράγραφο ( 7), η συµβολοµετρία SAR είναι καταρχήν µία τεχνική καθαρά τοπογραφική, αφού πρωτογενώς χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου, µε την αξιοποίηση των δεδοµένων της φάσης του σήµατος SAR. Στην τυπική λοιπόν εφαρµογή της συµβολοµετρίας SAR, ένας πλήρης κροσσός συµβολής (fringe) (βλ ), αντιστοιχεί σε αυτό που ονοµάζεται «ύψος ασάφειας» (height/altitude of ambiguity), το οποίο προσδιορίζεται για κάθε συµβολοµετρικό ζεύγος από τη σχέση (Barbieri & Lichtenegger, 2005):

110 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 107 σταθ. A = Bperp όπου: Α: το ύψος ασάφειας σταθ.: σταθερά που εξαρτάται από το ύψος πτήσης/τροχιάς του (για τους δορυφόρους ERS και ENVISAT: σταθ. = 9080) Βperp: η κάθετη απόσταση (βάση) µεταξύ των δύο λήψεων Η ιδανική τιµή κάθετης απόστασης για την παραγωγή DEM κυµαίνεται µεταξύ 100m και 300m. Μικρότερες τιµές (από τα 100m) προκαλούν σηµαντικά σφάλµατα εξαιτίας της αστάθειας της φάσης και ατµοσφαιρικών επιδράσεων, ενώ µεγαλύτερες τιµές (περισσότερο από 600m) οδηγούν σε γεωµετρική αποσυσχέτιση του σήµατος SAR και επακόλουθα προβλήµατα κατά το στάδιο του «ξεδιπλώµατος της φάσης» (phase unwrapping) (βλ ) (Barbieri & Lichtenegger, 2005). Στην παρούσα εργασία, για την παραγωγή DEM, ήταν αρχικά διαθέσιµα πέντε ζεύγη εικόνων ERS της περιόδου tandem, κατά την οποία οι δορυφόροι ERS-1 και ERS-2 λάµβαναν εικόνες της ίδιας περιοχής µε διαφορά 24h. Για το συµβολοµετρικό ζεύγος δεδοµένων ERS-1 & ERS-2 (25/03/96-26/03/96), το οποίο τελικά επιλέχθηκε ως το βέλτιστο (από τα διαθέσιµα) για την παραγωγή του DEM, το ύψος ασάφειας είναι Α 95m (σταθ.=9080, Βperp 96m). ηλαδή κάθε κροσσός συµβολής αντιπροσωπεύει µεταβολή υψο- µέτρου κατά 100 περίπου µέτρα. Η παραγωγή του DEM έγινε µε τη χρήση της εφαρµογής IMAGINE InSAR του λογισµικού Erdas Imagine, ενώ βοηθητικά στοιχεία, όπως π.χ. η ακριβής τιµή της κάθετης βάσης, η συνάφεια (coherence) της φάσης και η αναµενόµενη ποιότητα του συµβολογράµµατος, ελήφθησαν και από το λογισµικό ROI_PAC Ανάκτηση και εγγραφή εικόνων Το πρώτο βήµα ήταν η εισαγωγή των δύο εικόνων στο λογισµικό (Σχήµα 65). Ακολούθως, έλαβε χώρα η σχετική εγγραφή των δύο εικόνων, µε ακρίβεια καλύτερη του ενός εικονοστοιχείου (sub-pixel accuracy), χρησιµοποιώντας µεθόδους αυτόµατης συσχέτισης (Σχήµα 66).

111 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 108 Σχήµα 65. Εισαγωγή των δύο εικόνων ERS στο λογισµικό. Σχήµα 66. Σχετική εγγραφή των δύο εικόνων ERS µεταξύ τους Επιλογή περιοχής ενδιαφέροντος και DEM αναφοράς Ως προαιρετική επιλογή, δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να περιορίσει την περιοχή για την οποία θα παραχθεί το DEM, ορίζοντας ένα υποσύνολο (subset) του χώρου των χρησιµοποιούµενων εικόνων (Σχήµα 67).

112 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 109 Σχήµα 67. Επιλογή της περιοχής ενδιαφέροντος, για την οποία θα παραχθεί το τελικό DEM. Εφόσον είναι διαθέσιµο, µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί κάποιο DEM α- ναφοράς, ώστε να διευκολυνθεί το ξεδίπλωµα της φάσης ( 6.9.5), ιδιαίτερα σε ορεινές περιοχές. Στην προκειµένη περίπτωση χρησιµοποιήθηκαν τα δεδοµένα SRTM (v4), µεγέθους ψηφίδας 3arcsec. Σχήµα 68. Προαιρετική επιλογή DEM αναφοράς Υπολογισµός και φιλτράρισµα συµβολογράµµατος Ο υπολογισµός του συµβολογράµµατος αποτελεί τον πυρήνα της µεθόδου InSAR (Σχήµα 69). Στο ίδιο βήµα, δίνεται η εντολή στο λογισµικό να εφαρµόσει

113 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 110 κάποιο είδος αποµάκρυνσης του θορύβου (φιλτράρισµα συµβολογράµµατος). Σχήµα 69. Υπολογισµός του συµβολογράµµατος και αυτόµατη εφαρµογή φίλτρου. Το συµβολόγραµµα που προέκυψε ήταν σε πρώτη ανάγνωση αρκετά ικανοποιητικό (Σχήµα 70). Σχήµα 70. Συµβολόγραµµα από δεδοµένα ERS-1 & ERS-2 (25/03/96-26/03/96) της ευρύτερης περιοχής µελέτης. Σε αυτό το σηµείο, για να καταστεί σαφής η διαφορά µεταξύ ενός «καλού» και ενός «κακού» συµβολογράµµατος, δίνεται επιπλέον ένα παράδειγµα συµβολογράµµατος, το οποίο προέκυψε από ένα άλλο ζεύγος των διαθέσιµων δεδοµέ-

114 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 111 νων tandem (Σχήµα 71). Σχήµα 71. Παράδειγµα «κακής ποιότητας» συµβολογράµµατος από δεδοµένα ERS-1 & ERS-2 (tandem mission, 24/07/95-25/07/95) της ευρύτερης περιοχής µελέτης. Οι ισχυρές ατµοσφαιρικές µεταβολές µεταξύ των λήψεων των δύο εικόνων (24h), καθιστούν το συγκεκριµένο ζεύγος ακατάλληλο για την παραγωγή DEM. Η συµφωνία του «καλού» συµβολογράµµατος µε το πραγµατικό τοπογραφικό ανάγλυφο φαίνεται καλύτερα, µε την υπέρθεση των ισοϋψών καµπυλών από τοπογραφικούς χάρτες, πάνω στο συµβολόγραµµα (Σχήµα 72). Σχήµα 72. Υπέρθεση των ισοϋψών καµπυλών (ισοδιάσταση 100m), από τοπογραφικό χάρτη κλίµακας 1: , πάνω στο συµβολόγραµµα, κάθε χρωµατικός κύκλος του οποίου αντιστοιχεί σε 100m υψοµετρικής µεταβολής. Η γενική συµ-

115 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 112 συµφωνία µεταξύ των δύο πηγών υψοµετρικής πληροφορίας είναι προφανής Ξεδίπλωµα της φάσης - παραγωγή του DEM Μέχρι και το προηγούµενο στάδιο επεξεργασίας, η πραγµατική τιµή (ή γωνία) της φάσης (βλ. Σχήµα 81, σελ. 121 & Σχήµα 82, σελ. 123) δεν είναι απολύτως γνωστή, αλλά κυµαίνεται µεταξύ 0 και 2π και το συµβολόγραµµα χαρακτηρίζεται ως «διπλωµένο» (wrapped). Έτσι, ενώ είναι γνωστό, ότι το υψόµετρο µεταβάλλεται κατά µία σταθερή ποσότητα (στην προκειµένη περίπτωση 100m) για κάθε κροσσό συµβολής (χρωµατικό κύκλο), δεν µπορούν ωστόσο να υπολογιστούν επιµέρους τιµές ε- ντός εκάστου κροσσού συµβολής, µέχρις ότου «ξεδιπλωθεί» το συµβολόγραµ- µα. Για να προκύψουν οι πραγµατικές τιµές της φάσης, θα πρέπει να προστεθεί σε κάθε εικονοστοιχείο ο σωστός αριθµός ακέραιων κύκλων (2kπ) της φάσης. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται «ξεδίπλωµα της φάσης» (phase unwrapping) και το προκύπτον συµβολόγραµµα «ξεδιπλωµένο συµβολόγραµµα» (unwrapped interferogram) (Σχήµα 73). Σχήµα 73. Η έννοια του ξεδιπλώµατος της φάσης (phase unwrapping) του σήµατος SAR. Το ζήτηµα του ξεδιπλώµατος της φάσης, στη θεωρητική περίπτωση ενός τέλειου συµβολογράµµατος (µέγιστη συνάφεια της φάσης, µηδενικός θόρυβος), δεν είναι δύσκολο να επιλυθεί. Στην πράξη ωστόσο, υπάρχουν αρκετά προβλή- µατα που πρέπει να αντιµετωπιστούν και για αυτόν το λόγο το ξεδίπλωµα της φάσης αποτελεί ένα ενεργό πεδίο έρευνας, πέρα από τις εικόνες ραντάρ. Πρόσθετα στοιχεία σχετικά για το θέµα αυτό δίνονται στο ειδικό κεφάλαιο περί συµβολοµετρίας (βλ ). Εν προκειµένω, το ξεδίπλωµα της φάσης του συµβολογράµµατος (Σχήµα 74) και ο υπολογισµός των υψοµέτρων (Σχήµα 75) ήταν τα τελευταία στάδια της επεξεργασίας για την παραγωγή του τελικού DEM.

116 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 113 Σχήµα 74. Στιγµιότυπο από το στάδιο του ξεδιπλώµατος της φάσης. Σχήµα 75. Το τελευταίο βήµα για την παραγωγή του DEM: υπολογισµός των υψοµέτρων. Για την εξυπηρέτηση των συγκρίσεων, το τελικό, παραγόµενο µε τη µέθοδο InSAR, DEM, περιλαµβάνει την ίδια περιοχή που καλύπτεται από τα υπόλοιπα διαθέσιµα DEM και για την οποία έλαβαν χώρα οι µετρήσεις KGPS, ώστε να γίνει η αξιολόγηση των υψοµετρικών αυτών δεδοµένων.

117 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM Αξιολόγηση της ακρίβειας µε τα δεδοµένα KGPS Ακολουθώντας αντίστοιχες διαδικασίες µε αυτές που έχουν περιγραφεί για τα υπόλοιπα DEM, έλαβε χώρα η αξιολόγηση του InSAR DEM, αναφορικά µε την υψοµετρική του ακρίβεια (Σχήµα 76 & Πίνακας 10) και τη διακύµανσή της σε σχέση µε την κλίση του αναγλύφου (Σχήµα 77), χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα KGPS. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος Συχνότητα Αθροιστικό % Συχνότητα % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Κλάση (m) Σχήµα 76. Ιστόγραµµα απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το InSAR DEM. Πίνακας 10. Βασικά περιγραφικά στατιστικά της αξιολόγησης του απόλυτου υψοµετρικού σφάλµατος για το InSAR DEM. Μέση τιµή 0,1722 Τυπική απόκλιση 21,78 Εύρος 136 Κύρτωση -0,4924 Λοξότητα 0,3850 Ελάχιστο -49 Μέγιστο 87 Πλήθος 13206

118 6. ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ DEM 115 Μέση απόλυτη υψοµετρική ακρίβεια (m) Κλίση ( ο ) Σχήµα 77. ιακύµανση της µέσης απόλυτης υψοµετρικής ακρίβειας, συναρτήσει της κλίσης του αναγλύφου, για το InSAR DEM. H ακρίβεια (τυπική απόκλιση) των ±22m περίπου κρίνεται αρκετά ικανοποιητική για το σύνολο της έκτασης που µελετήθηκε. Αξίζει να σηµειωθεί, πως αν εφαρµοστεί η τεχνική InSAR για επιµέρους τµήµατα της θεωρούµενης περιοχής µελέτης, τότε το αποτέλεσµα µπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω. Ακόµη, παρατηρείται σηµαντική αύξηση του σφάλµατος για κλίσεις µεγαλύτερες των 19 ο - 20 ο, όπως ακριβώς συµβαίνει και µε τα δεδοµένα SRTM, τα οποία επίσης προέρχονται από την τεχνική InSAR. Βεβαίως η ποιότητα των δεδοµένων SRTM είναι σαφώς ανώτερη, καθώς προέρχονται από δεδοµένα τα οποία ελήφθησαν ταυτόχρονα (συµβολοµετρία µίας διέλευσης) και συνεπώς πολλά προβλήµατα, όπως η αποσυσχέτιση της φάσης, έχουν ελαχιστοποιηθεί.

119 7. Η ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 7.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται αρχικά µία εκτεταµένη εισαγωγή στη συµβολο- µετρία SAR (SAR Interferometry/InSAR) και στη θέση της ανάµεσα στις γεωδαιτικές τεχνικές. Στο πλαίσιο αυτό περιγράφονται οι βασικές έννοιες της τεχνικής InSAR, η ιστορία της, τα πλεονεκτήµατα, καθώς και οι τεχνικές δυσκολίες και οι περιορισµοί κατά την εφαρµογή της. Ακολούθως, δίνεται µία συνοπτική περιγραφή προχωρηµένων µεθόδων InSAR (PS, SBAS), παρουσιάζονται ορισµένα παραδείγµατα εφαρµογών και συζητώνται οι προοπτικές της τεχνικής InSAR συνολικά. Στη συνέχεια περιγράφονται αναλυτικά οι διαδικασίες επιλογής των δεδοµένων ENVISAT/ASAR και ERS, η συµβολοµετρική τους επεξεργασία, η εκτίµηση της συνάφειας της φάσης, το «φιλτράρισµα» των συµβολογραµµάτων και η ερµηνεία τους, µε έµφαση στην περιοχή Καλοχωρίου-Σίνδου και της Θεσσαλονίκης ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γεωδαισία Η «Γεωδαισία», ως λέξη απόλυτα ελληνική, προέρχεται από τις λέξεις «γή» και «δαίω ή δαίοµαι = µοιράζω». Στην αρχαία Ελλάδα ο όρος αναφέρεται για πρώτη φορά από τον Αριστοτέλη, ο οποίος περιγράφει τη Γεωδαισία ως την «τέχνη και επιστήµη των µετρήσεων για τη διανοµή της γης». Ένας µεταγενέστερος σύντοµος ορισµός της Γεωδαισίας δόθηκε από τον Γερµανό γεωδαίτη F. R. Helmert ( ) στα τέλη του 19 ου αιώνα, ως «η επιστήµη των µετρήσεων και της απεικόνισης της γήινης επιφάνειας», ορισµός που φαίνεται να πλησιάζει περισσότερο προς τη σηµερινή έννοια της Γεωδαισίας. Η σύγχρονη Γεωδαισία είναι η επιστήµη, η οποία ασχολείται µε τον προσδιορισµό του σχήµατος και του µεγέθους της Γης, τον προσδιορισµό συντεταγ- µένων στη γήινη επιφάνεια και στον ευρύτερο διαστηµικό χώρο, την απεικόνιση της γήινης επιφάνειας σε χάρτες, τον προσδιορισµό του γήινου πεδίου βαρύτητας και τη διαχρονική τους παρακολούθηση (Φωτίου, 2007). Ανάλογα µε τα θέµατα στα οποία δίνεται έµφαση, η Γεωδαισία χωρίζεται (Φωτίου, 2007): (α) στη Γεωµετρική Γεωδαισία, µε έµφαση στις γεωµετρικές µεθόδους και τον προσδιορισµό συντεταγµένων, (β) στη Φυσική Γεωδαισία, µε έµφαση στη µελέτη του γήινου πεδίου βαρύτητας και του γεωειδούς και (γ) στη ιαστηµική ή ορυφορική Γεωδαισία, µε έµφαση στη χρήση διαστηµικών και δορυφορικών µεθόδων.

120 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 117 Αντίθετα, το έργο της Τοπογραφίας διαφοροποιείται από εκείνο της Γεωδαισίας, ως προς το ότι ασχολείται µε τη λεπτοµερή απεικόνιση, την αποτύπωση όπως συνήθως λέγεται, περιορισµένων εκτάσεων της επιφάνειας της Γης (Βλάχος, 1987). Η σχέση µεταξύ της Γεωλογίας και της Τοπογραφίας είναι αµφίδροµη, καθώς αφενός µεν η γνώση της Γεωλογίας επιτρέπει την κατανόηση του τοπογραφικού αναγλύφου (Βλάχος, 1987) αφετέρου δε, οι γεωδαιτικές και τοπογραφικές µέθοδοι που κατ ουσία βασίζονται στην ίδια φιλοσοφία (αυτό που αλλάζει είναι κυρίως η κλίµακα παρατήρησης) έχουν άµεσες εφαρµογές στις Γεωλογικές Επιστήµες. Η Γεωδαισία έχει καθιερωθεί ως εργαλείο για τον καθορισµό των χωρικών και χρονικών µεταβολών µε ακρίβεια που, ανάλογα µε την εφαρµογή, φτάνει τα λίγα mm. Το σκεπτικό των µετρήσεων βασίζεται στον προσδιορισµό της θέσης ορισµένων σηµείων σε µία συγκεκριµένη χρονική στιγµή (t 0 ) (µηδενική εποχή/epoch) και σε επόµενες χρονικές περιόδους (t t ) ή εποχές. Με τη σύγκριση των διαφορετικών αυτών εποχών µετρήσεων, καθορίζονται το µέγεθος, η διεύθυνση και η ταχύτητα των εκάστοτε µετακινήσεων. Προϋπόθεση για την εξαγωγή ορθών αποτελεσµάτων αποτελεί η αναγνώριση και διάκριση µεταξύ των σταθερών και µη σηµείων του δικτύου των παρατηρήσεων (Niemeier & Riedel, 2006). Mετά τη Γεωλογία και τη Σεισµολογία, η Γεωδαισία είναι η τρίτη κατά σειρά επιστηµονική ειδικότητα, η οποία µελετά τους σεισµούς και συµβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση των φαινοµένων που τους συνοδεύουν (Τεκτονική Γεωδαισία). Οι γεωδαιτικές µέθοδοι παρέχουν σηµαντικά στοιχεία για τις σύγχρονες κινήσεις του φλοιού. Οι γεωδαίτες έχουν τεκµηριώσει τη διεύθυνση και τη σηµασία µικρών κινήσεων του φλοιού από επαναλαµβανόµενες µετρήσεις σταθερών σηµείων και συγκρίνοντας αλλαγές στο γραµµικό µήκος, στις γωνίες ή στα υψό- µετρα των σταθερών αυτών σηµείων. Η παραµόρφωση µιας ενεργού δοµής είναι µετρήσιµη, όταν ο ρυθµός κίνησής της (slip rate) είναι µεγαλύτερος του σφάλµατος των οργάνων παρατήρησης. Συνήθως οι κινήσεις αυτές σε µεµονω- µένα ρήγµατα είναι της τάξης των 1-10 mm/yr (Παυλίδης, 2003). Οι γεωδαιτικές/τοπογραφικές τεχνικές µετρήσεων που χρησιµοποιούνται µπορούν να διακριθούν (α) σε τεχνικές εδάφους, όπως είναι η γεωµετρική χωροστάθµηση (leveling), για τον προσδιορισµό κατακόρυφων κινήσεων και ο τριγωνισµός µε τη µέτρηση γωνιών (triangulation) ή τη µέτρηση αποστάσεων (trilateration), για τον προσδιορισµό οριζόντιων κινήσεων και (β) σε διαστηµικές τεχνικές, οι οποίες είναι (Keller & Pinter 2002, Παυλίδης 2003, ερµάνης 2005): - Η συµβολοµετρία πολύ µεγάλης βάσης (Very Long Base Interferometry / VLBI), η οποία προς το παρόν είναι η πλέον ακριβέστερη και αξιόπιστη διαστη- µική γεωδαιτική τεχνική (ακρίβεια mm). Στηρίζεται σε παρατηρήσεις µε κεραίες, της φάσης των ραδιοκυµάτων που προέρχονται από πολύ αποµακρυσµένους

121 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 118 αστέρες (εξωγαλαξιακές πηγές), τα λεγόµενα «quasars». - Η µέτρηση αποστάσεων από/προς τεχνητούς δορυφόρους, µε τη χρήση λέιζερ (Satellite Laser Ranging/SLR). - Τα παγκόσµια δορυφορικά συστήµατα πλοήγησης (Global Navigation Satellite Systems/GNSS), που έως σήµερα είναι ταυτόσηµα µε το Παγκόσµιο Σύστηµα Προσδιορισµού Θέσης (Global Positioning System/GPS), το οποίο βρίσκεται υπό τον έλεγχο των Η.Π.Α. - Η συµβολοµετρία των διαστηµικών/δορυφορικών «ραντάρ συνθετικής κεραίας» (Synthetic Aperture Radar Interferometry/SAR Interferometry). Σύµφωνα µε τους Keller & Pinter (2002), στη σύγχρονη Γεωδαισία και ειδικότερα στο νέο και ταχέως εξελισσόµενο πεδίο της Τεκτονικής Γεωδαισίας, η συµβολοµετρία SAR, αποτελεί τη νεώτερη και µία από τις πιο συναρπαστικές προσεγγίσεις. Εκτός από την παραγωγή ψηφιακών µοντέλων εδάφους (βλ και 6.9) και τη µελέτη των σεισµικών γεγονότων, η συµβολοµετρία SAR βρίσκει ε- φαρµογή στην έρευνα και παρατήρηση διάφορων άλλων γεωδυναµικών φαινο- µένων, όπως καθιζήσεις, κατολισθήσεις, ηφαιστειακή δραστηριότητα, κίνηση παγετώνων, στην παρακολoύθηση της ευστάθειας τεχνικών έργων κ.α. Περισσότερες λεπτοµέρειες για τις εφαρµογές της συµβολοµετρίας SAR δίνονται σε ιδιαίτερο κεφάλαιο ( 7.4) Γενικά περί ραντάρ - SAR Η λέξη radar αποτελεί συντοµογραφία των λέξεων «radio detection and ranging». Τα ραντάρ που δίνουν εικόνες (imaging radars) συνιστούν ενεργά συστήµατα απεικόνισης (ποµποδέκτες), δηλαδή καταγράφουν τη δική τους εκπεµπόµενη µικροκυµατική ακτινοβολία, η οποία ανακλάται στην επιφάνεια της γης. Σε σχέση µε τους παθητικούς οπτικούς δέκτες, εµφανίζουν το σηµαντικό πλεονέκτηµα, ότι δεν επηρεάζονται από τη νεφοκάλυψη και λειτουργούν γενικά ανεξαρτήτως καιρικών συνθηκών, µέρα και νύχτα. Λειτουργούν στο µικροκυµατικό τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος (Σχήµα 78), πέρα από το ορατό και το υπέρυθρο, και συγκεκριµένα σε µήκη κύµατος από 1mm έως 1m. Αξιοποιώντας το φαινόµενο Doppler, τα ραντάρ συνθετικής κεραίας (αντένας) (Synthetic Aperture Radars/SAR) αναπτύχθηκαν για να επιτύχουν καλή διακριτική ικανότητα, χρησιµοποιώντας µικρού φυσικού µήκους κεραίες και σχετικά µεγάλα µήκη κύµατος (στα οποία η ατµόσφαιρα της γης είναι σχεδόν 100% διαπερατή). Σήµερα, τα υψηλής διακριτικής ικανότητας ραντάρ απεικόνισης α- ποτελούν ουσιαστικά έννοια ταυτόσηµη µε τα SAR (Henderson & Lewis, 1998). Τα βασικά στοιχεία της γεωµετρίας ενός διαστηµικού SAR παρουσιάζονται στο Σχήµα 79.

122 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 119 Σχήµα 78. Θέση των µικροκυµάτων στο ηλεκτροµαγνητικό φάσµα. Σχήµα 79. Τυπική γεωµετρία και ορολογία που χρησιµοποιείται στα διαστηµικά SAR. Η αρχική χρήση των ραντάρ για στρατιωτικούς σκοπούς είχε ως αποτέλεσµα την κωδικοποίηση των φασµατικών τους ζωνών µε τα γράµµατα K, X, C, S, L και P, κατά σειρά αυξανόµενου µήκους κύµατος. Σήµερα, στα διαστηµικά SAR χρησιµοποιούνται ως επί το πλείστον οι φασµατικές ζώνες X, C ή L (Πίνακας 11).

123 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 120 Πίνακας 11. Βασικά χαρακτηριστικά των φασµατικών ζωνών, οι οποίες κυρίως χρησιµοποιούνται στα διαστηµικά SAR (Löffler et al, 2005). Φασµατική ζώνη Μήκος κύµατος (cm) Συχνότητα (MHz) X 2,4-3, C 3,75-7, L Βασικές αρχές της συµβολοµετρίας SAR Ένα τυπικό SAR λαµβάνει την οπισθοσκέδαση ή οπισθοδιασπορά (backscatter) των µικροκυµάτων που εκπέµπονται από την κεραία ραντάρ και ανακλώνται από την επιφάνεια του εδάφους, µετρώντας την ένταση (πλάτος/amplitude) και τη φάση (phase) του σήµατος, καθώς και το χρόνο που απαιτείται για την επιστροφή του στην κεραία του συστήµατος (Σχήµα 80). Σχήµα 80. Εκποµπή µικροκυµατικού ηλεκτροµαγνητικού παλµού και µέτρηση της έντασης, της φάσης και του χρόνου διαδροµής του σήµατος που ανακλάται και ε- πιστρέφει (οπισθοδιασπορά) στο σύστηµα SAR (πηγή: NASA [url32] ). Έτσι, το σήµα SAR (C) περιέχει δύο συνιστώσες I και Q (πραγµατικές και µιγαδικές αντίστοιχα): C = I + jq = jψ Ae Το πλάτος (A) και η φάση (ψ) δίνονται από τις σχέσεις (βλ. Σχήµα 81): = I Q και tan( ψ ) = ψ = tan ( ) A + Q I Q I

124 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 121 Σχήµα 81. Αναπαράσταση του πλάτους (amplitude) (Α) και της φάσης (phase) (ψ) του σήµατος SAR (επάνω), σε µιγαδική µορφή (κάτω) (πηγή: ESA). Όπως αναφέρθηκε και στο κεφάλαιο 6 ( 6.4.5), όπου έλαβε χώρα η παραγωγή και αξιολόγησή DEM από δεδοµένα ERS-1 & ERS-2 (περίοδος tandem), η µέθοδος της συµβολοµετρίας SAR είναι στην πρωτογενή της µορφή µια τεχνική παραγωγής ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου. Χρησιµοποιεί την πληροφορία της φάσης, από δεδοµένα SAR (βλ. Σχήµα 51, σελ. 88), για να σχηµατίσει συµβολογράµµατα (Interferograms) (Σχήµα 82), από τα οποία µπορούν να υπολογιστούν οι υψοµετρικές διαφορές των στοιχείων του εδάφους και τελικά να παραχθούν DEMs. Μία επέκταση της βασικής µεθόδου InSAR είναι η διαφορική συµβολοµετρία (Differential SAR Interferometry/DInSAR), η οποία χρησιµοποιείται για την µέτρηση παραµορφώσεων και ανεπαίσθητων µετακινήσεων του αναγλύφου και έχει προσελκύσει µεγάλο ενδιαφέρον από την πλευρά της επιστηµονικης κοινότητας. Αν και η συµβολοµετρία είναι εξ ορισµού διαφορική τεχνική (Ferretti et al., 2007), εντούτοις ο όρος «διαφορική συµβολοµετρία» έχει επικρατήσει για να περιγράψει τη χρήση εικόνων, οι οποίες έχουν ληφθεί σε διαφορετικές ηµεροµηνίες και από την όσο το δυνατόν ίδια θέση, µε σκοπό την ανίχνευση µεταθέσεων ή παραµορφώσεων (σεισµοί, καθιζήσεις, κατολισθήσεις κ.λ.π.) της γήινης επιφάνειας, έχοντας αποµακρύνει την επίδραση του τοπογραφικού αναγλύφου στη συµβολοµετρική φάση. Άλλες ορολογίες που χρησιµοποιούνται για την τεχνικής της συµβολοµετρίας, οι οποίες διαφέρουν κυρίως ως προς τη σχετική θέση των κεραιών που λαµβάνουν τα δεδοµένα (εικόνες), είναι οι εξής: (α) Συµβολοµετρία µονής διέλευσης (του δορυφόρου) (single-pass interferometry): ύο κεραίες τοποθετούνται στον ίδιο φορέα (π.χ. αεροπλάνο ή δορυφόρος) και λαµβάνουν εικόνες της ίδιας περιοχής ταυτόχρονα, υπό διαφορετικές όµως γωνίες, µε σκοπό την κατασκευή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου (Digital Elevation Models/DEMs). Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί η αποστολή SRTM (βλ. 6.5).

125 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 122 (β) Συµβολοµετρία επαναλαµβανόµενης διέλευσης (του δορυφόρου) (repeatpass interferomertry): Οι εικόνες της ίδιας περιοχής λαµβάνονται κατά τη διάρκεια διακριτών τροχιών (διελεύσεων) του δορυφόρου και συνεπώς και από διαφορετική θέση (γωνία), επιτρέποντας την παραγωγή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου, όπως και στην περίπτωση της συµβολοµετρίας µονής διέλευσης. (γ) Συµβολοµετρία κατά µήκος της τροχιάς του δορυφόρου (along-track interferometry): Χρησιµοποιώντας την πληροφορία της φάσης εικόνων, οι οποίες έχουν ληφθεί από κεραίες µε σχετική µετατόπιση κατά µήκος (παράλληλα) της τροχιάς του δορυφόρου, είναι δυνατό να µετρηθεί η ταχύτητα στόχων που πλησιάζουν ή αποµακρύνονται από το σύστηµα SAR (π.χ. ωκεάνεια ρεύµατα ή παγόβουνα), σε µία µόνο διέλευση. (δ) Συµβολοµετρία εγκάρσια στην τροχιά του δορυφόρου (across-track interferometry): Μπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου. Επιτυγχάνεται µε δύο κεραίες, οι οποίες χαρακτηρίζονται από σχετική µετατόπιση εγκάρσια (κάθετα) στην τροχιά του δορυφόρου. Τα «προϊόντα» (παράγωγα) της συµβολοµετρίας µπορούν να είναι τρία: (α) Ένας χάρτης συνάφειας (coherence map) της φάσης (β) Ένα συµβολόγραµµα (interferogram) (γ) Μία εικόνα διαφοράς της φάσης - διαφορικό συµβολόγραµµα (phase difference image - differential interferogram) Ο χάρτης συνάφειας της φάσης αποτελεί ένα µέτρο της οµοιότητας (συσχέτισης) των χρησιµοποιούµενων δεδοµένων («εικόνων» φάσης). Οι τυχόν διαφορές µπορεί να πηγάζουν από την χρονική αποσυσχέτιση (temporal decorrelation) της φάσης (π.χ. εξαιτίας της ανάπτυξης της βλάστησης) µεταξύ των δύο ηµεροµηνιών λήψης των δεδοµένων ή να οφείλονται σε γεωµετρική αποσυσχέτιση (geometrical decorrelation), λόγω πολλαπλής σκέδασης σε υψηλή βλάστηση, αλλαγών της τραχύτητας του εδάφους (π.χ. υδάτινες επιφάνειες, καλλιεργήσιµη γη ή παρουσία νέων αντικειµένων) ή υπερβολικά µεγάλης χρησι- µοποιούµενης βασικής απόστασης. Η συνάφεια της φάσης είναι τελικά εκείνη η παράµετρος, η οποία χαρακτηρίζει (ή προβλέπει) την ποιότητα του συµβολογράµµατος για κάθε ζεύγος δεδοµένων φάσης SAR. Ένα συµβολόγραµµα αποτελείται από κροσσούς (fringes), οι οποίοι αντιπροσωπεύουν έναν κύκλο 2π της φάσης και δίδουν πληροφορίες για τη διακύ- µανση του σχετικού υψοµέτρου στην απεικονιζόµενη επιφάνεια.

126 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 123 Σχήµα 82. Αριστερά: Παράδειγµα συµβολογράµµατος, όπου φαίνονται οι κροσσοί συµβολής (χρωµατικοί κύκλοι). εξιά: Κάθε ολοκληρωµένος χρωµατικός κύκλος (κόκκινο-µπλε-πράσινο) αντιστοιχεί σε µία περίοδο 2π της φάσης (Μουρατίδης κ.α., 2007). Σε µία εικόνα διαφοράς της φάσης (διαφορικό συµβολόγραµµα), οι κροσσοί σχετίζονται µε τις αλλαγές στην απόσταση των αντικειµένων (από την κεραία του SAR) της τάξης του µήκους κύµατος (π.χ. 5,66cm για τους δορυφόρους ERS). Κάθε κύκλος αντιστοιχεί σε µετατόπιση 2,8cm (περίπου το µισό του µήκους κύµατος), πάνω στη γραµµή παρατήρησης («όρασης») (Line of Sight/LoS) του SAR. Ως «γραµµή παρατήρησης» νοείται η θεωρητική ευθεία που συνδέει την κεραία του SAR και τον εκάστοτε επίγειο στόχο (Σχήµα 83). Σχήµα 83. Μέτρηση των µεταθέσεων πάνω στη γραµµή παρατήρησης (Line of Sight/LoS) του ραντάρ, µε τη µέθοδο της συµβολοµετρίας SAR.

127 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 124 Σε ένα απλό συµβολόγραµµα, µπορεί να εµφανίζονται και οι δύο τύποι κροσσών (τοπογραφία και παραµορφώσεις), ενώ στο διαφορικό συµβολόγραµ- µα η επίδραση της τοπογραφίας έχει αποµακρυνθεί, µε τη χρήση κάποιου DEM. Χρησιµοποιώντας τις παραπάνω τεχνικές, µπορούν να παραχθούν ψηφιακά µοντέλα αναγλύφου, καθώς και χάρτες παραµόρφωσης του φλοιού και να χρησιµοποιηθούν στη µελέτη ενός πλήθους µορφολογικών και γεωφυσικών διαδικασιών. Τα αποτελέσµατα που επιτυγχάνονται είναι εξαιρετικά ακριβή, εκτός από περιοχές όπου επικρατούν οι γεωµετρικές παραµορφώσεις των εικόνων SAR, όπως η «αναδίπλωση» (layover) του αναγλύφου και η σκιά (shadow), καθώς και σε περιοχές µε χαµηλή συνάφεια (coherence). Το πρώτο πρόβληµα, των γεωµετρικών παραµορφώσεων, µπορεί να µειωθεί µε τη χρήση πολλών δεδοµένων ανερχόµενης (ascending) και κατερχόµενης (descending) τροχιάς των δορυφόρων, ενώ το ζήτηµα της συνάφειας µπορεί ενδεχοµένως να επιλυθεί µε την επιλογή ενός άλλου ζεύγους δεδοµένων (Barbieri & Lichtenegger, 2005) ή την εφαρµογή προηγµένων τεχνικών συµβολοµετρίας SAR (βλ ) Ιστορία της συµβολοµετρίας SAR Η χρήση της µεθοδολογίας InSAR άρχισε στη δεκαετία του 1960, όταν οι στρατιωτικές υπηρεσίες των ΗΠΑ χαρτογράφησαν την περιοχή Darien Province (Παναµάς, Κ. Αµερική) µε τη λήψη εικόνων SLAR (Side-Looking Airborne Radars - πρόγονοι των SAR), ενώ η πρώτη δηµοσιευµένη εργασία εφαρµογών της InSAR έγινε από τους Rogers και Ingalls (1969) για την παρατήρηση της Αφροδίτης και της Σελήνης. Οι Gabriel et al. (1989) εισήγαγαν την τεχνική της «διαφορικής συµβολοµετρίας» SAR (Differential SAR Interferometry) χρησιµοποιώντας εικόνες SAR της φασµατικής ζώνης L (L-band) του δορυφόρου Seasat (Gupta, 2003). Μέχρι το 1991, οπότε και εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος ERS-1, η τεχνική δεν προχώρησε αρκετά, γιατί η συµβολοµετρία ήταν σε πρώιµο στάδιο εξέλιξης και όχι ευρέως γνωστή. Εξάλλου, οι διαθέσιµες εικόνες SAR ήταν περιορισµένες. Επίσης ένα µεγάλο βήµα µπροστά ήταν το ραντάρ SIR-C/X-SAR, το οποίο τοποθετήθηκε στο διαστηµικό λεωφορείο Columbia (1994) και κατέγραψε για πρώτη φορά συµβολοµετρικά δεδοµένα σε τρεις συχνότητες/φασµατικές ζώνες (X, C και L-band). Μετά την εκτόξευση του δορυφόρου ERS-2, το 1995, από τον Ευρωπαϊκό Οργανισµό ιαστήµατος (ESA), χρησιµοποιήθηκαν οι δύο δορυφόροι ERS (Tandem Mission), οι οποίοι έδωσαν εικόνες SAR µε διαφορά µίας ηµέρας. Τα δεδοµένα ERS-1/-2, καθώς και τα δεδοµένα µεταγενέστερων δορυφορικών συστηµάτων (π.χ. Radarsat, ENVISAT\ASAR) είχαν ως αποτέλεσµα πολλοί ερευνητές να ασχοληθούν µε τη συµβολοµετρία επαναλαµβανόµενης διέλευσης (repeat pass interferometry) σε επιχειρησιακό επίπεδο (Gupta, 2003). Ορόσηµο στην παραγωγή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου αποτελεί η απο-

128 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 125 στολή SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) (Farr & Kobrick, 2000), κατά την οποία χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος της «συµβολοµετρίας SAR µίας διέλευσης» (βλ. 6.5). Η συνέχεια των διαστηµικών αποστολών SAR, εξασφαλίστηκε µε πρωτοβουλίες και τη συµµετοχή αρκετών χωρών ανά τον κόσµο (Πίνακας 12). Πίνακας 12. ιαστηµικά συστήµατα SLAR/SAR και βασικότερα χαρακτηριστικά τους, σε αύξουσα χρονολογική σειρά (Σύνθεση από διάφορες πηγές, κυρίως: Henderson & Lewis 1998, Kramer 2002, Gupta 2003, ESA 2005). Εκτόξευση ιαστηµική Αποστολή Χώρα ή/και Υπηρεσία Φασµατική ζώνη Μέγιστη οριζόντια διακριτική ικανότητα Παγκόσµια κάλυψη (σε ηµέρες) 1978 SEASAT NASA/JPL L 25m SIR-A (space shuttle) USA/JPL L 40m SIR-B (space shuttle) USA/JPL L 25m Kosmos-1870 Russia S 20m ALMAZ-1 Russia S 10m ERS-1 ESA C 30m JERS-1 Japan L 18m SIR-C/XSAR (space NASA + DLR + shuttle) ASI Χ-C-L 25m ERS-2 ESA C 30m 35 ακύρωση αποστολής TerraSAR-L U.K. L 9m RADARSAT-1 Canada C 9m SRTM (space shuttle) NASA + DLR + ASI C-X 30m (DEM) ENVISAT/ASAR ESA C 28m ALOS/PALSAR Japan L 7m TerraSAR-X DLR X 1m RADARSAT-2 Canada C 9m COSMO-SkyMed ASI X 1m MAPSAR Brazil + DLR L 3m TanDEM-X DLR X 12m (DEM) Sentinel 1A ESA C 5m SAOCOM 1-A Argentina L 10m 16 Η τεχνική της συµβολοµετρίας SAR αποτελεί πλέον µία γεωδαιτική τηλεπισκοπική µέθοδο, συµπληρωµατική των άλλων τεχνικών, όπως είναι οι µετρήσεις µε GPS, οι µετρήσεις υψοµέτρων (αλτιµετρία) µε λέιζερ (laser altimetry), η φω-

129 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 126 τογραµµετρία και η χωροστάθµηση, παρουσιάζοντας κάποια πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα για συγκεκριµένες εφαρµογές Πλεονεκτήµατα της συµβολοµετρίας SAR Το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα της συµβολοµετρίας δεν βρίσκεται στη διακριτική ικανότητα που επιτυγχάνει, η οποία (προς το παρόν) είναι σηµαντικά µικρότερη από αυτήν που επιτυγχάνεται µε εκτεταµένες µετρήσεις GPS, αλλά κυρίως στην τεράστια χωρική κάλυψη που παρέχει: Για παράδειγµα, µία εικόνα SAR διαστάσεων 60km x 60km, µε διακριτική ικανότητα 100m x 100m, θα αποτελείται από περισσότερα από pixels (Burbank & Anderson, 2001). Έτσι, ενώ οι υπόλοιπες διαστηµικές και επίγειες τεχνικές µέτρησης µετρούν πεπερασµένο αριθµό διακριτών σηµείων, η τεχνική της δορυφορικής συµβολο- µετρίας SAR χρησιµοποιείται για να απεικονίσει µεταβολές σε συνεχείς επιφάνειες, οι οποίες σχετίζονται µε τους σεισµούς ή άλλα γεγονότα και διεργασίες, που µεταβάλουν την τοπογραφία της γήινης επιφάνειας (Keller & Pinter, 2002). Σε αντίθεση µε τις περισσότερες γεωδαιτικές τεχνικές, η συµβολοµετρία SAR µπορεί να εφαρµοστεί τηλεπισκοπικά, παρέχοντας εκτεταµένους, υψηλής ανάλυσης χάρτες των φαινοµένων συµβολής, τα οποία οφείλονται στις παρα- µορφώσεις της γήινης επιφάνειας (Burbank & Anderson, 2001). Μεγάλες σε έκταση καθιζήσεις, για παράδειγµα εξαιτίας µεταλλευτικών δραστηριοτήτων (εξόρυξης), άντλησης υπογείου ύδατος, πετρελαίου και φυσικού αερίου ή οικοδοµικής δραστηριότητας, απαιτούν µετρήσεις σε µεγάλες επιφάνειες. Σε αυτήν την περίπτωση, η τεχνική InSAR πλεονεκτεί έναντι των µετρήσεων GPS, καθώς µπορεί να δώσει γρήγορα αποτελέσµατα (π.χ Km 2 σε 24h), απευθείας ως µία επιφανειακή αναπαράσταση (από συνεχή δεδο- µένα), δίχως τη χρήση µεθόδων παρεµβολής και χωρίς να απαιτείται η διεξαγωγή µετρήσεων στο ύπαιθρο. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να απεικονιστεί το σύνολο της υπό καθίζηση περιοχής και εύκολα να εξαχθούν συµπεράσµατα για τους µηχανισµούς των κινήσεων που λαµβάνουν χώρα (Löffler et al, 2005). Παρόλα αυτά, καθώς η συµβολοµετρία SAR δεν είναι πανάκεια, υπάρχουν αρκετά προβλήµατα και περιορισµοί κατά την εφαρµογή της Τεχνικές δυσκολίες και περιορισµοί Η παρατήρηση της συµβολοµετρικής φάσης (φ int ) για κάθε στοιχείο της διακριτικής ικανότητας αποτελείται από ένα πλήθος συνιστωσών. Αυτές, σύµφωνα µε τον Hanssen (2001) είναι: 1. Ο άγνωστος ακέραιος αριθµός των φάσεων (2kπ)

130 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 127 4π Β λ Rsin θ 2. Η συνιστώσα της φάσης εξαιτίας της τοπογραφίας (φ topo = ( ) H 3. Η συνιστώσα της φάσης εξαιτίας της παραµόρφωσης κατά τη διεύθυνση 4π παρατήρησης (Line of Sight/LoS) του ραντάρ (φ defo = D ) λ 4. Η συνιστώσα της φάσης, η οποία οφείλεται στη θεωρούµενη επιφάνεια αναφοράς (ελλειψοειδές) (ντετερµινιστικό µοντέλο) και σε σφάλµατα (αποκλίσεις) της τροχιάς του δορυφόρου (φ orb ) 5. Η συνιστώσα της φάσης, εξαιτίας της ατµοσφαιρικής καθυστέρησης, στην οποία υπόκειται το σήµα (φ atm ) 6. Η συνιστώσα της φάσης, η οποία οφείλεται σε τυχόν αλλαγές στα χαρακτηριστικά σκέδασης της γήινης επιφάνειας µεταξύ δύο παρατηρήσεων (φ scat ) 7. Η συνιστώσα της φάσης, από κάθε είδος θορύβου, όπως είναι ο θερµικός θόρυβος, τα σφάλµατα κατά την εγγραφή των εικόνων µεταξύ τους ή τα σφάλ- µατα παρεµβολής (φ noise ) ηλαδή: φ = 2k int π + φ topo 4π Β = 2kπ + λ Rsin + φ defo H φ orb π D + φ + φ orb atm scat noise ( θ ) λ atm + φ + φ scat + φ + φ noise + φ όπου: λ= το χρησιµοποιούµενο µήκος κύµατος R= η απόσταση από το στόχο θ= η τοπική γωνία πρόσπτωσης Β = η κάθετη βασική γραµµή (βάση) Η= το υψόµετρο πάνω από την επιφάνεια αναφοράς D= η τυχούσα παραµόρφωση/µετάθεση (κατά τη διεύθυνση της LoS) Έτσι, κάποιο ποσοστό της µετρούµενης αλλαγής της φάσης µπορεί να ο- φείλεται σε δευτερογενείς παράγοντες, όπως αποκλίσεις στις τροχιές των δορυφόρων, ιονοσφαιρικές επιδράσεις, ακόµη και επιδράσεις των καιρικών συνθηκών της κατώτερης ατµόσφαιρας, αλλά όλες αυτές οι δευτερογενείς επιδράσεις µπορούν θεωρητικά να αναγνωριστούν και να εξαλειφθούν (Keller & Pinter, 2002). Η τεχνική DInSAR µετρά µετακινήσεις αποκλειστικά κατά τη διεύθυνση παρατήρησης του ραντάρ. Αυτό πρακτικά σηµαίνει, ότι µετρά µόνο τη συνιστώσα της κίνησης που είναι παράλληλη στη διεύθυνση παρατήρησης του ραντάρ, και συνεπώς δίνει µια µικρότερη τιµή µετάθεσης από την πραγµατική. Στην ακραία περίπτωση, κατά την οποία η κίνηση είναι ακριβώς κάθετη στην παραπάνω διεύθυνση, τότε η µέτρηση είναι µηδενική (δεν µπορεί να µετρηθεί η µετακίνηση). = )

131 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 128 Η παρουσία βλάστησης αποσυσχετίζει το σήµα (φάση) SAR, µε αποτέλεσµα να µην µπορεί να εφαρµοστεί η µέθοδος InSAR. Επίσης, όσον αφορά στα σεισµικά γεγονότα, η τεχνική DInSAR δεν µπορεί να εφαρµοστεί σε σεισµούς που συµβαίνουν σε θαλάσσιους χώρους (Παυλίδης, 2003). Εκτός από την κλασική µέθοδο DInSAR, έχουν αναπτυχθεί και εξελίσσονται συνεχώς νέες τεχνικές, µε σκοπό τη βελτίωση της µεθόδου και την υπερκέραση ορισµένων από τις παραπάνω τεχνικών δυσκολιών. Οι επικρατούσες τεχνικές ε- πικεντρώνονται στην χρήση ενός µεγάλου πλήθους (αρκετές δεκάδες) δεδοµένων SAR και µπορούν να διακριθούν σε δύο προσεγγίσεις, οι οποίες αντιπροσωπεύονται κυρίως από δύο εδραιωµένες έως σήµερα τεχνικές: (α) την τεχνική των σταθερών σκεδαστών (Persistent or Permanent Scatterers/PS) και (β) την τεχνική χρήσης σειρών δεδοµένων µικρής βάσης (Small Baseline Subset/SBAS) ΠΡΟΗΓΜΕΝΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ SAR Τεχνική των σταθερών σκεδαστών H τεχνική των «σταθερών σκεδαστών» (Persistent or Permanent Scatterers/PS) (Ferretti et al. 2000, 2001) αποτελεί µία συστηµατική στρατηγική επεξεργασίας δεδοµένων SAR, της ίδιας περιοχής αλλά από διαφορετικές τροχιές (διαχρονικά), κατά την οποία δηµιουργείται µία «στοίβα» (stack) διαφορικών συµβολογραµµάτων, σε σχέση µε κάποια κοινή εικόνα αναφοράς (common master image). Εντός της διαχρονικής αυτής συλλογής συµβολοµετρικών δεδο- µένων, καθορίζονται ορισµένα σηµεία ή αντικείµενα (σταθεροί σκεδαστές), τα οποία, εξαιτίας της υψηλής συνάφειας (coherence) που παρουσιάζουν, παραµένουν αµετάβλητα (Σχήµα 84). Τέτοια στοιχεία µπορεί να είναι για παράδειγµα συγκεκριµένα κτίρια ή άλλες κατασκευές (π.χ. φράχτες), που ανακλούν τη µικροκυµατική ακτινοβολία. Τα σηµεία αυτά χρησιµοποιούνται για να υποστηρίξουν, ως φυσικό δίκτυο, την παρατήρηση και ανάλυση των µετακινήσεων της εκάστοτε επιφάνειας. Από την ανάλυση των διακριτών αυτών σηµείων αναφορικά µε το χρόνο, το χώρο και τη βάση (baseline) του κάθε συµβoλοµετρικού ζεύγους, καθορίζονται οι σχέσεις µε την τοπογραφία, την τυχούσα µετάθεση και τις ατµοσφαιρικές επιδράσεις και διαχωρίζονται (εκτιµώνται) οι διαφορετικές αυτές συνιστώσες της συµβολοµετρικής φάσης. Η ανάπτυξη της τεχνικής PS αποτέλεσε ένα µεγάλο βήµα στη µελέτη µεταθέσεων µικρής ταχύτητας, για µακρά χρονικά διαστήµατα και µε µεγάλη ακρίβεια (της τάξης λίγων mm) (Zhou et al., 2009), ενώ επέτρεψε τη µελέτη περιοχών µε περιορισµένη συνάφεια, εξαιτίας της παρουσίας βλάστησης ή υδάτινων µαζών (Löffler et al, 2005).

132 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 129 Σχήµα 84. Σκεπτικό εφαρµογής της τεχνικής των σταθερών σκεδαστών (πηγή: F. Serafino, Naples University) Σειρές δεδοµένων µικρής βάσης Η τεχνική χρήσης σειρών δεδοµένων µικρής βάσης (Small Baseline Subset/SBAS) προτάθηκε από τους Berardino et al. (2002). Χρησιµοποιεί έναν εξίσου µεγάλο αριθµό επιλεγµένων συµβολογραµµάτων µε µικρές βάσεις, για τη µείωση της γεωµετρικής αποσυσχέτισης. Στην προσέγγιση αυτή γίνεται η υπόθεση, ότι οι γειτονικές περιοχές παραµένουν συσχετισµένες στο χρόνο, οπότε χρησιµοποιούνται παράθυρα (windows) της εικόνας µε ικανοποιητική συνάφεια και εξαιρούνται µόνο τα εικονοστοιχεία µε ισχυρή αποσυσχέτιση. To αποτέλεσµα είναι η µείωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας, ωστόσο, εξαιτίας της χρήσης πολλών δεδοµένων, µειώνεται επίσης και ο θόρυβος (van Leijen & Hanssen, 2004). Το τελικό προϊόν είναι η παραγωγή χρονοσειρών µετάθεσης και χαρτών µέσου ρυθµού παραµόρφωσης ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ήδη από το 1998 η συµβολοµετρία SAR χαρακτηρίστηκε ως µια «ώριµη ε- πιστήµη» τόσο από την πλευρά των µηχανικών όσο και των γεωεπιστηµόνων και χρησιµοποιείται σε µια πληθώρα εφαρµογών, είτε ως συµπληρωµατική πληροφορία ή ως αποκλειστικό εργαλείο διεξαγωγής κρίσιµων µετρήσεων (Solaas, 1998). Είναι χρήσιµη στην ανίχνευση µεταθέσεων του εδάφους σε επίπεδο χιλιοστών ή και λιγότερο και έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε µελέτες σεισµικού και

133 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 130 ηφαιστειακού κινδύνου, καθώς και σε µελέτες καθιζήσεων αστικών περιοχών (ESA, 2005). Η συµβολοµετρία των εικόνων SAR έχει αρκετές γεωλογικές εφαρµογές, όπως στη δηµιουργία ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου (DEM), τα οποία αποτελούν τη βάση για περαιτέρω ερευνητικές εργασίες, στην εξέλιξη επιφανειακών (<10Km) σεισµικών γεγονότων σηµαντικού µεγέθους (Μ>5), στη µεταβολή του αναγλύφου κατά µήκος ενεργών ρηγµάτων, στη διαχρονική παρακολούθηση ε- νεργών ηφαιστείων, κατολισθήσεων, καθιζήσεων, καθώς και κινήσεων παγετώνων. Ιδιαίτερα σηµαντικό είναι το γεγονός, ότι καµία άλλη τεχνική δεν παρέχει υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας εικόνες της παραµόρφωσης (π.χ. σεισµικής), όπως η διαφορική συµβολοµετρία. Πρωτοπόροι στις εφαρµογές της συµβολοµετρίας SAR υπήρξαν οι Massonnet et al. (1993), οι οποίοι µέτρησαν σεισµικές µετατοπίσεις εδάφους του σεισµού Landers (1992, Καλιφόρνια, Μ=7.3), βασιζόµενοι στις εικόνες ERS-1 που είχαν ληφθεί µε διαφορά αρκετών µηνών µεταξύ τους (Σχήµα 85). Σχήµα 85. Aριστερά: ιαφορικό συµβολόγραµµα του σεισµού Landers (California), που σχηµατίστηκε από εικόνες ERS-1 της 24/4/92 (πριν από το σεισµό) και της 7/8/92 (µετά τον σεισµό). εξιά: Συνθετικό διαφορικό συµβολόγραµµα, µοντελοποιηµένο σύµφωνα µε τη µετατόπιση του ρήγµατος, όπως προέκυψε από υπαίθριες παρατηρήσεις. Κάθε κύκλος τόνων του τεφρού αντιπροσωπεύει µετάθεση κατά 28mm (Massonnet et al. 1993, από Αστάρα 2006). Επίσης, οι Massonnet et al. (1995), µέτρησαν τις επιφανειακές παραµορφώσεις στο όρος Αίτνα, ένα ενεργό ηφαίστειο, µε τη µέθοδο της συµβολοµετρίας SAR, παρέχοντας σηµαντικά στοιχεία στους ηφαιστειολόγους. Οι πρωτοποριακές αυτές µελέτες του Massonnet και άλλων επιστηµόνων έχουν προκαλέσει τεράστιο ενδιαφέρον στη γεωλογική επιστηµονική κοινότητα, γιατί δίδουν µια εντελώς καινούργια οπτική γωνία στη µελέτη της γήινης επιφάνειας

134 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 131 (Αστάρας, 2006). Εξάλλου, η συνδυασµένη χρήση δορυφορικής γεωδαισίας (GPS), συµβολο- µετρίας SAR και νεοτεκτονικής έχει εφαρµοστεί µε επιτυχία στην εκτίµηση της σεισµικής επικινδυνότητας εκτός από την Καλιφόρνια των Η.Π.Α., στην Ιταλία και την Ιαπωνία και επεκτείνεται παγκόσµια (Παυλίδης, 2003). Στον Ελληνικό χώρο έχουν γίνει ορισµένες αξιόλογες εργασίες σχετικά µε τις εφαρµογές των µεθόδων InSAR στις γεωεπιστήµες, από Έλληνες και ξένους ερευνητές. Πιο συγκεκριµένα, το αντικείµενο ορισµένων από τις µελέτες αυτές αφορούσε το σεισµό της Κοζάνης-Γρεβενών του 1995 (π.χ. Papanastassiou 1996, Rigo et al. 2004), το σεισµό της Αθήνας του 1999 (π.χ. Kontoes et al. 2000, Ganas et al. 2001), την διαχρονική παραµόρφωση του εδάφους στη Θεσσαλία (Salvi et al., 2004) και την παραγωγή ψηφιακού µοντέλου αναγλύφου σε περιοχή ηφαιστείου (Νίσυρος) (Parcharidis et al., 2002). Οι δύο τεχνικές συµβολοµετρίας SAR (InSAR και DInSAR) ανοίγουν πολλές προοπτικές για τις εφαρµογές των διαστηµικών δεδοµένων SAR σε πεδία όπως η χαρτογραφία, η ηφαιστειολογία, η τεκτονική γεωλογία, η µελέτη των παγετώνων κ.ο.κ., καθώς και σε θέµατα σχετικά µε την παρακολούθηση καθιζήσεων και κατολισθήσεων (Barbieri & Lichtenegger, 2005). Σύµφωνα µε τους Keller & Pinter (2002), οι δυνατότητες και το πλήθος των εφαρµογών της δορυφορικής συµβολοµετρίας SAR στο πεδίο της ενεργού τεκτονικής δεν έχουν ακόµη διερευνηθεί πλήρως, ενώ νέες εφαρµογές προκύπτουν σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Ειδικά στον τοµέα της ενεργού τεκτονικής, η δορυφορική συµβολοµετρία SAR είναι πιθανό να αποτελέσει την πηγή νέων προσεγγίσεων στο άµεσο ή κοντινό µέλλον. Για παράδειγµα, η απλοποίηση και επιτάχυνση της διαδικασίας επεξεργασίας των συµβολοµετρικών δεδοµένων θα επέτρεπε την παρακολούθηση της συσσώρευσης τάσεων σε σχεδόν πραγµατικό χρόνο. Αυτό µε τη σειρά του, θα µπορούσε να αποδειχθεί αποφασιστικό σηµείο στην αναζήτηση προειδοποιητικών ενδείξεων για επερχόµενους σεισµούς. Τέλος, αν και οι ατµοσφαιρικές επιδράσεις θεωρούνται συνήθως ως «θόρυβος» για τις περισσότερες εφαρµογές, εντούτοις η πληροφορία που περιέχουν για τη χαρτογράφηση της ατµόσφαιρας έχει ανοίξει νέα πεδία έρευνας (Hanssen, 2004) ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ Στα πλαίσια βελτίωσης των αποτελεσµάτων της συµβολοµετρίας εξετάζονται επίσης διάφορες προτάσεις, οι οποίες σχετίζονται περισσότερο µε τον τρόπο λήψης των δεδοµένων. Έτσι για παράδειγµα, µελετάται η περίπτωση να χρησιµοποιηθούν χαµηλού κόστους µικροί δορυφόροι σε κατάλληλο σχηµατισµό, οι οποίοι θα φέρουν κλασικά συστήµατα SAR, δηµιουργώντας ένα «συµβολοµετρικό δίκτυο» για την πολύ υψηλής ακρίβειας τοπογραφική χαρτογράφηση του γήινου αναγλύφου (Massonnet & Elachi, 2006).

135 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 132 Συµπερασµατικά, η συµβολοµετρία SAR θεωρείται σήµερα ως µία από τις καλύτερες τεχνικές για την απόκτηση των µεγαλύτερης ακρίβειας τοπογραφικών χαρτών σε παγκόσµια κλίµακα. Η διαφορική συµβολοµετρία (DInSAR) συνιστά µία πολλά υποσχόµενη τεχνική για την αξιόπιστη και γρήγορη µέτρηση παρα- µορφώσεων του αναγλύφου σε µεγάλες εκτάσεις. Ωστόσο, δεν αποτελεί ακόµη µια καθιερωµένη και συνήθη πρακτική στη γεωδαισία, καθώς οι δυσκολίες από την αποσυσχέτιση της φάσης και τις ατµοσφαιρικές επιδράσεις δυσχεραίνουν την εφαρµογή της. Πολλά από τα µειονεκτήµατα/προβλήµατα αναµένεται να ξεπεραστούν στο εγγύς µέλλον, καθώς ήδη εξελίσσονται τεχνικές προς την κατεύθυνση αυτή µε ενθαρρυντικά αποτελέσµατα. Επίσης, νέες µορφές δορυφορικών σχηµατισµών µε συστήµατα SAR µπορούν να βελτιώσουν την ακρίβεια των µετρήσεων και να αυξήσουν τη συχνότητα λήψης δεδοµένων. H έρευνα µε τις µεθόδους της συµβολοµετρίας σε σεισµικά ενεργές περιοχές µε σχετικά περιορισµένη βλάστηση αναµένεται να καθιερωθεί ως πάγια διαδικασία, όπως επίσης και η παρακολούθηση των ηφαιστείων και άλλων φυσικών ή ανθρωπογενών κινδύνων (π.χ. καθιζήσεων, κατολισθήσεων), των οποίων οι µεταθέσεις στο χρόνο συνιστούν δείκτες της απειλής που αντιπροσωπεύουν (Burbank & Anderson, 2001). Το φάσµα των εφαρµογών της συµβολοµετρίας SAR στη διαχρονική παρατήρηση της Γης ή και άλλων πλανητών χαρακτηρίζεται από µεγάλο εύρος πρακτικών εφαρµογών. Επιπλέον, η συνεχής έρευνα και η ανάπτυξη νέων τεχνικών διευρύνει διαρκώς το πεδίο αυτό. Η εν δυνάµει συνεισφορά της συµβολοµετρίας και ιδιαίτερα της διαφορικής συµβολοµετρίας στις Γεωεπιστήµες επιβεβαιώνεται από το πλήθος των δηµοσιευµένων εργασιών, κυρίως του εξωτερικού. Οι προοπτικές οι οποίες διανοίγονται διαφαίνονται στη βαρύτητα που δίνεται στην έρευνα πάνω στις τεχνικές InSAR, από διεθνώς αναγνωρισµένα Ερευνητικά Κέντρα, Ινστιτούτα, Οργανισµούς και Πανεπιστήµια (λ.χ. NASA, Κέντρο Αεροδιαστηµικών Ερευνών της Γερµανίας/DLR, Ευρωπαϊκός Οργανισµός ιαστήµατος/esa, Κέντρο Τηλεπισκόπησης του Καναδά/CCRS κ.α.), καθώς επίσης και στον αυξανόµενο αριθµό των επιστηµόνων διαφόρων κλάδων, οι οποίοι ασχολούνται µε το εν λόγω αντικείµενο (Μουρατίδης, 2005). Σηµειώνεται, ότι στα παραπάνω, έγινε αναφορά αποκλειστικά στη συµβολοµετρία SAR από το διάστηµα, κυρίως εξαιτίας του γεγονότος ότι παρουσιάζει παγκόσµιο ενδιαφέρον. Ωστόσο, θα πρέπει να τονιστεί, ότι εξίσου πολλές είναι και οι εφαρµογές της συµβολοµετρίας από αεροµεταφερόµενα SAR. Βεβαίως, η χρήση της περιορίζεται σε τοπικό επίπεδο, παρουσιάζοντας ορισµένα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα σε σχέση µε τη διαστηµική συµβολοµετρία. Σε κάθε περίπτωση η µέθοδος InSAR και ιδιαίτερα η διαφορική συµβολοµετρία (DInSAR) αποτελεί ένα ακόµη εργαλείο στα χέρια των Γεωεπιστηµόνων, το οποίο είτε ανεξάρτητα ή σε συνδυασµό µε τις άλλες γεωδαιτικές τεχνικές ανα- µένεται να έχει ουσιαστική συνεισφορά στον τοµέα της Γεωδαισίας- Τοπογραφίας και χαρτογράφησης γεωδυναµικών φαινοµένων (Μουρατίδης κ.α.,

136 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ) ΕΠΙΛΟΓΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ Για την επιλογή των κατάλληλων δορυφορικών εικόνων ή καλύτερα δεδο- µένων, τα οποία χρησιµοποιήθηκαν κατά την συµβολοµετρική επεξεργασία, αρχικά έγινε έρευνα στα αρχεία του ΕΟ (ESA), όπου εντοπίστηκαν σειρές δεδοµένων ERS-1 και ERS-2, δυνητικά κατάλληλες, µε περισσότερες από 110 καταχωρήσεις (εικόνες) συνολικά (Σχήµα 86), καθώς και 19 εικόνες ENVISAT/ASAR, της περιόδου (Σχήµα 88) Βάση (m) ne Ηµεροµηνία Σχήµα 86. ιαθέσιµο αρχείο εικόνων ERS-1 και ERS-2 (track 7, κατερχόµενη τροχιά) της περιοχής µελέτης, για την περίοδο Ακολούθως συλλέχθηκαν µετεωρολογικά στοιχεία από µετεωρολογικούς σταθµούς της περιοχής µελέτης (Θεσσαλονίκη, Αρναία, Αγ. Πρόδροµος), ώστε να αποκλειστούν κάποιες εικόνες εξαιτίας της βροχόπτωσης (κατά τη διάρκεια ή λίγες µέρες πριν τη λήψη) ή να είναι γνωστή η επικράτηση ισχυρών ανέµων, στοιχεία που µπορούν να αποδειχθούν χρήσιµα κατά την ερµηνεία των αποτελεσµάτων της συµβολοµετρικής επεξεργασίας. Επίσης έγινε εκτενής µελέτη των λεπτοµερών στοιχείων των διαθέσιµων δεδοµένων και ο συσχετισµός µεταξύ τους (ηµεροµηνία και εποχή λήψης, συµβολοµετρικές βάσεις). Λαµβάνοντας υ- πόψη τους παραπάνω παράγοντες, ορισµένους περιορισµούς από τον ΕΟ, αλλά και το κόστος, επιλέχθηκαν τελικά συνολικά 54 εικόνες ERS-1 και ERS-2 κατερχόµενης (descending) τροχιάς για συµβολοµετρική επεξεργασία (Σχήµα 87).

137 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 134 Satellite Pass Sensor Product Type Scene Start Scene End Track Orbit 1 ERS-1 D SAR RAW 11/07/92 09:12:00 11/07/92 09:12: ERS-1 D SAR RAW 15/08/92 09:12:02 15/08/92 09:12: ERS-1 D SAR RAW 19/09/92 09:12:04 19/09/92 09:12: ERS-1 D SAR RAW 28/11/92 09:11:53 28/11/92 09:12: ERS-1 D SAR RAW 24/07/95 09:12:06 24/07/95 09:12: ERS-2 D SAR RAW 25/07/95 09:12:09 25/07/95 09:12: ERS-1 D SAR RAW 02/10/95 09:12:05 02/10/95 09:12: ERS-2 D SAR RAW 03/10/95 09:12:09 03/10/95 09:12: ERS-1 D SAR RAW 25/03/96 09:12:00 25/03/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 26/03/96 09:11:59 26/03/96 09:12: ERS-1 D SAR RAW 29/04/96 09:12:07 29/04/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 30/04/96 09:12:06 30/04/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 09/07/96 09:12:05 09/07/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 17/09/96 09:12:03 17/09/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 22/10/96 09:12:03 22/10/96 09:12: ERS-2 D SAR RAW 29/07/97 09:12:01 29/07/97 09:12: ERS-2 D SAR RAW 02/09/97 09:12:00 02/09/97 09:12: ERS-2 D SAR RAW 07/10/97 09:12:00 07/10/97 09:12: ERS-2 D SAR RAW 14/07/98 09:11:53 14/07/98 09:12: ERS-2 D SAR RAW 18/08/98 09:11:57 18/08/98 09:12: ERS-1 D SAR RAW 11/10/99 09:11:44 11/10/99 09:12: ERS-2 D SAR RAW 12/10/99 09:11:53 12/10/99 09:12: ERS-2 D SAR RAW 22/08/00 09:12:07 22/08/00 09:12: ERS-2 D SAR RAW 26/09/00 09:12:08 26/09/00 09:12: ERS-2 D SAR RAW 31/10/00 09:12:03 31/10/00 09:12: ERS-2 D SAR RAW 05/12/00 09:11:57 05/12/00 09:12: ERS-2 D SAR RAW 09/01/01 09:12:03 09/01/01 09:12: ERS-2 D SAR RAW 16/10/01 09:10:29 16/10/01 09:10: ERS-2 D SAR RAW 29/01/02 09:10:10 29/01/02 09:10: ERS-2 D SAR RAW 23/07/02 09:10:29 23/07/02 09:10: ERS-2 D SAR RAW 27/08/02 09:10:28 27/08/02 09:10: ERS-2 D SAR RAW 01/10/02 09:10:26 01/10/02 09:10: ERS-2 D SAR RAW 08/07/03 09:10:30 08/07/03 09:10: ERS-2 D SAR RAW 12/08/03 09:10:35 12/08/03 09:10: ERS-2 D SAR RAW 16/09/03 09:10:35 16/09/03 09:10: ERS-2 D SAR RAW 25/11/03 09:10:22 25/11/03 09:10: ERS-2 D SAR RAW 30/12/03 09:10:24 30/12/03 09:10: ERS-2 D SAR RAW 03/02/04 09:10:27 03/02/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 27/07/04 09:10:37 27/07/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 31/08/04 09:10:41 31/08/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 05/10/04 09:10:37 05/10/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 09/11/04 09:10:34 09/11/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 14/12/04 09:10:38 14/12/04 09:10: ERS-2 D SAR RAW 22/02/05 09:10:32 22/02/05 09:10: ERS-2 D SAR RAW 12/07/05 09:10:38 12/07/05 09:10: ERS-2 D SAR RAW 16/08/05 09:10:37 16/08/05 09:10: ERS-2 D SAR RAW 25/10/05 09:10:24 25/10/05 09:10: ERS-2 D SAR RAW 29/11/05 09:10:26 29/11/05 09:10: ERS-2 D SAR RAW 03/01/06 09:10:27 03/01/06 09:10: ERS-2 D SAR RAW 01/08/06 09:10:39 01/08/06 09:10: ERS-2 D SAR RAW 05/09/06 09:10:33 05/09/06 09:10: ERS-2 D SAR RAW 19/12/06 09:10:25 19/12/06 09:10: ERS-2 D SAR RAW 23/01/07 09:10:27 23/01/07 09:10: ERS-2 D SAR RAW 27/02/07 09:10:29 27/02/07 09:10: Σχήµα 87. εδοµένα ERS κατερχόµενης τροχιάς (track 7), τα οποία αποκτήθηκαν. TANDEM TANDEM TANDEM TANDEM TANDEM Οι διαθέσιµες εικόνες ENVISAT/ASAR αποκτήθηκαν στο σύνολό τους, καθώς ο αριθµός τους ήταν σχετικά περιορισµένος (Σχήµα 88).

138 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ /3/2004; 764 4/9/2005; /7/2006; 636 Βάση (m) /6/2003; /10/2004; /3/2005; /11/2005; /4/2005; 0 22/5/2005; /4/2007; /6/2006; /8/2007; /7/2004; /2/2006; /2/2007; /3/2003; /10/2002; /2/2005; /10/2006; Ηµεροµηνία Σχήµα 88. ιαθέσιµες εικόνες ENVISAT/ASAR κατερχόµενης τροχιάς (track 279) ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Ε ΟΜΕΝΩΝ Εισαγωγή - Ροή συµβολοµετρικής επεξεργασίας Η συµβολοµετρική επεξεργασία των δεδοµένων έγινε µε το λογισµικό ανοικτού κώδικα ROI_PAC (Repeat Orbit Interferometry Package), το οποίο αναπτύχθηκε από το JPL (NASA) και το CalTech (California Institute of Technology). Η ροή εργασιών στο ROI_PAC (Σχήµα 89) ελέγχεται από κώδικες (scripts) γραµµένους στη γλώσσα προγραµµατισµού PERL (Practical Extraction and Report Language), ενώ διάφοροι αλγόριθµοι εντός του λογισµικού αποτελούν προγράµµατα υλοποιηµένα σε Fortran ή C (Rosen & Persaud, 2000). Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ελέγξει κάθε επιµέρους διαδικασία και να την τροποποιήσει ή να την παρακάµψει κατά βούληση. Για κάθε συµβολόγραµµα απαιτείται περίπου 1,5h επεξεργασίας σε σύγχρονο προσωπικό υπολογιστή, µε την προϋπόθεση, ότι η διαδικασία θα είναι επιτυχής. ιαφορετικά (περίπου στο 50% των περιπτώσεων στην παρούσα εργασία), η ροή της επεξεργασίας διακόπτεται και απαιτείται χειροκίνητη παρέµβαση για την αντιµετώπιση των οποιονδήποτε ζητηµάτων έχουν ανακύψει.

139 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 136 Σχήµα 89. Συνοπτικό διάγραµµα ροής της συµβολοµετρικής επεξεργασίας µε το λογισµικό ROI_PAC Εγγραφή των εικόνων Μετά τα προκαταρτικά στάδια εισαγωγής, ανάγνωσης, ελέγχου των δεδο- µένων και παραγωγής των δύο σύνθετων εικόνων SLC (Single Look Complex) από τα πρωτογενή (raw) δεδοµένα, η πρώτη και καθοριστικής σηµασίας για την ποιότητα του τελικού αποτελέσµατος λειτουργία, είναι η εγγραφή των δύο εικόνων µεταξύ τους, µε ακρίβεια της τάξης του 1/10 του µεγέθους του εικονοστοιχείου τους. Η ακριβής/λεπτοµερής εγγραφή (fine registration) των εικόνων γίνεται µε µεθόδους αυτόµατης ψηφιακής συσχέτισης των εικόνων έντασης (amplitude image correlation), αφού προηγηθεί µία πρόχειρη/προσεγγιστική εγγραφή (coarse registration), µε βάση τις τροχιές των δορυφόρων ή/και µε οπτική αναγνώριση οµόλογων σηµείων στις δύο εικόνες. Η µία από τις δύο εικόνες λαµβάνεται αυθαίρετα ως κύρια εικόνα (εικόνα αναφοράς/master image) και η άλλη ως δευτερεύουσα (slave image) Υπολογισµός συµβολογραµµάτων Οι δύο εικόνες SAR αποτελούνται από ένα κανονικό πλέγµα µιγαδικών τι-

140 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 137 µών ή µιγαδικών διανυσµάτων (phasors) y 1 και y 2, τα οποία µπορούν να αναλυθούν σε µία συνιστώσα έντασης (πλάτους) (amplitude) και µία συνιστώσα φάσης (phase), χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις (Hanssen 2001): y = 1 y1 ψ y = exp( j 1) 2 y2 ψ exp( j 2) όπου: ψ 1, ψ 2 είναι η φάση για κάθε εικόνα αντίστοιχα Ο σχηµ ατισµός κάθε συµβολογράµµατος γίνεται, υπολογίζοντας για κάθε εικονοστοιχείο, το γινόµενο της πρώτης εικόνας SLC µε τον συζυγή µιγαδικό α- ριθµό της δεύτερης εικόνας (Bamler & Hartl 1998, Massonnet & Feigl 1998, Hanssen 2001): u = y y * 1 2 = y 1 y 2 exp( j( ψ1 ψ 2)) Όπου: u: το σύνθετο (ένταση + φάση) συµβολόγραµµα (το σύµβολο «*» δηλώνει συζυγείς µιγαδικούς αριθµούς) Το προκύπτον σύνθετο συµβολόγραµµα (complex interferogram) έχει ως ένταση (interferogram amplitude) το γινόµενο των εντάσεων των δύο αρχικών εικόνων, ενώ η συµβολοµετρική φάση (interferogram phase) είναι ουσιαστικά η διαφορά φάσης µεταξύ των δύο εικόνων SLC, µε τα δύο µεγέθη να υπολογίζονται πάντα για κάθε εικονοστοιχείο (Ferretti et al., 2007) Υπολογισµός της συνάφειας της φάσης Ο συντελεστής µιγαδικής συσχέτισης (complex correlation coefficient) ή απλά η συνάφεια (coherence) (γ) των δύο εικόνων SAR, οι οποίες απαρτίζουν το συµβολοµετρικό ζεύγος, δίνεται από τη σχέση (Bamler & Hartl 1998, Hanssen 2001, Ferretti et al. 2007): * { } Ε y y 1 2 γ =, 0 Ε 2 { y } { } 2 1 Ε y2 γ 1, όπου Ε είναι η προσδοκία (αναµενόµενη τιµή) της τυχαίας µεταβλητής x

141 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 138 Για την επιτυχή ολοκλήρωση της συµβολοµετρικής επεξεργασίας απαιτείται ένας ελάχιστος βαθµός οµοιότητας των ιδιοτήτων της επιφάνειας του εδάφους και κατ επέκταση της φάσης, µεταξύ των δύο λήψεων των εικόνων SAR. Μεγάλες αποκλίσεις της φάσης (χαµηλή συνάφεια) περιπλέκουν τη διαδικασία του ξεδιπλώµατος της φάσης (βλ ) και µπορούν να οδηγήσουν σε σφάλµατα (Rosen & Persaud, 2000) Παραγωγή διαφορικών συµβολογραµµάτων Τυπική διαδικασία κατά την συµβολοµετρική επεξεργασία αποτελεί η απο- µάκρυνση της συνιστώσας της φάσης, που οφείλεται στην καµπυλότητα της Γης και τη χρησιµοποιούµενη επιφάνεια αναφοράς (ελλειψοειδές). Η διαδικασία αυτή, γνωστή ως «interferogram flattening», έλαβε χώρα για κάθε συµβολόγραµ- µα, χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα των τροχιών που παρέχονται από το DEOS (Department of Earth Observation and Space Systems) του Delft University of Technology. Για την παραγωγή των διαφορικών συµβολογραµµάτων, αποµακρύνθηκε επιπρόσθετα η συνιστώσα της φάσης εξαιτίας της τοπογραφίας, χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα SRTM (version 4), χωρικής ανάλυσης 3arcsec. Όσον αφορά στην επίδραση της ατµόσφαιρας, η οποία συνεισφέρει τη δική της συνιστώσα στη συµβολοµετρική φάση, αυτή µπορεί να αποδοθεί σε στροβιλώδη ανάµειξη (turbulent mixing) των αέριων µαζών και κατακόρυφη διαστρω- µάτωσή τους (vertical stratification) (Hanssen 2001, López-Quiroz et al. 2009). Η πρώτη είναι αποτέλεσµα στροβιλωδών φαινοµένων της ατµόσφαιρας, ενώ η δεύτερη οφείλεται στα διαφορετική κατακόρυφη κατανοµή της διαθλαστικότητας (refractivity) µεταξύ της λήψης των δύο εικόνων SAR. Επειδή τα στροβιλώδη φαινόµενα είναι µη-γραµµικής φύσεως, είναι δύσκολο να µοντελοποιηθούν, γι αυτό το λόγο µέχρι σήµερα δεν υπάρχουν µέθοδοι που να µπορούν να τα ποσοτικοποιήσουν µε ακρίβεια και κατ εξακολούθηση (Wadge et al. 2002, Puysségur et al. 2007). Κατά συνέπεια, στις περισσότερες έρευνες, η επίδρασή τους στη συµβολοµετρική φάση θεωρείται ως τυχαίο σήµα ή θόρυβος τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Αντίθετα, η κατακόρυφη διαστρωµάτωση της ατµόσφαιρας είναι συσχετισµένη µε το υψόµετρο (Delacourt et al. 1998, Beauducel et al. 2000, Chaabane et al. 2007), καθώς η καθυστέρηση στην οποία υπόκειται το µικροκυµατικό σήµα SAR, κατά τη διάδοσή του από τον δορυφόρο στο έδαφος, εξαρτάται από το περιεχόµενο της ατµόσφαιρας σε υδρατµούς (water vapor content), που µε τη σειρά του σχετίζεται µε το υψόµετρο Το πρόβληµα του «ξεδιπλώµατος» της φάσης Το ζήτηµα του ξεδιπλώµατος της φάσης (phase unwrapping) αποτελεί ένα καθαρά µαθηµατικό πρόβληµα, το οποίο έχει συζητηθεί και αντιµετωπιστεί και

142 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 139 κατά την παραγωγή DEM από δεδοµένα ERS (βλ ). Στην παραπάνω περίπτωση, παρά το γεγονός ότι οι εικόνες SAR της περιόδου tandem ελήφθησαν µε διαφορά 24h, µόλις ένα ζεύγος tandem (από τα συνολικά διαθέσιµα πέντε) κρίθηκε αρκετά ικανοποιητικό και κατάλληλο για την παραγωγή DEM (και πάλι κάποια σφάλµατα δεν αποφεύγονται κατά το ξεδίπλωµα της φάσης). Αντίθετα, στην περίπτωση των διαφορικών συµβολογραµµάτων από δεδο- µένα µε σηµαντική χρονική απόσταση (µηνών έως ετών) µεταξύ τους, όπως είναι αυτά που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία και µε τις κλιµατικές συνθήκες να µην είναι ιδιαίτερα ευνοϊκές (αποσυσχέτιση της φάσης εξαιτίας της παρουσίας βλάστησης), το ξεδίπλωµα της φάσης αποτελεί επίπονη εργασία µε αποτελέσµατα, των οποίων η ερµηνεία απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή. Έτσι, παρά την πρόοδο που έχει σηµειωθεί στις διάφορες µεθόδους ξεδιπλώµατος της φάσης, αυτό αποτελεί ακόµη µία δύσκολη, επικίνδυνη και δυνητικά καταστρεπτική διαδικασία. Επικίνδυνο είναι, διότι κατά το ξεδίπλωµα της φάσης είναι πολύ πιθανό να εισαχθούν σφάλµατα στα επόµενα στάδια επεξεργασίας, τα οποία θα είναι αδύνατον να αναγνωριστούν εύκολα στο προκύπτον συµβολόγραµµα. Καταστρεπτικό είναι, διότι περιοχές που δεν µπορούν να ξεδιπλωθούν λόγω χαµηλής συνάφειας της φάσης, αλλά συχνά περιέχουν κάποια πληροφορία, θα εξαιρεθούν από τη διαδικασία και θα χαθούν (Ferretti et al., 2007). Ως εκ τούτου και επειδή επιπλέον τα διαφορικά συµβολογράµµατα της παρούσας εργασίας ήταν αρκετά «θορυβώδη», ως λογική συνέπεια των κλιµατικών συνθηκών και του είδους της περιοχής µελέτης, αν και επιχειρήθηκε το ξεδίπλωµα ορισµένων από αυτά, προτιµήθηκε να γίνει η ερµηνεία τους ως «διπλω- µένα» (wrapped). Η συντηρητική αυτή αντιµετώπιση περιορίζει µεν την πρακτική χρήση των συµβολογραµµάτων, καθώς δεν υπολογίζονται τιµές µετάθεσης για κάθε εικονοστοιχείο, ωστόσο παρουσιάζει το πλεονέκτηµα, ότι δεν αλλοιώνεται η παραµικρή λεπτοµέρεια κάθε υπολογισµένου συµβολογράµµατος και δεν εισάγεται θόρυβος, που µπορεί να οδηγήσει σε παρερµηνεία των αποτελεσµάτων. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασµό µε τον µεγάλο αριθµό υπολογισµένων συµβολογραµµάτων, παρέχει τα εχέγγυα για αξιόπιστα αποτελέσµατα ΣΥΜΒΟΛΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ENVISAT/ASAR Παραγωγή των συµβολογραµµάτων Οι εικόνες ENVISAT/ASAR χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για τη µελέτη της περιοχής της Θεσσαλονίκης και του Καλοχωρίου, µε αρχικό στόχο την παρακολούθηση των φαινοµένων καθίζησης, για την περίοδο Συνολικά σχηµατίστηκαν 117 διαφορικά συµβολογράµµατα ENVISAT/ASAR, τα πιο «ενδιαφέροντα» από τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια (Σχήµα 90).

143 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 140 Σχήµα 90. Επιλογή των 10 «καλύτερων» συµβολογραµµάτων ENVISAT/ASAR για την περιοχή του Καλοχωρίου και της Θεσσαλονίκης. Ένας σηµαντικός αριθµός συµβολογραµµάτων, µε χρονική βάση µεταξύ 5 µηνών και 2,5 ετών και χωρική κάθετη βάση µεταξύ 11m και 260m, υποδεικνύει

144 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 141 σαφώς την παρουσία ενός προτύπου παραµόρφωσης στην περιοχή του Καλο- χωρίου και της Σίνδου. εδοµένου του ιστορικού της περιοχής, καθίσταται προφανές ότι η παρατηρούµενη παραµόρφωση αφορά στα φαινόµενα καθίζησης. Επίσης, κάποια ασθενή σήµατα νότια του Ωραιοκάστρου και πιο συγκεκρι- µένα µεταξύ της περιφερειακής οδού και της Εγνατίας, εντοπίζονται σε αρκετά συµβολογράµµατα. Τα παραπάνω σήµατα παρουσιάζουν χωρική και χρονική συχνότητα, που δεν µπορεί να αποδοθεί σε τυχαίες ατµοσφαιρικές επιδράσεις, οι οποίες είναι µεν συσχετισµένες στο χώρο άλλα όχι και στο χρόνο Εκτίµηση της συνάφειας της φάσης Αν και η συνάφεια της φάσης υπολογίζεται από το ROI_PAC για κάθε συµβολοµ ετρικό ζεύγος, στην παρούσα εργασία εφαρµόστηκε ένας επιπλέον αλγόριθµος για την εκτίµηση της ποιότητας των συµβολογραµµάτων. Ο αλγόριθµος αυτός περιέλαβε το σύνολο των 117 συµβολογραµµάτων, συγκρίνοντάς τα πρώτα στο χώρο (κάθε εικονοστοιχείο φάσης µε τα γειτονικά του) και έπειτα στο χρόνο (το ίδιο εικονοστοιχείο σε όλα τα συµβολογράµµατα) (Σχήµα 91). Σχήµα 91. Υπολογισµός της συνάφειας της φάσης στο χώρο και το χρόνο. Εξαιτίας της πληθώρας δεδοµένων που χρησιµοποιήθηκαν στους υπολογισµούς, προέκυψε ένας χάρτης συνάφειας υψηλής αξιοπιστίας (Σχήµα 92).

145 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 142 Σχήµα 92. Χάρτης συνάφειας της φάσης, βασισµένος σε 117 συµβολογράµµατα ENVISAT/ASAR. Όπως ήταν αναµενόµενο, τα εικονοστοιχεία υψηλής συνάφειας συγκεντρώνονται εντός και γύρω από τις αστικές περιοχές και ιδιαίτερα περί του ευρύτερου πολεοδοµικού συγκροτήµατος της Θεσσαλονίκης. Η αναλογία αυτή είναι περισσότερο εµφανής, εάν ο χάρτης συνάφειας της φάσης συγκριθεί µε τα δεδοµένα έντασης ενός συµβολογράµµατος ASAR (Σχήµα 93). Σχήµα 93. εδοµένα έντασης συµβολογράµµατος (interferogram amplitude) ASAR Φιλτράρισµα και γεωκωδικοποίηση των συµβολογραµµάτων Τα υπολογισµένα συµβολογράµµατα ήταν στο σύνολό τους ιδιαίτερα θορυβώδη, ως αποτέλεσµα της απώλειας της συνάφειας της φάσης στις µη αστικές περιοχές και σε ορισµένες περιπτώσεις, εξαιτίας τυχαίων ατµοσφαιρικών επιδράσεων. Κατόπιν πειραµατισµού µε διαφορετικές τεχνικές a-posteriori αποµάκρυνσης (φιλτραρίσµατος) του θορύβου, επιλέχθηκε τελικά µία µέθοδος δύο

146 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 143 σταδίων: 1 ο στάδιο: Βάσει του χάρτη συνάφειας της φάσης, αφαιρέθηκαν τα εικονοστοιχεία χαµηλής συνάφειας, µε τον καθορισµό µίας κατώτερης τιµής, ενός «κατωφλίου» (threshold) δηλαδή, κάτω από το οποίο το εκάστοτε εικονοστοιχείο θεωρήθηκε ότι είναι αναξιόπιστο (δεν διαθέτει ικανοποιητική τιµή συνάφειας). 2 ο στάδιο: Εφαρµόστηκε ένα προσαρµοστικό (adaptive) φίλτρο Gamma, µεγέθους 5x5, για τη βελτίωση του οπτικού αποτελέσµατος (Σχήµα 94). Σχήµα 94. Παράδειγµα συµβολογράµµατος πριν (αριστερά) και µετά (δεξιά) την εφαρ- µογή φίλτρου Gamma, µεγέθους 5x5. Τα προσαρµοστικά φίλτρα προτείνονται γενικά για τη βελτίωση των συµβολογραµµάτων ραντάρ σε γεωφυσικές εφαρµογές (Goldstein & Werner, 1998). Θα πρέπει επίσης να σηµειωθεί, ότι τα συµβολογράµµατα είχαν εξαρχής υποστεί µία µορφή φιλτραρίσµατος µε τη µέθοδο των πολλαπλών λήψεων (multilooking). Η τεχνική αυτή επιφέρει ένα είδος οµαλοποίησης, µε σκοπό τη µείωση του θορύβου των συµβολογραµµάτων και ουσιαστικά αναφέρεται στον υπολογισµό του µέσου όρου των δεδοµένων του σύνθετου συµβολογράµµατος, για συγκεκριµένο µέγεθος παραθύρου εικονοστοιχείων (Goldstein et al., 1988). Η αρχική αναλογία χωρικής ανάλυσης αζιµουθίου (azimuth/παράλληλα στη διέυθυνση κίνησης του δορυφόρου) και απόστασης (range/κάθετα στην τροχιά του δορυφόρου) (για τη γεωµετρία SAR, βλ. Σχήµα 79, σελ. 119) είναι 1:5 (4m έναντι 20m περίπου), για τα δεδοµένα ENVISAT/ASAR και ERS. Το multilooking µπορεί να γίνει ταυτόχρονα µε το σχηµατισµό του συµβολογράµµατος και συνηθώς εφαρµόζεται ως λόγος range-azimuth (1:5, 2:10, κ.τ.λ.), ώστε να προκύψει τετραγωνικό εικονοστοιχείο (Hanssen, 2001). Το ROI_PAC εφαρµόζει προκαθορισµένο αριθµό 5 λήψεων (looks) κατά α- ζιµούθιο, ώστε να προκύπτει εικονοστοιχείο 20m x 20m περίπου. Στη συνέχεια ο χρήστης µπορεί να επιλέξει τον επιθυµητό αριθµό επιπλέον λήψεων, ο οποίος εφαρµόζεται τόσο κατά το αζιµούθιο όσο και κατά την απόσταση. Έτσι, παραδείγµατος χάριν, εφαρµόζοντας 4 επιπλέον λήψεις έχουµε για το

147 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 144 αζιµούθιο: 4m x 5looks x 4looks 80m και για την απόσταση: 20m x 4looks 80m. Οπότε, η τελική χωρική ανάλυση που προκύπτει είναι 80m x 80m. Εκτεταµένες δοκιµές που έγιναν µε διαφορετικό αριθµό looks για την περιοχή µελέτης, έδειξαν, ότι τα επεξεργασµένα µε 4 επιπλέον looks συµβολογράµ- µατα αποτελούν έναν καλό συµβιβασµό χωρικής ανάλυσης και οµαλοποίησης (φιλτραρίσµατος). Τελευταίο στάδιο στην επεξεργασία των συµβολογραµµάτων αποτέλεσε η γεωκωδικοποίηση (geocoding) ή γεωαναφορά (georeferencing) τους. Η διαδικασία αυτή, στην περίπτωση των εικόνων ραντάρ, αναφέρεται στο µετασχηµατισµό των συντεταγµένων και την απαραίτητη επαναδειγµατοληψία (resampling) των δεδοµένων, από την κεκλιµένη απόσταση (slant range) της γεωµετρίας SAR, σε απόσταση επί του εδάφους (ground range). Μετά τη γεωαναφορά και τον περαιτέρω περιορισµό των συµβολογραµµάτων στην περιοχή ενδιαφέροντος, προέκυψαν τα τελικά προϊόντα (Σχήµα 95 & Σχήµα 96). Σχήµα 95. Υπέρθεση φιλτραρισµένου συµβολογράµµατος (6/2/ /10/2006) σε χάρτη σκιασµένου αναγλύφου της περιοχής µελέτης.

148 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 145 Σχήµα 96. Μεγέθυνση στην περιοχή Θεσσαλονίκης - Καλοχωρίου, στο συµβολόγραµµα του προηγούµενου σχήµατος (Σχήµα 95) Ερµηνεία των αποτελεσµάτων Για την ερµηνεία των αποτελεσµάτων της συµβολοµετρίας, συνήθως απαιτείται κάποια a-priori πληροφορία για το είδος και τη διεύθυνση της µετρούµενης µετάθεσης ή παραµόρφωσης, καθώς η τεχνική InSAR µετρά αποκλειστικά τη µετατόπιση πάνω στη γραµµή παρατήρησης του SAR. Σε διαφορετική περίπτωση, δίχως εξωτερική πληροφορία για το ποιόν των παρατηρούµενων φαινο- µένων, θα πρέπει να συνδυαστούν τα αποτελέσµατα συµβολοµετρικών δεδοµένων από διάφορες διευθύνσεις (π.χ. ανερχόµενων και κατερχόµενων τροχιών), ώστε να καθοριστεί ο ακριβής προσανατολισµός της οποιασδήποτε µετατόπισης. Στην προκειµένη περίπτωση, είναι a-priori γνωστό, ότι η οριζόντια συνιστώσα µετάθεσης στην περιοχή µελέτης είναι πρακτικά αµελητέα (περίπου 5mm/yr) έναντι της συνιστώσας που οφείλεται στα φαινόµενα καθίζησης (της τάξης λίγων cm/yr), όπως επιβεβαιώθηκε και από τις µετρήσεις GPS (βλ. 5.5). Συνεπώς, οποιαδήποτε µετρούµενη µετάθεση πάνω στη γραµµή παρατήρησης του SAR αποδίδεται κυρίως στην κατακόρυφη συνιστώσα της µετατόπισης, δηλαδή στην καθίζηση (Σχήµα 97). Έτσι, σύµφωνα µε τα συµβολογράµµατα ENVISAT/ASAR, ο µέσος ρυθµός καθίζησης στην περιοχή του Καλοχωρίου, για την περίοδο , εκτιµάται ότι δεν ξεπερνά τα 3cm/yr (περίπου 1 κροσσός συµβολής/yr), αποτέλεσµα το οποίο συµφωνεί µε τα χαµηλότερα όρια του ρυθµού που υπολογίστηκε από προηγούµενους µελετητές (Badelas et al. 1996, Doukas et al. 2004, Stiros 2001, Raucoules et al. 2008), χρησιµοποιώντας δεδοµένα έως το 2002.

149 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 146 Σχήµα 97. Αναγωγή της µετρούµενης από τη µέθοδο InSAR µετάθεσης (d) πάνω στη γραµµή παρατήρησης (LoS) του SAR, σε κατακόρυφη µετατόπιση (καθίζηση) (d v =K). Η γωνία α είναι η γωνία πρόσπτωσης της µικροκυµατικής ακτινοβολίας, που για τα χρησιµοποιούµενα δεδοµένα ERS και ENVISAT είναι περίπου 23 ο. Όσον αφορά στην πόλη της Θεσσαλονίκης, αυτή παρουσιάζεται σχετικά σταθερή, καθώς δεν εµφανίζει κανένα πρότυπο παραµόρφωσης, σε οποιοδήποτε από τα 117 συµβολογράµµατα. Τέλος, αρκετά συµβολογράµµατα ENVISAT/ASAR υποδεικνύουν, ότι η παραµόρφωση που προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Raucoules et al. (2008), µε δεδοµένα συµβολοµετρίας εικόνων ERS, στα ΒΒ προάστια της Θεσσαλονίκης (περιοχή Ωραιοκάστρου), δεν συνιστά ευκαιριακό αποτέλεσµα. Αντιθέτως, είναι πολύ πιθανό να αντικατοπτρίζει ένα φαινόµενο υπό εξέλιξη, το οποίο χρήζει περαιτέρω έρευνας ΣΥΜΒΟΛΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ERS Παραγωγή των συµβολογραµµάτων Από τη στιγµή που κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διατριβής δε σηµειώθηκε κάποιο ισχυρό σεισµικό γεγονός στην περιοχή µελέτης, σκοπός της

150 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ 147 παραγωγής συµβολογραµµάτων ERS παρέµεινε η αναζήτηση παραµορφώσεων στο χώρο της Μυγδονίας λεκάνης. Από τις διαθέσιµες εικόνες ERS, χρησιµοποιήθηκαν κυρίως τα δεδοµένα της περιόδου , καθώς από το 2001, όλα τα γυροσκόπια του δορυφόρου ERS-2 έπαψαν να λειτουργούν («Zero-Gyro mode»), µε αποτέλεσµα την εισαγωγή ασαφειών στη γνώση της ακριβούς τροχιάς του δορυφόρου, παράµετρος η οποία αποτελεί σηµαντικό στοιχείο κατά τη συµβολοµετρική επεξεργασία. Έ- τσι, αν και η παραγωγή συµβολογραµµάτων ERS µετά το 2001 δεν είναι αδύνατη, η επιλογή και διαχείριση των δεδοµένων απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και κατάλληλες ρυθµίσεις. Με τις ως άνω θεωρήσεις, υπολογίστηκαν συνολικά 74 διαφορικά συµβολογράµµατα ERS, ορισµένα από τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια (Σχήµα 98). Σχήµα 98. Εξι από τα συνολικά 74 υπολογισµένα διαφορικά συµβολογράµµατα ERS.

151 7. ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑ SAR ΩΣ ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ Εκτίµησης της συνάφειας της φάσης Κατ αντιστοιχία µε τα συµβολογράµµατα ENVISAT/ASAR, υπολογίστηκε η συνάφεια της φάσης για το σύνολο των 74 συµβολογραµµάτων ERS (Σχήµα 99). Σχήµα 99. Χάρτης συνάφειας της φάσης, βασισµένος σε 74 συµβολογράµµατα ERS. Οι θέσεις στην ευρύτερη Μυγδονία λεκάνη όπου η συνάφεια της φάσης διατηρείται, περιορίζονται κυρίως στο χώρο των, γενικά µικρών, οικισµών, οι οποίοι συναντώνται στην περιοχή Φιλτράρισµα, γεωκωδικοποίηση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων Σε αντίθεση µε την περίπτωση του οικιστικού συγκροτήµατος της Θεσσαλονίκης και του Καλοχωρίου, η έκταση των «συναφών» περιοχών είναι διεσπαρµένη στο χώρο της Μυγδονίας, µε αποτέλεσµα να µην µπορούν να διακριθούν κροσσοί συµβολής. Ακόµη και µετά από κατάλληλο φιλτράρισµα των συµβολογραµµάτων και γεωκωδικοποίησή τους, κατ αντιστοιχία µε τα δεδοµένα ENVISAT/ASAR, το αποτέλεσµα είναι ιδιαίτερα φτωχό. Θα πρέπει ωστόσο να σηµειωθεί, ότι οι αναµενόµενες παραµορφώσεις στην περίπτωση αυτή δεν ξεπερνούν τα λίγα mm/yr και συνεπώς το σήµα θα ήταν ούτως ή άλλως ασθενές. Εξάλλου, ούτε στα αποτελέσµατα της συµβολοµετρίας των εικόνων ENVISAT/ASAR, οι οποίες καλύπτουν ένα σηµαντικό τµήµα της Μυγδονίας, παρατηρήθηκαν κάποια πρότυπα παραµόρφωσης.

152 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 8.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται όλες οι (προ)επεξεργασίες που εφαρµόστηκαν στις διαθέσιµες δορυφορικές εικόνες, εξαιρουµένης της επεξεργασίας των συµβολοµετρικών δεδοµένων, η οποία εξετάστηκε ενδελεχώς σε προηγού- µενα κεφάλαια ( 6.9 & 7). Τα τελικά προϊόντα των επεξεργασιών χρησιµοποιήθηκαν συνδυαστικά, στα πλαίσια µίας σεισµοτεκτονικής ανάλυσης για συγκεκριµένα ρήγµατα της περιοχής µελέτης (βλ. 9.3), τα οποία εµφανίζονται ως «γραµµώσεις» στις τηλεπισκοπικές εικόνες ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι δορυφορικές εικόνες παρέχουν στους Γεωλόγους µία µοναδική δυνατότητα συνοπτικής παρατήρησης της σύνθετης αλληλεπίδρασης των µεγάλης κλί- µακας γεωλογικών δοµών, οι οποίες διαµορφώνουν το «πρόσωπο της Γης», όπως αυτό φαίνεται από ψηλά. Επίσης, περαιτέρω τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων µπορούν να εφαρµοστούν στα δορυφορικά δεδοµένα, ώστε να ε- νισχυθούν συγκεκριµένα γεωλογικά χαρακτηριστικά Γραµµώσεις Οι γραµµώσεις (lineaments) αποτελούν γραµµικά χαρακτηριστικά, τα οποία είναι αναγνωρίσιµα είτε σε χάρτες, αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες ή σε άλλες πρωτογενείς ή δευτερογενείς (παράγωγες) απεικονίσεις της γήινης επιφάνειας, καθώς και σε περισσότερο πολύπλοκα προϊόντα, που περιλαµβάνουν τη συνδυασµένη χρήση εικόνων, ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου και 3D απεικονίσεων (π.χ. Dimadi & Tsakiri-Strati, 2004). Η ερµηνεία των γραµµώσεων παρουσιάζει µεγάλο ενδιαφέρον για τους Γεωεπιστήµονες. Ο Hobbs (1904) προσδιόρισε πρώτος τις γραµµώσεις ως «σηµαντικές γραµµές του αναγλύφου, οι οποίες αποκαλύπτουν την κρυµµένη αρχιτεκτονική του υποβάθρου» (Astaras, 1990). Οι O Leary et al. (1976) επαναπροσδιόρισαν τη χρήση του όρου και όρισαν τη γράµµωση από περισσότερο γεωµορφολογική σκοπιά, ως «ένα χαρτογραφήσιµο απλό ή σύνθετο γραµµικό χαρακτηριστικό µιας επιφάνειας, τα τµήµατα του οποίου έχουν µεταξύ τους µια ευθεία ή ελαφρώς καµπυλωτή διάταξη, που διαφέρει ευκρινώς από τη διάταξη των παρακεί- µενων χαρακτηριστικών και πιθανώς αντανακλά ένα υποεπιφανειακό φαινόµενο» (Astaras 1990, Gupta 2003). Ο όρος «φωτογράµµωση» έχει διατηρηθεί έως σήµερα περισσότερο για ι- στορικούς λόγους, καθώς ο εντοπισµός και η χαρτογράφηση των γραµµώσεων γινόταν αρχικά µε τη βοήθεια αεροφωτογραφιών, οι οποίες και υπήρξαν τα

153 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 150 πρώτα διαθέσιµα δεδοµένα τηλεπισκόπησης. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και την ανάπτυξη νέων συστηµάτων απεικόνισης (π.χ. πολυφασµατικοί σαρωτές, ραντάρ) και της δορυφορικής τεχνολογίας, η ευρύτερη έννοια της «εικόνας» αντικατέστησε τη λέξη «φωτογραφία» και ο όρος «γράµµωση» καθιερώθηκε στις Γεωεπιστήµες για να περιλάβει όλα τα γραµµικά στοιχεία που εµφανίζονται σε κάθε είδους απεικόνιση (Μουρατίδης 2005, Mouratidis et al. 2009). Οι γραµµώσεις που ανιχνεύονται στις εικόνες αντιπροσωπεύουν συνήθως τα ίχνη ασυνεχειών, όπως λιθολογικά όρια, επιφάνειες στρώσης, ρωγµώσεις και διακλάσεις της επιφάνειας του εδάφους, αλλά πιο σηµαντικά, µπορούν να υποδείξουν ή να υποδηλώσουν την παρουσία ρηγµάτων. Απαιτείται πάντως εµπειρία και προσοχή, ώστε να διακρίνει κανείς τις γραµµώσεις που σχετίζονται µε δοµές βάθους, από αυτές που είναι καθαρά επιφανειακής προέλευσης (π.χ. λόφοι, ξεροπόταµοι, κλιτύες που υπόκεινται σε διάβρωση κ.α.) (Mostafa & Zakir, 1996). Η ποσοτική (καταγραφή του πλήθους) ανάλυση των γραµµώσεων που προέρχονται από οπτική παρατήρηση είναι σε µεγάλο ποσοστό υποκειµενική (Μουρατίδης, 2005) και µπορεί να οδηγήσει σε αντιφατικά αποτελέσµατα µεταξύ των ερευνητών. Με το σκεπτικό αυτό, µία συντηρητική προσέγγιση είναι η αναγνώριση µόνο των επιµηκέστερων και ευδιάκριτων γραµµώσεων (Novak & Soulakellis, 2000). Παρ όλα αυτά, η αναµφισβήτητη συµβολή της έρευνας για γραµµώσεις στην τεκτονική, την εκτίµηση του σεισµικού κινδύνου, την εκµετάλλευση ορυκτών, πετρελαίου και υδατικών αποθεµάτων, καθώς και σε αρκετές άλλες εφαρµογές, έχει καθιερώσει την αναγνώριση των γραµµώσεων ως βασική τεχνική έρευνας σε µια πληθώρα πεδίων (Mostafa & Zakir, 1996). Στην παρούσα διατριβή επιχειρήθηκε µία διαφορετική και λιγότερο υποκει- µενική προσέγγιση του θέµατος των γραµµώσεων, η οποία αφορά στην αξιολόγηση των δορυφορικών εικόνων, περισσότερο αναφορικά µε την ποιοτική απόδοση συγκεκριµένων γραµµικών χαρακτηριστικών γεωλογικού ενδιαφέροντος. Τα χαρακτηριστικά αυτά ήταν σηµαντικά ρήγµατα στην περιοχή µελέτης, όπως καθορίστηκαν σε προηγούµενη παράγραφο (βλ. Σχήµα 13, σελ. 34) Είδη δορυφορικών εικόνων ύο είδη δορυφορικών εικόνων αξιοποιούνται σήµερα στις Γεωεπιστήµες: (α) εικόνες των ραντάρ συνθετικής κεραίας (αντένας) (Synthetic Aperture Radars/SAR), τα οποία χρησιµοποιούν µικροκύµατα και (β) πολυφασµατικές εικόνες, οι οποίες λαµβάνονται από αισθητήρες που λειτουργούν στο ορατό (visible/vis) και υπέρυθρο (infrared/ir) τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Η φύση των φαινοµένων, τα οποία λαµβάνουν χώρα κατά την απεικόνιση της επιφάνειας της Γης µε συστήµατα ραντάρ είναι εγγενώς διαφορετική από εκείνη των οπτικών και υπέρυθρων εικόνων. Όταν η οπτική ή υπέρυθρη ακτινοβολία συναντά µία επιφάνεια, απορροφάται, ανακλάται ή διαδίδεται µέσα σε αυ-

154 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 151 τήν, ανάλογα µε τη µοριακή κατάσταση του υλικού της επιφάνειας. Έτσι, οι εικόνες VIS/IR παρέχουν πληροφορίες για τις χηµικές ιδιότητες των απεικονιζόµενων στόχων. Αντίθετα, τα µικροκύµατα ενός συστήµατος ραντάρ σκεδάζονται, κατά κύριο λόγο, σύµφωνα µε τις φυσικές και διηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών. Έτσι, η επιστροφή του σήµατος ραντάρ επηρεάζεται από τις κλίσεις, την τραχύτητα του αναγλύφου και την παρουσία βλάστησης, ενώ η αγωγιµότητα του εκάστοτε στόχου σχετίζεται µε το πορώδες του εδάφους και το περιεχόµενό του σε νερό. Συνεπώς, οι εικόνες ραντάρ και τα δεδοµένα του VIS/IR φάσµατος είναι συµπληρωµατικά, καθώς παρέχουν διαφορετικές πληροφορίες για την εκάστοτε περιοχή µελέτης και ένας «έξυπνος» συνδυασµός των δύο τύπων εικόνων µπορεί να παρέχει πολύ περισσότερες πληροφορίες, από ότι κάθε εικόνα από µόνη της (Leica Geosystems, 2008). Για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας χρησιµοποιήθηκαν τόσο πολυφασµατικές εικόνες της οπτικής (VIS) και υπέρυθρης (IR) περιοχής του φάσµατος όσο και εικόνες ραντάρ (SAR). Τα παραπάνω δεδοµένα διαθέτουν φασµατικό εύρος στο οπτικό, υπέρυθρο και µικροκυµατικό τµήµα του φάσµατος αντίστοιχα (Πίνακας 13), ενώ διαφοροποιούνται και ως προς τη χωρική τους ανάλυση και κάλυψη (βλ. Σχήµα 21, σελ. 44). Πίνακας 13. Φασµατική κάλυψη των χρησιµοποιούµενων δορυφορικών εικόνων. ορυφόρος/αισθητήρας Τύπος Εύρος µήκους κύµατος LANDSAT-5/TM & 7/ETM+ VIS/IR 0.45µm µm SPOT-5/HRG VIS/IR 0.48µm µm ERS/SAR & ENVISAT/ASAR ραντάρ (SAR) 3.75cm - 7.5cm (C-band) TerraSAR-X ραντάρ (SAR) 2.4cm cm (X-band) Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να τονιστεί, όσον αφορά στο τελικό οπτικό αποτέλεσµα, οι υψηλής χωρικής ανάλυσης εικόνες ραντάρ (π.χ. 3m για τα δεδοµένα TerraSAR-X) δεν είναι σε καµία περίπτωση αντίστοιχες µε τις υψηλής χωρικής ανάλυσης εικόνες του VIS/IR φάσµατος (π.χ. 5m για τις εικόνες SPOT- 5). Η διαφορά αυτή οφείλεται στη φύση των µικροκυµάτων και την κροκίδωση (speckle) (εγγενής θόρυβος στις εικόνες ραντάρ), που µειώνουν σηµαντικά την ποιότητα των εικόνων SAR. Παρ όλα αυτά, σε γενικές γραµµές, οι εικόνες χωρικής ανάλυσης 30m (π.χ. LANDSAT-5/TM ή ENVISAT/ASAR) µπορούν να χρησι- µοποιηθούν για χαρτογράφηση σε κλίµακα 1: , ενώ τα 5m χωρικής διακριτικής ικανότητας (π.χ. SPOT-5 ή TerraSAR-X) επαρκούν για κλίµακες χαρτογράφησης έως και 1:

155 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εισαγωγή Πριν από οποιαδήποτε θεµατική ανάλυση των δορυφορικών εικόνων είναι αναγκαίο να γίνουν ορισµένες διορθώσεις, όπως γεωµετρικές, ραδιοµετρικές και καταγραφής, οι οποίες αποσκοπούν στην αποµάκρυνση σφαλµάτων λόγω ραδιοµετρικής υποβάθµισης, γεωµετρικών παραµορφώσεων και θορύβου που υ- πεισέρχονται κατά την καταγραφή και µεταβίβαση των δεδοµένων. Οι πρώτες αυτές φάσεις επεξεργασίας αποτελούν στο σύνολό τους το στάδιο της προετοιµασίας ή προεπεξεργασίας (preprocessing) των εικόνων (Αστάρας 2010, Συλλαίος 2000, Τσακίρη-Στρατή 2004). Οι εικόνες SAR και οι πολυφασµατικές εικόνες του VIS/IR φάσµατος απαιτούν ορισµένες κοινές διορθώσεις (π.χ. γεωµετρικές), αλλά και µερικές ειδικές διαδικασίες προεπεξεργασίας (π.χ. µείωση του θορύβου στις εικόνες SAR) Ραδιοµετρική διόρθωση εικόνων VIS/IR Τα ραδιοµετρικά σφάλµατα αναφέρονται στην τιµή έντασης κάθε ψηφίδας (εικονοστοιχείου) και µπορούν να οφείλονται σε κατασκευαστικές ατέλειες των συστηµάτων σάρωσης, µεταβίβασης καταγραφής και αναπαραγωγής των δεδο- µένων των εικόνων, καθώς και στην ατµόσφαιρα ή τη φύση της γήινης επιφάνειας. Οποιαδήποτε και αν είναι η αιτία των παραπάνω σφαλµάτων, δηµιουργεί προβλήµατα στην ερµηνεία των εικόνων και στη στατιστική τους επεξεργασία, η οποία βασίζεται στις τιµές των ψηφίδων (Τσακίρη-Στρατή, 2004). Η επίδραση της ατµόσφαιρας στην ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία (ΗΜΑ) περιλαµβάνει επιλεκτική σκέδαση, απορρόφηση και εκποµπή της τελευταίας, φαινόµενα που οδηγούν σε επιπλέον ακτινοβολία (εκτός αυτής του στόχου), η οποία καταγράφεται στον αισθητήρα και ονοµάζεται «ακτινοβολία της ατµοσφαιρικής διαδροµής» (path radiance). Το φαινόµενο είναι ιδιαίτερα έντονο στα µικρότερα µήκη κύµατος (υπεριώδης-µπλε περιοχή του φάσµατος), ενώ εξασθενεί και ενδεχοµένως θεωρείται αµελητέο, στην κοντινή υπέρυθρη φασµατική περιοχή (Μερτίκας 1999, Gupta 2003). Η ακτινοβολία της ατµοσφαιρικής διαδροµής επηρεάζει τα τηλεπισκοπικά δεδοµένα µε δύο τρόπους: (α) µειώνει την αντίθεση (contrast) και (β) προκαλεί το φαινόµενο της «επίδρασης γειτνίασης» (adjacency effect), κατά το οποίο, στην καταγραφόµενη για έναν στόχο ακτινοβολία, προστίθεται ενέργεια που προέρχεται από γειτονικούς στόχους. Οι µέθοδοι για την ατµοσφαιρική διόρθωση, µπορούν να οµαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες (Gupta, 2003): 1) Τεχνικές που χρησιµοποιούν ατµοσφαιρικά µοντέλα (atmospheric models). Αυτές οι µέθοδοι δίνουν τα καλύτερα αποτελέσµατα, όµως προϋποθέ-

156 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 153 τουν την ύπαρξη µετρήσεων ατµοσφαιρικών παραµέτρων κατά τη λήψη της εικόνας. 2) Μέθοδος «αφαίρεσης σκοτεινών αντικειµένων» (Dark object subtraction). Συνιστά µια απλή και γρήγορη εµπειρική διαδικασία. Βασίζεται στην υπόθεση, ότι σε κάθε εικόνα υπάρχουν τουλάχιστον λίγα «σκοτεινά» εικονοστοιχεία (0% ανάκλαση), τα οποία µπορεί να αντιστοιχούν σε βαθιές, καθαρές υδάτινες επιφάνειες, σκιές κ.λ.π. Στην ιδανική περίπτωση, οι τιµές έντασης αυτών των εικονοστοιχείων πρέπει να είναι µηδέν, εξαιτίας όµως της επίδρασης της ατµόσφαιρας καταγράφουν µη µηδενικές τιµές. Οι µικρότερες τιµές έντασης σε κάθε δίαυλο (κανάλι ή φασµατική ζώνη/band) θεωρούνται ότι αποτελούν την ακτινοβολία της ατµοσφαιρικής διαδροµής και αφαιρούνται από όλες τις τιµές έντασης των εικονοστοιχείων του αντίστοιχου διαύλου Μείωση του θορύβου στις εικόνες SAR Κάθε εικόνα ραντάρ, κατά τη λήψη της, περιέχει ένα είδος θορύβου, ο ο- ποίος οφείλεται σε φαινόµενα συµβολής της µικροκυµατικής ακτινοβολίας (Μερτίκας, 1999) και την παρουσία στατιστικά διεσπαρµένων στοιχείων ανάκλασης εντός εκάστου εικονοστοιχείου. Παρά το γεγονός ότι ο θόρυβος αυτός περιέχει και πληροφορία, προσδίδει στην εικόνα µία «κροκιδωτή» εµφάνιση (speckle), η οποία επηρεάζει αρνητικά τη δυνατότητα ερµηνείας της εικόνας (Συλλαίος 2000, Gupta 2003). Επειδή οποιαδήποτε επεξεργασία λάβει χώρα πριν την (τουλάχιστον µερική) αποµάκρυνση της κροκιδωτής υφής ενσωµατώνει το θόρυβο και µειώνει την ποιότητα των αποτελεσµάτων, οι εικόνες SAR δεν θα πρέπει να χρησιµοποιούνται, εάν δεν προηγηθεί η εφαρµογή κάποιου φίλτρου για την ελαχιστοποίηση του speckle. Ακόµα και ορισµένες επεξεργασίες, οι οποίες χρησιµοποιούν τη µέθοδο παρεµβολής του «πλησιέστερου γειτονικού σηµείου» (nearest neighbor) και ως εκ τούτου δεν µεταβάλλουν τις τιµές των εικονοστοιχείων, δεν προτείνονται να εφαρµοστούν προτού αποµακρυνθεί ο θόρυβος (Leica Geosystems, 2008). Από την άλλη πλευρά, η µείωση του θορύβου γίνεται σε κάθε περίπτωση εις βάρος της χωρικής διακριτικής ικανότητας και οι Γεωλόγοι προτιµούν γενικά υψηλής ανάλυσης εικόνες SAR (Gupta, 2003). Σε µία διαφορετική προσέγγιση, οι Barbieri & Lichtenegger (2005) προτείνουν, ότι τα βέλτιστα αποτελέσµατα ερµηνείας εικόνων SAR προκύπτουν από την ταυτόχρονη ανάλυση των πρωτογενών και των φιλτραρισµένων δεδοµένων. Από τα διαθέσιµα φίλτρα, γενικά προτιµάται το φίλτρο «Gamma Map», κατά την εφαρµογή του οποίου γίνεται η θεώρηση, ότι τα δεδοµένα ακολουθούν την κατανοµή Γάµµα (Gamma distribution), η οποία προσεγγίζει καλύτερα τη στατιστική κατανοµή των δεδοµένων ραντάρ, σε σχέση µε την κανονική κατανοµή (κατανοµή Gauss). Από το φιλτράρισµα µε την τεχνική αυτή, προκύπτουν

157 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 154 οµαλοποιηµένες εικόνες µε τονισµένα γραµµικά χαρακτηριστικά (Barbieri & Lichtenegger, 2005). Άλλα φίλτρα, όπως τα «Lee» και «Sigma», τα οποία χρησιµοποιούν τον συντελεστή µεταβλητότητας [Sqrt(Var)/(Mean)] (Leica Geosystems, 2008), αποδίδουν ικανοποιητικά στην ερµηνεία µορφολογικών χαρακτηριστικών σε µικρές κλίµακες Γεωµετρική διόρθωση/ορθοαναγωγή Για να είναι συγκρίσιµες στην πράξη τόσο µεταξύ τους (ιδίως αν πρόκειται για δεδοµένα από διαφορετικούς δέκτες) όσο και µε άλλα, τηλεπισκοπικά και µη, δεδοµένα, οι δορυφορικές εικόνες πρέπει να διαθέτουν γεωαναφορά (διαδικασία ορισµού συντεταγµένων επί του εδάφους). Η γεωαναφορά (georeferencing) ή γεωκωδικοποίηση (geocoding) µπορεί να δοθεί µε την διαδικασία της αναγωγής (rectification) της εικόνας σε κάποιο σύστηµα συντεταγµένων. Ωστόσο, η πληρέστερη διαδικασία γεωαναφοράς είναι η ορθοαναγωγή (orthorectification), κατά την οποία διορθώνονται επιπλέον τα γεωµετρικά σφάλµατα εξαιτίας του αναγλύφου µε τη χρήση ενός αξιόπιστου Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους (Digital Terrain Model/DTM). Το τελικό προιόν χαρακτηρίζεται ως ορθοεικόνα, κατά α- ντιστοιχία µε τις ορθοφωτογραφίες και τους ορθοφωτοχάρτες. Οι γεωµετρικές παραµορφώσεις κυριαρχούν στις εικόνες SAR και καθώς είναι µη-γραµµικές, δεν µπορούν να διορθωθούν σωστά µε τη χρήση πολυωνυµικών συναρτήσεων και επίγειων σηµείων ελέγχου. Οι παραµορφώσεις αυτές εξαρτώνται από το είδος του αναγλύφου και τη γωνία παρατήρησης του ραντάρ και µεγιστοποιούνται σε µη επίπεδες περιοχές κατά µήκος της γραµµής παρατήρησης (κάθετα στη διεύθυνση πτήσης του φορέα του ραντάρ). Για τη γεωµετρική διόρθωση (ορθοαναγωγή) των εικόνων SAR µε τον κατά το δυνατόν καλύτερο τρόπο, απαιτούνται το ακριβές µοντέλο της γεωµετρίας του αισθητήρα ραντάρ, το οποίο αντιστοιχεί στην φυσική πραγµατικότητα και λαµβάνει υπόψη όλες τις παραµορφώσεις κατά το σχηµατισµό της εικόνας, καθώς επίσης και ένα ψηφιακό µοντέλο αναγλύφου (Toutin, 2004). Επιπλέον, οι γεωµετρικές παραµορφώσεις στις εικόνες SAR προκαλούν ραδιοµετρικές επιδράσεις εξαιτίας του αναγλύφου (terrain induced radiometric effects), δηλαδή παραποιούν τις τιµές έντασης των εικονοστοιχείων της εικόνας (Barbieri & Lichtenegger, 2005). Η ορθοαναγωγή, αν και δεν έχει τόσο προφανή επίδραση στις πολυφασµατικές εικόνες (και κυρίως σε οµαλό ανάγλυφο), είναι εξίσου απαραίτητη, ιδίως στις ορεινές περιοχές.

158 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΒΕΛΤΙΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΕΙΚΟΝΩΝ Για την αναγνώριση γραµµώσεων σε δορυφορικές εικόνες, χρησιµοποιούνται κυρίως δύο είδη επιφανειακών χαρακτηριστικών: (α) τα γεωµορφολογικά, τα οποία είναι αποτέλεσµα του αναγλύφου και (β) τα χαρακτηριστικά που οφείλονται σε τονικές διαφορές (Astaras, 1991). Καθώς η ποιότητα χαρτογράφησης των γραµµώσεων από τα δορυφορικά δεδοµένα εξαρτάται κυρίως από την εφαρµοζόµενη τεχνική ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας, ορισµένες µέθοδοι οδηγούν στην βέλτιστη απεικόνιση των γραµµώσεων, τις καθιστούν αναγνωρίσιµες και επιτρέπουν το διαχωρισµό των «πραγµατικών» γραµµώσεων από εκείνες που αντιπροσωπεύουν κυρίως τοπογραφικά χαρακτηριστικά (Mostafa & Zakir, 1996). Στη συνέχεια περιγράφονται εν συντοµία οι κυριότερες τεχνικές επεξεργασίας, όπως προτείνονται από τον Μουρατίδη (2005), οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν πειραµατικά ή/και υιοθετήθηκαν στην παρούσα διατριβή, για την βελτίωση των δορυφορικών εικόνων και κυρίως για την ενίσχυση των γραµµικών χαρακτηριστικών. Βεβαίως, η παράθεση των µεθόδων που δύνανται να εφαρµοστούν δεν είναι εξαντλητική και για περισσότερες λεπτοµέρειες ο αναγνώστης παραπέ- µπεται στην κατάλληλη βιβλιογραφία (π.χ. Richards & Jia 1999, 2006, Pratt 2001, Τσακίρη-Στρατή 2004) Ραδιοµετρική ενίσχυση Γραµµική έκταση του ιστογράµµατος Η γραµµική έκταση (linear stretching) είναι µια απλή µέθοδος οπτικής βελτίωσης της αντίθεσης µιας εικόνας. Τα τηλεπισκοπικά συστήµατα είναι σχεδιασµένα µε τέτοιον τρόπο, ώστε να παρέχουν εικόνες, των οποίων οι τιµές έντασης καλύπτουν µεγάλο εύρος (π.χ στις εικόνες Landsat-5/TM). Πολλές φορές ωστόσο, η έκταση του ιστογράµµατος (histogram), δηλαδή της γραφική παράστασης του πλήθους των εικονοστοιχείων συναρτήσει των τιµών έντασής τους, είναι µικρή, µε αποτέλεσµα η αντίστοιχη εικόνα να είναι χαµηλών τονικών διαφορών. Στην περίπτωση αυτή εφαρµόζεται στο ιστόγραµµα ένας γραµµικός µετασχηµατισµός έκτασης, ο οποίος αυξάνει το εύρος των τιµών έ- ντασης και συνεπώς βελτιώνει την αντίθεση της εικόνας. Εξισορρόπηση του ιστογράµµατος Η εξισορρόπηση του ιστογράµµατος (histogram equalization) συνιστά µια διαδικασία µη γραµµικού µετασχηµατισµού, η οποία ανακατανέµει τις τιµές των εικονοστοιχείων, έτσι ώστε προσεγγιστικά σε κάθε τιµή να αντιστοιχεί το ίδιο πλήθος ψηφίδων.

159 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 156 Προσαρµογή του ιστογράµµατος σε µαθηµατική αναφορά Σε ορισµένες εφαρµογές απαιτείται να προεπιλεχθεί ένα επιθυµητό σχήµα του ιστογράµµατος της εικόνας, ώστε οι τιµές έντασης της εικόνας που θα προκύψει να ακολουθούν συγκεκριµένη κατανοµή. Ως αναφορά επιλέγεται µία µαθηµατική συνάρτηση, η οποία περιγράφει το επιθυµητό σχήµα. Ιδιαίτερο παράδειγµα αποτελεί το ιστόγραµµα του Gauss (Gaussian) ή κανονικό ιστόγραµµα, το οποίο αντικατοπτρίζει την κανονική κατανοµή (normal distribution) και είναι το πιο διαδεδοµένο στη φύση. Ο µετασχηµατισµός του αρχικού ιστογράµµατος σε κανονικό γίνεται µε τη βοήθεια της συνάρτησης πυκνότητας της κανονικής κατανοµής, η οποία είναι η εξής (Τσακίρη-Στρατή, 2004): f(x) = σ 1 (2 π ) 1 x-m 2 ( ) 2 σ e 1/ 2 όπου: σ: η τυπική απόκλιση του αρχικού ιστογράµµατος x: οι τιµές έντασης του ιστογράµµατος µ: η µέση τιµή των τιµών έντασης Η προσαρµογή αυτή του ιστογράµµατος, η οποία αναφέρεται και ως «έκταση Gauss» (Gaussian stretch) (Gupta, 2003), επιφέρει µείωση των µαύρων (σκοτεινών) και των λευκών (φωτεινών) περιοχών της εικόνας, µε αποτέλεσµα η περισσότερη πληροφορία να περιέχεται στους ενδιάµεσους (τεφρούς) τόνους (Richards & Jia 1999, Gupta, 2003, Τσακίρη-Στρατή 2004). Αντιστροφή της εικόνας Οι συναρτήσεις αντιστροφής της εικόνας (image inversion) δίδουν εικόνες, οι οποίες έχουν την αντίστροφη αντίθεση µε τις αρχικές. Αυτό σηµαίνει, πως οι σκοτεινές περιοχές γίνονται φωτεινές και αντίστροφα, οπότε το αποτέλεσµα µοιάζει µε «φωτογραφικό αρνητικό» της αρχικής εικόνας (Τσακίρη-Στρατή, 2004). Ψευδοέγχρωµη απεικόνιση Η τεχνική της ψευδοέγχρωµης απεικόνισης (pseudocolour display) εφαρµόζεται σε ασπρόµαυρες εικόνες. Κατά την εφαρµογή της, οι διαβαθµίσεις (τόνοι)

160 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 157 του τεφρού χρώµατος (gray tones) κωδικοποιούνται σε χρώµατα, ανάλογα µε κάποιο χρωµατικό πίνακα (color table). Το οπτικό αποτέλεσµα είναι καλύτερο, καθώς το ανθρώπινο µάτι µπορεί να διακρίνει περισσότερα διαφορετικά χρώµατα (εκατοντάδες) από ότι διαφορετικές διαβαθµίσεις του τεφρού χρώµατος (15 έως 25) (Αστάρας 2010, Τσακίρη-Στρατή 2004) Γεωµετρική ενίσχυση Eνίσχυση των ακµών Σε µια δορυφορική εικόνα, η σηµαντική πληροφορία για τη διάκριση γειτονικών αντικειµένων περιέχεται στις ακµές (edges), οι οποίες αντιστοιχούν σε διακυµάνσεις υψηλής συχνότητας. Συνιστούν ουσιαστικά το όριο µεταξύ δύο διαφορετικών οµογενών περιοχών ή το σηµείο της απότοµης αλλαγής της τιµής έντασης από ένα εικονοστοιχείο σε ένα άλλο. Για την ανάδειξη αυτών των στοιχείων χρησιµοποιούνται τεχνικές ενίσχυσης των ακµών (edge enhancement techniques), οι οποίες ονοµάζονται και «φίλτρα υψηλής διέλευσης» (high-pass filters), δηλαδή φίλτρα που επιτρέπουν τη διέλευση συχνοτήτων µεγαλύτερων από ορισµένη τιµή ή διαφορετικά τεχνικές ενίσχυσης της υφής (textural enhancement techniques). Μία από τις κύριες χρήσεις των τεχνικών ενίσχυσης των ακµών της ψηφιακής εικόνας είναι η αναγνώριση και ανάλυση γεωλογικών (π.χ. ρήγµατα, γραµ- µώσεις, διακλάσεις κ.α.) και άλλων γραµµικών στοιχείων, όπως για παράδειγµα δρόµοι, κανάλια, ποταµοί, όρια κτηµάτων κ.α. (Gupta 2003, Τσακίρη-Στρατή 2004). Οµαλοποίηση (εξοµάλυνση) της εικόνας Ο κύριος στόχος κατά την «οµαλοποίηση» (Τσακίρη-Στρατή, 2004) (ή αλλιώς «εξοµάλυνση», Μερτίκας, 1999) µιας εικόνας είναι η ενίσχυση της χωρικής πληροφορίας χαµηλών συχνοτήτων (low-frequency spatial information) και η µείωση του θορύβου. Από τον ορισµό αυτό προκύπτει, ότι το αποτέλεσµα της οµαλοποίησης µιας εικόνας είναι ακριβώς το αντίστροφο από αυτό της ενίσχυσης των ακµών, που εξετάστηκε στην προηγούµενη παράγραφο. Καθώς η τεχνική αυτή εξοµαλύνει τις τοπικές διαφορές, καθίσταται κατάλληλη στη µελέτη δοµών που εκτείνονται σε µεγάλες γεωλογικές ενότητες (Gupta, 2003). Ορισµένα τυπικά φίλτρα, τα οποία χρησιµοποιούνται για την εξοµάλυνση της εικόνας είναι τα φίλτρα µετακινούµενων µέσων τιµών και φίλτρα διαµέσου τιµής (Μερτίκας, 1999, Τσακίρη-Στρατή, 2004).

161 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ Μετασχηµατισµοί πολυφασµατικών δεδοµένων Ανάλυση κυρίων συνιστωσών Συχνά, συγκρίνοντας τις διάφορες φασµατικές ζώνες µιας πολυφασµατικής εικόνας, παρατηρείται πως παρουσιάζουν µεγάλη οµοιότητα. Έτσι, περιοχές οι οποίες είναι φωτεινές ή σκοτεινές σε µια φασµατική ζώνη, τείνουν να είναι φωτεινές ή σκοτεινές και σε άλλες φασµατικές ζώνες του ίδιου αισθητήρα. Η σχέση αυτή φαίνεται στο διάγραµµα διασποράς των ψηφίδων στο χώρο των φασµατικών ζωνών. Για παράδειγµα, τοποθετώντας τους ψηφιακούς αριθµούς (τιµές έ- ντασης) της φασµατικής ζώνης 1 του θεµατικού χαρτογράφου (ΤΜ-1) στο ίδιο σύστηµα αξόνων µε τους ψηφιακούς αριθµούς της φασµατικής ζώνης 2 (ΤΜ-2) του ίδιου σαρωτή, παρατηρούµε, ότι καθώς οι ψηφιακοί αριθµοί αυξάνουν για τη µια φασµατική ζώνη, αυξάνουν και για την άλλη. Έτσι, αν γνωρίζουµε τον ψηφιακό αριθµό ενός εικονοστοιχείου στη φασµατική ζώνη 1, τότε µπορούµε να προβλέψουµε προσεγγιστικά την τιµή του φασµατικού αριθµού που θα έχει το ίδιο εικονοστοιχείο στη φασµατική ζώνη 2. Σε αυτήν την περίπτωση τα παραπάνω δεδοµένα παρουσιάζουν ισχυρή συσχέτιση (correlation) µεταξύ τους, κάτι το οποίο σηµαίνει πως υπάρχουν πολλές περιττές πληροφορίες στην οµάδα των πολυφασµατικών δεδοµένων. Αν αυτές οι περιττές πληροφορίες µειωθούν, τότε το πλήθος των δεδοµένων που απαιτείται για να περιγραφεί µια πολυφασµατική εικόνα µπορεί να συµπιεστεί (Sabins, 1987). Η Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών (Principal Component Analysis/PCA), ή αλλιώς Μετασχηµατισµός Κυρίων Συνιστωσών (Principal Component Transformation/PCT), αρχικά γνωστός και ως µετασχηµατισµός Karhunen Loeve (Sabins, 1997), χρησιµοποιείται για να συµπιέσει σειρές πολυφασµατικών δεδοµένων υπολογίζοντας ένα νέο σύστηµα συντεταγµένων. Για δεδοµένα που ανήκουν σε δυο φασµατικές ζώνες, ο µετασχηµατισµός καθορίζει έναν νέο άξονα (y 1 ) προσανατολισµένο προς την µεγαλύτερη διάσταση της κατανοµής και έναν δεύτερο άξονα (y 2 ), κάθετο προς τον y 1. Χρησιµοποιώντας έναν γραµµικό συνδυασµό, µεταξύ των τιµών έντασης των εικονοστοιχείων στο αρχικό σύστηµα συντεταγ- µένων, προκύπτουν οι αντίστοιχες τιµές στο νέο σύστηµα συντεταγµένων, ως εξής (Sabins, 1987): y 1 = a 11 x 1 + a 12 x 2 y 2 = a 21 x 1 + a 22 x 2 όπου (x1, x2): οι συντεταγµένες των εικονοστοιχείων στο αρχικό σύστηµα (y1, y2): οι συντεταγµένες των εικονοστοιχείων στο νέο σύστηµα a11, a12, a22: σταθερές

162 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 159 Ο ίδιος Μετασχηµατισµός Κυρίων Συνιστωσών µπορεί να διεξαχθεί για οµάδες πολυφασµατικών δεδοµένων, οι οποίες αποτελούνται από οποιοδήποτε α- ριθµό φασµατικών ζωνών, οπότε καθορίζονται διαδοχικά επιπρόσθετες διευθύνσεις συντεταγµένων (coordinate directions). Κάθε καινούργια συντεταγµένη προσανατολίζεται κάθετα σε όλες τις προηγούµενα καθορισµένες διευθύνσεις και κατά τη διεύθυνση των σηµείων των δεδοµένων των εικονοστοιχείων που έχουν παραµείνει και έχουν τη µέγιστη πυκνότητα. Για κάθε εικονοστοιχείο, καθορίζονται νέοι ψηφιακοί αριθµοί, για κάθε έναν από τους νέους άξονες συντεταγµένων. Έτσι, ένα σύνολο τιµών ψηφιακών αριθµών υπολογίζεται για κάθε εικονοστοιχείο, σε σχέση µε την πρώτη κύρια συνιστώσα. Αυτοί οι ψηφιακοί αριθµοί χρησιµοποιούνται στη συνέχεια για τη δηµιουργία της εικόνας της πρώτης κύριας συνιστώσας (PC-1). Η ίδια διαδικασία ακολουθείται, έτσι ώστε να παραχθούν εικόνες για τις υπόλοιπες κύριες συνιστώσες (Sabins, 1987). Σύµφωνα µε τον Sabins (1987), η Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών παρουσιάζει τα ακόλουθα πλεονεκτήµατα: (α) Το µεγαλύτερο µέρος της µεταβλητότητας (variance), άρα και της πληροφορίας, σε µια σειρά πολυφασµατικών δεδοµένων «συµπιέζεται» στις πρώτες δύο εικόνες κυρίων συνιστωσών και (β) Ο θόρυβος γενικά µεταφέρεται στις λιγότερο συσχετισµένες εικόνες κυρίων συνιστωσών Οι φασµατικές διαφορές µεταξύ των υλικών, είναι πιθανώς πιο προφανείς στις εικόνες κυρίων συνιστωσών, παρά στις µεµονωµένες φασµατικές ζώνες. ηµιουργία ψευδοχρωµατικών εικόνων Όπως είναι γνωστό, ψευδοχρωµατικές εικόνες (false color images) είναι οι εικόνες εκείνες, στις οποίες τα χαρακτηριστικά της εκάστοτε περιοχής δεν απεικονίζονται µε τα πραγµατικά τους χρώµατα. Στις εικόνες αυτές οι διάφορες φασµατικές ζώνες απεικονίζονται ανά τρεις (σύνθεση τριών µονοχρωµατικών φασµατικών ζωνών), στην κόκκινη (R), πράσινη (G) και µπλε (B) χρωµατική έ- ξοδο (Οικονοµίδης, 2000). Λόγοι φασµατικών ζωνών και δείκτες βλάστησης Οι «εικόνες λόγων ή αναλογίας» (ratio images) δηµιουργούνται από τη διαίρεση της τιµής έντασης των εικονοστοιχείων µιας φασµατικής ζώνης µε την τιµή έντασης των αντίστοιχων εικονοστοιχείων µιας άλλης φασµατική ζώνης. Οι τιµές που προκύπτουν σχηµατίζουν την εικόνα αναλογίας (Sabins 1987, Drury 1993, Gupta 2003). Σε µια τέτοια εικόνα, οι περιοχές που απεικονίζονται µε λευ-

163 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 160 κό ή µαύρο χρώµα αντιστοιχούν σε εικονοστοιχεία, τα οποία έχουν τη µεγαλύτερη διαφορά στη ανακλαστικότητα ανάµεσα στις δυο φασµατικές ζώνες. Οι πιο σκοτεινές φασµατικές ταυτότητες είναι περιοχές όπου ο παρονοµαστής της αναλογίας είναι µεγαλύτερος από τον αριθµητή. Αντίστοιχα, ο αριθµητής είναι µεγαλύτερος από τον παρονοµαστή για τις πιο φωτεινές φασµατικές ταυτότητες. Όπου ο παρονοµαστής και ο αριθµητής είναι ίδιοι, δεν υπάρχει διαφορά µεταξύ των δυο φασµατικών ζωνών. Εικόνες αναλογίας µπορούν να συνδυαστούν και να δώσουν σύνθετες ψευδοχρωµατικές εικόνες (Sabins, 1987). Η διαίρεση µεταξύ των εικόνων αποτελεί τον πλέον διαδεδοµένο αριθµητικό µετασχηµατισµό (µπορεί να γίνει οποιαδήποτε πράξη µεταξύ των εικόνων), ο οποίος εφαρµόζεται κυρίως σε γεωλογικές και γεωργικές µελέτες, εξαιτίας της µείωσης των τοπογραφικών επιδράσεων που επιφέρει στη µετασχηµατισµένη εικόνα (Τσακίρη-Στρατή, 2004). Σύµφωνα µε τον Gupta (2003), η δηµιουργία λόγων συνιστά εξαιρετικά χρήσιµη διαδικασία, για την ενίσχυση χαρακτηριστικών σε πολυφασµατικές εικόνες. Εφαρµόζεται συχνά, ώστε να µειωθεί η επίδραση της σκίασης και της τοπογραφίας και να ενισχυθεί η φασµατική πληροφορία στις εικόνες. Η τεχνική της διαίρεσης (λόγου) φασµατικών ζωνών βρίσκει εφαρµογή στον υπολογισµό των λεγόµενων «δεικτών βλάστησης» (vegetation indices). Βιβλιογραφικά υπάρχουν αρκετοί δείκτες βλάστησης και πολλές εργασίες σχετικά µε τη χρήση τους, όµως το βασικό σκεπτικό είναι, πως ο λόγος του κοντινού υπερύθρου προς το ερυθρό είναι συνήθως υψηλός στην περίπτωση της υγιούς βλάστησης. Αυτό σηµαίνει, ότι σε περίπτωση ασθένειας ή έλλειψης βλάστησης, παρατηρείται µείωση της ανάκλασης στο κοντινό υπέρυθρο και αύξηση της ανάκλασης στο ερυθρό (Συλλαίος, 2000). Ένας από τους πιο διαδεδοµένους δείκτες είναι ο «είκτης Βλάστησης Κανονικοποιηµένης ιαφοράς» (Normalized Difference Vegetation Index / NDVI), ο οποίος ορίζεται ως εξής (Συλλαίος 2000, Φουρνιάδης κ.α. 2002): NDVI = (N.IR R)/(N.IR + R) όπου: NI.R (Near Infrared) είναι η φασµατική ζώνη του κοντινού υπερύθρου και R (Red) η φασµατική ζώνη του ερυθρού. Εκτός από τον NDVI, υπάρχει και ο «Μετασχηµατισµένος είκτης Βλάστησης» (Transformed Vegetation Index/TVI ή TNDVI), ο οποίος υπολογίζεται ως εξής (Συλλαίος, 2000): TVI = [(DN4-DN3/DN4+DN3) + 0,5] ½ x 100 όπου: DN3 και DN4 είναι η φασµατική ζώνη 3 (ανώτερο οπτικό) και η φασµατική

164 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 161 ζώνη 4 (εγγύς υπέρυθρο) του Landsat-5/TM Συγχώνευση εικόνων Οι τηλεπισκοπικές εικόνες προέρχονται από διάφορους εναέριους και διαστηµικούς δέκτες, µε διαφορετική χωρική (spatial), χρονική/διαχρονική (temporal) και φασµατική (spectral) διακριτική ικανότητα. Η συγχώνευση των εικόνων (data fusion) συνιστά την τεχνική, η οποία «συνενώνει» τις εικόνες αυτές (και άλλα δεδοµένα κατά περίπτωση), µε σκοπό την εξαγωγή περισσότερης και καλύτερης πληροφορίας για τα υπό εξέταση αντικείµενα, πράγµα που δεν θα ήταν εφικτό από τα δεδοµένα ενός µόνο δέκτη. Η τεχνική αυτή θα µπορούσε να οριστεί ως «η διαδικασία συγχώνευσης (merging) δεδοµένων από διάφορες πηγές, ώστε να εξαχθεί βελτιωµένη πληροφορία». Τα «συγχωνευµένα» δεδοµένα (fused data) προσδίδουν αυξηµένη αξιοπιστία στην ερµηνεία των εικόνων για τις διάφορες εφαρµογές (Gupta, 2003). Ενδεικτικά αναφέρεται, ότι τα δεδοµένα ραντάρ µπορούν να συνδυαστούν µε άλλα δεδοµένα, για παράδειγµα από το κοντινό ή το θερµικό υπέρυθρο τµή- µα του φάσµατος, ώστε να ενισχυθεί η πληροφορία που άπτεται του αντικειµένου των γεωεπιστηµών (Gupta, 2003). Σύµφωνα µε τον Gupta (2003), οι τεχνικές συγχώνευσης µπορούν να ε- φαρµοστούν σε ψηφιακές εικόνες έτσι ώστε: 1. να ενισχύσουν τις εικόνες 2. να βελτιώσουν τις γεωµετρικές διορθώσεις 3. να εµφανίσουν ορισµένα χαρακτηριστικά, τα οποία δεν είναι ορατά σε καµία από τις εικόνες χωριστά 4. να συµπληρώσουν σειρές δεδοµένων για καλύτερη ταξινόµηση 5. να ανιχνεύσουν αλλαγές χρησιµοποιώντας διαχρονικά δεδοµένα 6. να αντικαταστήσουν πληροφορία που απουσιάζει σε µία εικόνα (λ.χ. ε- ξαιτίας νεφοκάλυψης ή σκιάς), µε δεδοµένα από άλλο δέκτη 7. να αντικαταστήσουν «ελαττωµατικά» δεδοµένα Μία ειδική κατηγορία συγχώνευσης είναι η διαδικασία «pan-sharpening», κατά την οποία παγχρωµατικά δεδοµένα σχετικά υψηλής χωρικής ανάλυσης συγχωνεύονται µε πολυφασµατικά δεδοµένα χαµηλότερης διακριτικής ικανότητας, ώστε να προκύψουν πολυφασµατικές εικόνες µε τη χωρική ανάλυση της παγχρωµατικής εικόνας. Οι χρησιµοποιούµενες τεχνικές για τη συγχώνευση εικόνων κατηγοριοποιούνται σε τρεις τύπους, ανάλογα µε το στάδιο κατά το οποίο λαµβάνει χώρα η συγχώνευση. Έτσι έχουµε (Gupta, 2003): 1. Συγχώνευση σε επίπεδο εικονοστοιχείων (pixel-based fusion)

165 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ Συγχώνευση σε επίπεδο χαρακτηριστικών (feature-based fusion) 3. Συγχώνευση σε επίπεδο αποφάσεων (decision-based fusion) Το πρώτο βήµα σε όλες της µεθόδους συγχώνευσης είναι η προεπεξεργασία των δεδοµένων, για τον περιορισµό ραδιοµετρικών σφαλµάτων και η σχετική εγγραφή µεταξύ των εικόνων. Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας συγχώνευσης, η εικόνα που προκύπτει µπορεί να ενισχυθεί περαιτέρω, όπως γίνεται µε κάθε τηλεπισκοπική εικόνα στο στάδιο της επεξεργασίας. Η συγχώνευση σε επίπεδο εικονοστοιχείων απαιτεί σχετική εγγραφή µεταξύ των εικόνων µε ακρίβεια µικρότερη του µεγέθους του εικονοστοιχείου (sub-pixel accuracy). Το πλεονέκτηµα της τεχνικής αυτής είναι, ότι οι αρχικές εικόνες περιέχουν την πρωτογενή πληροφορία, µε αποτέλεσµα οι µετρούµενες φυσικές παράµετροι να διατηρούνται και να συγχωνεύονται. Κατά τη συγχώνευση σε επίπεδο χαρακτηριστικών, τα δεδοµένα είναι ήδη επεξεργασµένα, ώστε να εξαχθούν τα στοιχεία εκείνα, τα οποία επιθυµούµε τελικά να συγχωνευτούν. Τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά αναγνωρίζονται από το σχήµα, την έκταση και τη γειτονία τους. Τέλος, στην περίπτωση της συγχώνευσης σε επίπεδο αποφάσεων, τα χαρακτηριστικά ταξινοµούνται και συγχωνεύονται ανάλογα µε κάποιους κανόνες, ώ- στε να διαλευκανθούν τυχόν ασάφειες και να προκύψουν περισσότερο αξιόπιστα αποτελέσµατα. Για γεωλογικές εφαρµογές, η πιο συνηθισµένη τεχνική συγχώνευσης, που εφαρµόζεται σε δεδοµένα τηλεπισκόπησης, είναι αυτή σε επίπεδο εικονοστοιχείων (Gupta, 2003). Κατά τον Gupta (2003), οι τεχνικές συγχώνευσης σε επίπεδ ο εικονοστοι- χείων διαιρούνται σε τρεις κατηγορίες: 1. Στατιστικές και αριθµητικές µέθοδοι (statistical and numerical methods) 2. Xρωµατικοί µετασχηµατισµοί (colour transformations) 3. Μέθοδος µετασχηµατισµού κύµανσης (wavelet transform method) Για την στατιστική και αριθµητική επεξεργασία µπορούν να εφαρµοστούν διάφορες µέθοδοι, για παράδειγµα: 1. Aνάλυση Κυρίων Συνιστωσών (Principal Component Analysis/PCA) (βλ ) 2. Έκταση αποσυσχέτισης (decorrelation stretch)

166 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ Πρόσθεση/αφαίρεση (addition/subtraction) 4. ιαίρεση (λόγος)/πολλαπλασιασµός (ratioing/multiplication) Συνδυασµός εικόνων και DEM - 3D απεικόνιση Η υπέρθεση των γεωµετρικά διορθοµένων µε τη διαδικασία της ορθοαναγωγής εικόνων, σε κατάλληλα ψηφιακά µοντέλα εδάφους, µε σκοπό την τρισδιάστατη (3D) απεικόνιση του αναγλύφου, εκτός από µία εντυπωσιακή εφαρµογή, συνιστά και αποτελεσµατική διαδικασία σε διάφορους τοµείς των Γεωεπιστηµών. Έτσι, είναι γνωστό, πως µε τους συνδυασµούς αυτού του τύπου βελτιώνεται η οπτική ερµηνεία των δορυφορικών ή άλλων εικόνων, καθώς και ο εντοπισµός/χαρτογράφηση χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας, όπως είναι οι γραµµώσεις ή τα ρήγµατα (π.χ. Dimadi & Tsakiri-Strati, 2004) ΕΙΚΟΝΕΣ SPOT Το πρόγραµµα και οι δορυφόροι SPOT Το πρόγραµµα SPOT (Satellite Pour l Observation de la Terre) [url8] αποτελεί τµήµα της στρατηγικής της Γαλλικής ιαστηµικής Υπηρεσίας (Centre National d Etudes Spatiales/CNES) για την παρατήρηση της Γης. Ο πρώτος δορυφόρος της σειράς SPOT εκτοξεύτηκε το 1986 (Σχήµα 100). Τον Ιανουάριο του 1990 και τον Σεπτέµβριο του 2003 ακολούθησαν οι SPOT-2 και SPOT-3 αντίστοιχα. Τον Μάρτιο του 1998 εκτοξεύτηκε ο SPOT-4 και τέλος, τον Μάιο του 2002 έλαβε χώρα η εκτόξευση του πιο πρόσφατου δορυφόρου της σειράς, του SPOT-5 (Σχήµα 101). Σχήµα 100. Χρονοδιάγραµµα λειτουργίας των δορυφόρων της σειράς SPOT [url25].

167 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 164 Σχήµα 101. Ο δορυφόρος SPOT-5 [url8]. Η συνέχεια του προγράµµατος SPOT έχει εξασφαλιστεί µέσω του σχεδιασµού µίας νέας σειράς µικρών δορυφόρων µε το όνοµα «Πλειάδες» (Pléiades), το οποίο βρίσκεται σε στάδιο προετοιµασίας και αναµένεται να ξεκινήσει µετά το 2010 [url9]. Ο κύκλος κάλυψης της υδρογείου από τους δορυφόρους SPOT είναι 26 η- µέρες και επιτυγχάνεται από ύψος 832Κm (SPOT-1 έως 3), 820Κm (SPOT-4) και Κm (SPOT-5). Η τροχιά που διαγράφουν είναι σχεδόν πολική, κυκλική και ηλιοσύγχρονη (sun-synchronous), δηλαδή η τροχιακή περιστροφή τους γίνεται µε ρυθµό ίσο µε το ρυθµό περιστροφής της Γης. Έτσι, διέρχονται από τον ισηµερινό στις π.µ. κάθε ηµέρα, µε κλίση 98,7 Ο σε σχέση µε το ισηµερινό επίπεδο (Kramer 2002, Τσακίρη-Στρατή 2004). Το σύστηµα των δεκτών των τριών πρώτων δορυφόρων SPOT αποτελείται από δύο συστήµατα απεικόνισης HRV (High Resolution Visible). Το ένα σύστηµα είναι πολυφασµατικό (XS), ευαίσθητο στην ορατή και εγγύς υπέρυθρη περιοχή του φάσµατος και έχει επίγεια διακριτική ικανότητα 20m. Το άλλο σύστηµα, το παγχρωµατικό (PAN), έχει διακριτική ικανότητα 10m (Πίνακας 14). Η έξοδος (ραδιοµετρική ανάλυση ή διακριτική ικανότητα) του συστήµατος HRV είναι 8- bit, ήτοι 256 χρωµατικές διαβαθµίσεις. Ο SPOT-4 αποτελεί την αρχή της δεύτερης γενιάς του δορυφορικού συστή- µατος SPOT. Η µεγαλύτερη βελτίωση σε σχέση µε τους προηγούµενους δορυφόρους συνίσταται στην προσθήκη ενός νέου δέκτη µε το όνοµα Vegetation, 5 διαύλων, οι οποίοι επιτρέπουν συνεχή παγκόσµια παρακολούθηση των καλλιεργειών και της ελεύθερης βλάστησης για την πρόγνωση της καλλιέργειας και για περιβαλλοντικές µελέτες. Η χωρική διακριτική ικανότητα του σαρωτή Vegetation είναι 1Km. Επίσης, ο SPOT-4 φέρει ένα δέκτη HRVIR (High Resolution Visible and Infrared Sensor), ήτοι τη βελτιωµένη µορφή του HRV, µε την προσθήκη ενός διαύλου στην υπέρυθρη περιοχή µm, χωρικής ανάλυσης 20m

168 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 165 (Πίνακας 14). Ο δορυφόρος SPOT-5 φέρει έναν πολυφασµατικό σαρωτή ΗRVIR, µε τις ί- διες φασµατικές ζώνες όπως ο SPOT-4, αλλά µε χωρική ανάλυση 10m, καθώς και τον παγχρωµατικό δέκτη HRG (High Resolution Geometric), µε δύο διαύλους χωρικής ανάλυσης 5m. Παράλληλα, δίδεται η δυνατότητα παραγωγής παγχρω- µατικής εικόνας µε χωρική ανάλυση 2,5m (Πίνακας 14) έπειτα από ειδική επεξεργασία (supermode) των δύο αρχικών παγχρωµατικών εικόνων (Τσακίρη- Στρατή 2004, Αστάρας 2010). Πίνακας 14. Γενικά χαρακτηριστικά των βασικών αισθητήρων των δορυφόρων SPOT (Τσακίρη-Στρατή 2004, τροποποιηµένο). Παραλείπονται τα ειδικά συστήµατα Vegetation (SPOT-4 & 5) και HRS (SPOT-5), για οποία γίνεται ειδική αναφορά στο κείµενο. Επιπλέον, ο SPOT-5 διαθέτει το δέκτη Vegetation-2, πανοµοιότυπο µε αυτόν του SPOT-4, καθώς και το σύστηµα HRS (High Resolution Stereoscopic), για τη σχεδόν ταυτόχρονη λήψη στερεοζευγών δορυφορικών εικόνων και την παραγωγή ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου εδοµένα SPOT και επεξεργασία τους Χρησιµοποιήθηκε πολυφασµατική εικόνα SPOT-5 (Σχήµα 102) και η αντίστοιχη παγχρωµατική της (Σχήµα 103) (ηµ/νίας λήψης 9/11/2006). Στις εικόνες αυτές έγινε ορθοαναγωγή, µε χρήση ψηφιακού µοντέλου αναγλύφου, το οποίο προήλθε από στερεοζεύγος εικόνων SPOT-5/HRG, στα πλαίσια άλλης ερευνητικής εργασίας (Μουρατίδης, 2010). Χρησιµοποιήθηκαν επίσης 40 επίγεια σηµεία ελέγχου (Ground Control Points/GCPs), των οποίων οι συντεταγ-

169 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 166 µένες προσδιορίστηκαν από τα κινηµατικά δεδοµένα GPS σε περιβάλλον GIS, µε τη µέθοδο που περιγράφεται από τον Μουρατίδη (2010). Για την διόρθωση των επιδράσεων της ατµόσφαιρας εφαρµόστηκε η µέθοδος αφαίρεσης σκοτεινών αντικειµένων ( 8.3.2). Σχήµα 102. Τρισδιάστατη, υπερυψωµένη (x5) απεικόνιση της πολυφασµατικής εικόνας SPOT-5, σε ψευδοχρωµατικό συνδυασµό (R/G/B = 3/2/1). Σχήµα 103. Παγχρωµατική εικόνα SPOT-5/HRG και υπέρθεση των επιλεγµένων ρηγµάτων.

170 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΚΟΝΕΣ LANDSAT ορυφόροι της σειράς LANDSAT Οι δορυφόροι Landsat 4 και 5 αποτελούν δεύτερης γενιάς (µετά τους Landsat 1,2 και 3) µη επανδρωµένους ερευνητικούς δορυφόρους της γης, οι οποίοι εκτοξεύθηκαν στις 16/7/82 και 1/3/84 αντίστοιχα. Περιφέρονται σε κυκλική, σχεδόν πολική τροχιά ύψους 705Κm, που τέµνει τον Ισηµερινό µε γωνία 98 ο. Ο χρόνος περιστροφής τους γύρω από τη γη είναι περίπου 99 λεπτά, εκτελούν δηλαδή 14 περιστροφές ανά ηµέρα, καλύπτοντας ολόκληρη την επιφάνεια της γης σε 16 ηµέρες (αντί 18 των Landsat 1-3). Ο χρόνος διέλευσης των δορυφόρων από τον Ισηµερινό είναι στις 9.39 π.µ. Σε κάθε τροχιά του δορυφόρου σαρώνεται µια ζώνη πλάτους 185Κm. ύο διαδοχικές ζώνες σάρωσης στον Ιση- µερινό απέχουν 171,5Κm, δηλαδή παρουσιάζουν επικάλυψη 7,3%, η οποία αυξάνει προς τους πόλους. Έτσι η επικάλυψη στον 20 ο παράλληλο γίνεται 12,9%, στον 40 ο παράλληλο 29% και στον 80 ο παράλληλο 83,9%. Οι δορυφόροι Landsat 4 και 5 έχουν διαφορά πτήσεως 180 ο, πράγµα που σηµαίνει ότι κάθε σηµείο της γης σαρώνεται κάθε 8 ηµέρες µε έναν από τους δύο δορυφόρους. Οι εν λόγω δορυφόροι φέρουν τα ακόλουθα συστήµατα καταγραφής: έ- ναν πολυφασµατικό σαρωτή (MSS: Multi Spectral Scanner), όπως και οι Landsat 1 3 και επιπλέον ένα σαρωτή προχωρηµένης τεχνολογίας τον «Θεµατικό Xαρτογράφο» (Thematic Mapper/TM), o οποίος προσφέρει καλύτερη διακριτική ικανότητα και µεγαλύτερο εύρος φάσµατος. Συγκεκριµένα, οι 64 στάθµες πυκνότητας (λαµπρότητας) στις εικόνες Landsat 1 3 έχουν µετατραπεί, στους Landsat 4 και 5, σε 256 και τα 80m διακριτικής ικανότητας σε 30m. Με τον TM καταγράφονται ραδιοµετρικά δεδοµένα από τη γη σε επτά φασµατικές ζώνες, µε χωρική διακριτική ικανότητα 30m x 30m στις έξι ζώνες του ορατού και υπέρυθρου φάσµατος (ζώνες 1-5, 7) και 120m x 120m στη θερµική υπέρυθρη φασµατική ζώνη (ζώνη 6). Για κάθε εικονοστοιχείο (pixel) της εικόνας συλλέγονται δεδοµένα για καθεµιά από τις 7 φασµατικές ζώνες (ΤΜ1-ΤΜ7) και αποθηκεύονται χρησιµοποιώντας 8 bit (ραδιοµετρική ανάλυση), επιτρέποντας έτσι τις τιµές των δεδοµένων να κυµαίνονται µεταξύ 0 και 255. Συνεπώς κάθε φασµατική ζώνη είναι µια ασπρόµαυρη εικόνα, η οποία αποτελείται από 256 (2 8 ) διαβαθµίσεις του τεφρού χρώµατος: η τιµή 0 αντιστοιχεί σε µηδενική ανάκλαση ενώ η τιµή 255 αντικατοπτρίζει τη µέγιστη ανάκλαση. Οι επτά φασµατικές ζώνες του Thematic Mapper καθώς και οι εφαρµογές της κάθε ζώνης σε επίγεια αντικείµενα ή φαινόµενα είναι οι ακόλουθες: Φασµατική ζώνη 1: ( Βand 1, µm, µπλε πράσινη ). Κατάλληλη να διεισδύει µέσα στις υδάτινες µάζες και να δίδει πληροφορίες για τη θολότητά τους και άλλες παραµέτρους. Επίσης είναι κατάλληλη για τη χαρτογράφηση παράκτιων περιοχών, τη διάκριση της βλάστησης από το έδαφος και το διαχωρι-

171 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 168 σµό µεταξύ κωνοφόρων και φυλλοβόλων δένδρων. Φασµατική ζώνη 2: (Βand 2, µm, πράσινη). Κατάλληλη για τη µέτρηση της ορατής πράσινης ακτινοβολίας που καθορίζει την υγιή βλάστηση. Φασµατική ζώνη 3: (Βand 3, µm, ερυθρή). Κατάλληλη για τη διάκριση µεταξύ διαφόρων ειδών βλάστησης λόγω διαφορετικής απορρόφησής της από τη χλωροφύλλη των φυτών. Φασµατική ζώνη 4: (Βand 4, µm, ηλιακή υπέρυθρη). Κατάλληλη για τον υπολογισµό της βιοµάζας και την οριοθέτηση των υδάτινων µαζών. Φασµατική ζώνη 5: (Βand 5, µm, ηλιακή υπέρυθρη). Κατάλληλη για τον υπολογισµό της υγρασίας στα φυτά και το έδαφος, καθώς και το διαχω- ρισµό της νεφοκάλυψης από τα χιόνια. Φασµατική ζώνη 6: (Βand 6, µm, θερµική υπέρυθρη). Κατάλληλη για τη συλλογή θερµικών στοιχείων (θερµική χαρτογράφηση) στους γεωλογικούς σχηµατισµούς, τη χαρτογράφηση περιοχών µε διαφορετική υγρασία εδάφους και τη συλλογή πληροφοριών για τις υποβαθµισµένες φυτοκοινωνίες. Η ζώνη αυτή, αν και παρουσιάζει διακριτική ικανότητα 120m, συµπληρώνει τις πληροφορίες που λαµβάνονται από τις άλλες φασµατικές ζώνες. Φασµατική ζώνη 7: (Βand 7, µm, ηλιακή υπέρυθρη). Κατάλληλη για τη διάκριση των διαφόρων τύπων πετρωµάτων και για υδροθερµική χαρτο- γράφηση. Οι Η.Π.Α. (EOSAT/NASA), συνεχίζοντας το πρόγραµµα εκτόξευσης δορυφόρων της σειράς LANDSAT, υπολόγισαν αρχικά να θέσουν σε τροχιά τον LANDSAT-6 στις αρχές του Ορισµένα προβλήµατα όµως που προέκυψαν µε την καταστροφή του Challenger, ανέβαλαν την εκτόξευση του. Τελικά ο δορυφόρος αυτός τέθηκε σε τροχιά το 1993, αλλά χάθηκε στο διάστηµα (Τσακίρη- Στρατή, 2004). Το 1999 εκτοξεύτηκε επιτυχώς (NASA/NOOA) ο δορυφόρος LANDSAT-7 (Σχήµα 104), ο οποίος φέρει τον «ενισχυµένο» πολυφασµατικό σαρωτή» ΕΤΜ + (Enhanced Thematic Mapper\Ενισχυµένος Θεµατικός Χαρτογράφος), µε 7 φασµατικές ζώνες, χωρική ανάλυση 30m (εξαιρουµένης της θερµικής ζώνης, µε χωρική ανάλυση 60m) και επιπλέον την παγχρωµατική φασµατική ζώνη (ΡΑΝ), µε χωρική ανάλυση 15m (Kramer 2002, Αστάρας 2006).

172 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 169 Σχήµα 104. Σχηµατική απεικόνιση του δορυφόρου LANDSAT εδοµένα LANDSAT και επεξεργασία τους Χρησιµοποιήθηκε ορθοανηγµένη πολυφασµατική εικόνα LANDSAT-7/ETM + (ηµ/νίας λήψης 30/05/2001), στην οποία είχε προηγουµένως εφαρµοστεί η τεχνική της συγχώνευσης (pan-sharpening) των πολυφασµατικών δεδοµένων µε την αντίστοιχη παγχρωµατική εικόνα, χρησιµοποιώντας τη µέθοδο PCA, για την αύξηση της χωρικής ανάλυσης των πολυφασµατικών ζωνών από τα 30m στα 15m. Για την διόρθωση των επιδράσεων της ατµόσφαιρας εφαρµόστηκε η µέθοδος αφαίρεσης σκοτεινών αντικειµένων. Μετά την εκ νέου εφαρµογή της Ανάλυσης των Κυρίων Συνιστωσών (PCA) για τη συµπίεση της πληροφορίας, δηµιουργήθηκαν διάφορα ψευδοχρωµατικά σύνθετα, από τα οποία τελικά υιοθετήθηκε ο συνδυασµός ΕΤΜ7/PC1/PC2 (R/G/B) (Σχήµα 105), ο οποίος προτείνεται από τους Novak & Soulakellis (2000) ως ο πλέον κατάλληλος για γεωλογικές εφαρµογές, όπου ΕΤΜ7 είναι η αρχική φασµατική ζώνη (µέσο υπέρυθρο) και PC1, PC2 οι δύο πρώτες κύριες συνιστώσες. Τέλος δηµιουργήθηκε η εικόνα του «είκτη Βλάστησης Κανονικοποιηµένης ιαφοράς» (Normalized Difference Vegetation Index/NDVI), χρησιµοποιώντας τις φασµατικές ζώνες του κοντινού υπερύθρου και ερυθρού, ενώ, για καλύτερο οπτικό αποτέλεσµα, επιλέχθηκε µία ψευδοχρωµατική απεικόνιση του αποτελέσµατος εφαρµογής του εν λόγω δείκτη (Σχήµα 106).

173 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 170 Σχήµα 105. Ψευδοχρωµατική απεικόνιση (R/G/B = ETM7/PC1/PC2) εικόνας LANDSAT- 7/ETM + και υπέρθεση των επιλεγµένων ρηγµάτων. Σχήµα 106. Ψευδοέγχρωµη απεικόνιση της αρχικής εικόνας NDVI, η οποία προέκυψε από τα δεδοµένα LANDSAT/ETM +. Χαµηλή τιµή NDVI (λευκό χρώµα) συνεπάγεται απουσία βλάστησης, ενώ υψηλή τιµή NDVI (σκούρο πράσινο χρώµα) α- ντιπροσωπεύει έντονη παρουσία βλάστησης.

174 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΚΟΝΕΣ SAR ERS-1 & Οι δορυφόροι ERS-1 & ERS-2 Ο δορυφόρος ERS-1 (European Space Agency's Remote Sensing Satellite), ο πρώτος Ευρωπαϊκός δορυφόρος ανίχνευσης των ωκεανών-πάγων και χερσαίων φυσικών πόρων, προγραµµατίστηκε να εκτοξευθεί στις αρχές του 1990, αλλά τελικά εκτοξεύτηκε το 1991 και λειτούργησε έως τις 10 Μαρτίου Ο ERS-1 τέθηκε σε πολική, σύγχρονη µε τον ήλιο τροχιά, ύψους µεταξύ 745Km και 825Km, σαρώνοντας κάθε σηµείο της Γης κάθε 3 ηµέρες τουλάχιστον, ανάλογα µε το ύψος πτήσης του. Ο δορυφόρος αυτός έφερε τα εξής πέντε συστήµατα τηλεπισκόπησης (καταγραφείς/sensors): 1) Ένα ενεργό µικροκυµατικό δέκτη που δίνει εικόνες (απεικονιστής/image mode) τnς επιφάνειας της Γης, δηλαδή ένα «Ραντάρ Συνθετικής κεραίας» (Synthetic Aperture Radar / SAR), µε γωνία πρόσπτωσης 23 ο. 2) Ένα µικροκυµατικό δέκτη για την καταγραφή των κυµάτων των ωκεανών (AMI-Wave mode). 3) Ένα µικροκυµατικό δέκτη για την καταγραφή της διεύθυνσης και ταχύτητας του ανέµου (AMI-Wind Scatetometer). 4) Ένα ραντάρ για γεωδαιτικές µετρήσεις (Radar Altimeter). 5) Ένα παθητικό µικροκυµατικό δέκτη για τη µέτρηση θερµοκρασίας της χέρσου και της θάλασσας και τη µικροκυµατική ακτινοβολία. (Along Track Scanning Radiometer and Microwave Sounder /ATS R-M). Από τα παραπάνω πέντε συστήµατα καταγραφής, την παρούσα εργασία ενδιαφέρει το σύστηµα SAR, το οποίο σαρώνει τη Γη σε ζώνη πλάτους Km, δίδοντας εικόνες (και δεδοµένα) ραντάρ κατακόρυφης (VV) πόλωσης, ονοµαστικής διακριτικής ικανότητας 30m x 30m, υπό σχεδόν οποιοσδήποτε καιρικές συνθήκες, ηµέρα και νύκτα. Ο δορυφόρος ERS-2 εκτοξεύτηκε το 1995 και είναι σχεδόν πιστό αντίγραφο του ERS-1. Κατά το διάστηµα κοινής λειτουργίας τους (tandem mission), οι δύο αυτοί δορυφόροι διέγραφαν την ίδια τροχιά, µε τον ERS-2 να ακολουθεί τον ERS-1 κατά µία ακριβώς µέρα. Τα δεδοµένα της αποστολής tandem είναι κατάλληλα για την εφαρµογή µεθόδων συµβολοµετρίας SAR, χρησιµεύοντας στην παραγωγή DEM και την ανίχνευση µικροµεταβολών (παροµορφώσεων, µεταθέσεων) του αναγλύφου στο χρόνο µεταξύ δυο διαδοχικών λήψεων (π.χ. από σεισµική δραστηριότητα, ηφαίστεια, κατολισθήσεις, καθιζίσεις) (Αστάρας, 2006).

175 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ εδοµένα ERS και επεξεργασία τους Χρησιµοποιήθηκαν δύο εικόνες ERS-2 ανερχόµενης (track 372) και κατερχόµενης (track 7) τροχιάς, ηµ/νίας λήψης 20/4/1996 και 26/3/1996 αντίστοιχα (Σχήµα 107), χωρικής ανάλυσης 30m περίπου. Οι παραπάνω εικόνες υπέστησαν ορθοαναγωγή, χρησιµοποιώντας τα υψο- µετρικά δεδοµένα SRTM, ενώ η αποµάκρυνση του θορύβου (speckle) έγινε µε τη χρήση φίλτρου «Gamma Map» µεγέθους 9x9. Σχήµα 107. Ορθοανηγµένες εικόνες ERS-2 ανερχόµενης (αριστερά) και κατερχόµενης (δεξιά) τροχιάς και υπέρθεση των επιλεγµένων ρηγµάτων ΕΙΚΟΝΕΣ ENVISAT/ASAR Ο δορυφόρος ENVISAT Ο δορυφόρος ENVISAT (ENVIronmental SATellite) εκτοξεύτηκε το Μάρτιο του 2002, από την Ευρωπαϊκή ιαστηµική Υπηρεσία (European Space Agency/ESA), µε σκοπό τη συνέχιση των επιτυχηµένων αποστολών ERS-1 και ERS-2. Συνολικά φέρει δέκα όργανα για την παρατήρηση της γήινης επιφάνειας. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ENVISAT έχουν ως εξής (Πίνακας 15):

176 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 173 Πίνακας 15. Τα κυριότερα τεχνικά χαρακτηριστικά του δορυφόρου ENVISAT. Εκτόξευση 1 Μαρτίου 2002 Βάρος 8200 kg Αριθµός οργάνων 10 Συνολικό βάρος οργάνων 2050 kg ιάρκεια αποστολής 5 έτη Τροχιά Πολική, συν-σύγχρονη Ύψος τροχιάς 800 km ( km) Κλίση 98,55 ο Χρόνος ολοκλήρωσης µίας τροχιάς 101 λεπτά Ταχύτητα τροχιάς 7,45 km/sec 35 ηµέρες. Λόγω όµως του µεγάλου εύρους κάλυψης Κύκλος επανάληψης των περισσοτέρων οργάνων, επιτυγχάνεται παγκόσµια κάλυψη σε διάστηµα 3 ηµερών. Τροχιές ανά κύκλο 501 Συνοπτικά, τα δέκα όργανα που φέρει ο ENVISAT είναι (Πίνακας 16 & Σχήµα 108): Πίνακας 16. Τα δέκα όργανα, τα οποία φέρει ο δορυφόρος ENVISAT. ASAR Advanced Synthetic Aperture Radar MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding GOMOS Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars MERIS Medium Resolution Imaging Spectrometer SCIAMACHY Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography AATSR Advanced Along-Track Scanning Radiometer RA-2 Radar Altimeter 2 MWR Microwave Radiometer DORIS Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite LRR Laser Retro-Reflector, passive Το «εξελιγµένο ραντάρ συνθετικής κεραίας» (Advanced Synthetic Aperture Radar/ASAR), το οποίο φέρει ο δορυφόρος ENVISAT, λειτουργεί στη ζώνη C (Cband, 3,8-7,5 cm) και αποτελεί τη συνέχεια των συστηµάτων ραντάρ (SAR) των Ευρωπαϊκών δορυφόρων ERS-1 και ERS-2. To ASAR προσφέρει, εκµεταλλευόµενο τους διαφορετικούς συνδυασµούς πόλωσης και γωνίας πρόσπτωσης, 37 διακριτές καταστάσεις λειτουργίας (modes), µε υψηλή, µέση και µειωµένη διακριτική ικανότητα, ανάλογα µε τις απαιτήσεις του χρήστη. Η γωνία πρόσπτωσης (incidence angle) µπορεί να κυ- µανθεί µεταξύ 15 ο και 45.2 ο, µε διαφορετικούς συνδυασµούς πόλωσης (HH,VV, HH/VV, HH/HV, VV/VH) και ονοµαστική διακριτική ικανότητα 30m. Το εύρος της ζώνης σάρωσης (swath width) διαφέρει ανάλογα µε τη γωνία πρόσπτωσης από 56Κm έως 105Κm, ενώ η ειδική κατάσταση λειτουργίας «Wide Swath Mode» δίνει εικόνες, οι οποίες καλύπτουν έκταση 400Κm x 400Κm, µε ονοµαστική χωρι-

177 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 174 κή διακριτική ικανότητα 150m. Σχήµα 108. Σχηµατική απεικόνιση του δορυφόρου ENVISAT και των οργάνων που φέρει (πηγή: DLR [url6] ). Το πεδίο εφαρµογής των εικόνων ASAR περιλαµβάνει τη µελέτη των ωκεάνιων κυµάτων, την παρακολούθηση της έκτασης και µετακίνησης του θαλάσσιου πάγου, καθώς και πολυάριθµες εφαρµογές σε χερσαίο περιβάλλον, στον ευρύτερο κλάδο των γεωεπιστηµών εδοµένα ENVISAT/ASAR και επεξεργασία τους Χρησιµοποιήθηκαν γεωκωδικοποιηµένες εικόνες ENVISAT/ASAR, κατερχό- µενης τροχιάς (track 7), πόλωσης VV και χωρικής ανάλυσης 30m περίπου (Σχήµα 109). Η αποµάκρυνση του θορύβου (speckle) έγινε µε τη χρήση φίλτρου «Gamma Map» µεγέθους 9x9.

178 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 175 Σχήµα 109. Γεωκωδικοποιηµένη εικόνα ENVISAT/ASAR και υπέρθεση των επιλεγµένων ρηγµάτων ΕΙΚΟΝΑ TerraSAR-X Η αποστολή ΤerraSAR-X H αποστολή ΤerraSAR-X είναι µια πρωτοβουλία του Κέντρου Αεροδιαστηµικών Ερευνών της Γερµανίας (DLR), σε συνεργασία µε τις εταιρίες EADS/ASTRIUM και Ιnfoterra. O δορυφόρος ΤerraSAR-X εκοξεύτηκε στις 15 Ιουνίου 2007 από το κοσµοδρόµιο του Μπαϊκονούρ (Καζακστάν), σε πολική τροχιά 514Κm. Λαµβάνει υψηλής ποιότητας εικόνες ραντάρ (SAR) στη φασµατική ζώνη X, διαθέτοντας υψηλή χωρική ανάλυση και ευελιξία στη λειτουργία του. Συγκεκριµένα, τα δεδοµένα είναι πολλαπλής πόλωσης και προσφέρονται καταρχήν σε τρεις κατηγορίες: α) Spotlight (έκτασης 10Κm x 5Κm και χωρικής ανάλυσης 1m), β) Stripmap (έκτασης 30Κm x 50Κm και χωρικής ανάλυσης 3m) και γ) ScanSAR (έκτασης 100Κm x 150Κm και χωρικής ανάλυσης 18m).

179 8. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 176 Η αποστολή TerraSAR-Χ, από µόνη της παρέχει δεδοµένα για την εξαγωγή DEM. Ωστόσο, η υλοποίηση της αποστολής TanDEM-X, µε την εκτόξευση ενός παρόµοιου µε τον TerraSAR-Χ δορυφόρο σε κατάλληλη τροχιά (προβλέπεται µέσα στο 2009), αναµένεται να επιτρέψει την παραγωγή DEM µε ακρίβεια, κάλυψη και ποιότητα δίχως προηγούµενο [url26] εδοµένα TerraSAR-X και επεξεργασία τους Χρησιµοποιήθηκε µία γεωκωδικοποιηµένη εικόνα TerraSAR-X, χωρικής ανάλυσης 3m (stripmap mode) (Σχήµα 110). Η αποµάκρυνση του θορύβου (speckle) έγινε µε τη χρήση φίλτρου «Gamma Map» µεγέθους 9x9. Σχήµα 110. Γεωκωδικοποιηµένη εικόνα TerraSAR-X και υπέρθεση των επιλεγµένων ρηγ- µάτων.

180 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ- ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 9.1. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Στο παρόν κεφάλαιο λαµβάνει χώρα η εξαγωγή και σύγκριση γεωµορφολογικών χαρακτηριστικών από τα διαθέσιµα DEM (SRTM, GDEM, SPOT, DEM-GIS, InSAR). Αρχικά γίνεται η σύγκριση της γεωµορφολογικής ταξινόµησης που προκύπτει από τις πέντε σειρές δεδοµένων. Ακολούθως, δίδεται έµφαση στις συγκρίσεις των περισσότερο χρησιµοποιούµενων από τους Γεωεπιστήµονες DEM (DEM-GIS, SRTM, GDEM) µε αναφορά σε στοιχεία όπως οι κλίσεις και οι προσανατολισµοί των κλιτυών. Εν συνεχεία, χρησιµοποιώντας τέσσερεις λεκάνες απορροής της περιοχής µελέτης, εξάγονται σε περιβάλλον GIS και συγκρίνονται περαιτέρω γεωµορφολογικά στοιχεία (οριοθέτηση λεκανών απορροής, υδρογραφικό δίκτυο και ταξινόµησή του), τα οποία αποτελούν τη βάση µορφοτεκτονικών µελετών. Τέλος, βάσει των ρηγµάτων που αναγνωρίστηκαν στις δορυφορικές εικόνες µετά την κατάλληλη επεξεργασία τους (βλ. 8) λαµβάνει χώρα µία σεισµοτεκτονική ανάλυση εννέα σηµαντικών ρηγµάτων της περιοχής µελέτης, η οποία αφορά στην εκτίµηση του µέγιστου µεγέθους αναµενόµενου σεισµικού γεγονότος, σε σχέση µε το επιφανειακό ίχνος (µήκος) του κάθε ρήγµατος ΕΞΑΓΩΓΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΟΡΦΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟ ΤΑ DEM Εισαγωγή Η χρήση ψηφιακών µοντέλων αναγλύφου (DEM), από τα οποία λαµβάνονται δευτερογενείς πληροφορίες (π.χ. κλίσεις, προσανατολισµοί κ.λ.π.) σχετικά µε την εκάστοτε περιοχή µελέτης, γίνεται όλο και πιο διαδεδοµένη µεταξύ των Γεωεπιστηµόνων, τείνοντας να αντικαταστήσει πλήρως τις οποιεσδήποτε άλλες πηγές υψοµετρικής πληροφορίας. Η τάση αυτή διευκολύνεται περαιτέρω από τη διαθεσιµότητα και την αυξανόµενη ακρίβεια των DEM. Στα πλαίσια αυτά, στην παρούσα διατριβή έλαβε χώρα η αξιολόγηση της α- ξιοπιστίας των δευτερογενών αυτών προϊόντων των DEM, µε έµφαση σε γεω- µορφολογικά χαρακτηριστικά (λεκάνες απορροής, υδρογραφικά δίκτυα), τα οποία αποτελούν τη βάση για µια πληθώρα γεωλογικών και άλλων εφαρµογών (π.χ. της Μορφοτεκτονικής). Η αξιολόγηση πραγµατοποιήθηκε σε σχέση και µε δεδοµένα προγενέστερων µελετών στην ευρύτερη περιοχή έρευνας, όπου αυτά ήταν διαθέσιµα. Οι αναλύσεις που ακολουθούν, επικεντρώνονται κυρίως στα δεδοµένα SRTM και GDEM. Οι δύο αυτές πηγές παρέχουν έτοιµα προς χρήση, οµογενή

181 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 178 υψοµετρικά δεδοµένα, ελεύθερα διαθέσιµα µέσω του διαδικτύου και ως εκ τούτου η χρήση τους από τους Γεωεπιστήµονες είναι η πλέον συνηθέστερη. Οι υπόλοιπες πηγές υψοµετρικών δεδοµένων (DEM-GIS, SPOT, InSAR), έ- χουν γενικά περιορισµένη χρησιµότητα, καθώς απαιτείται η παραγωγή του DEM από τον χρήστη, η οποία είναι ιδιαίτερα χρονοβόρα, είτε πρόκειται π.χ. για την ψηφιοποίηση δεδοµένων από τοπογραφικούς χάρτες ή για την εφαρµογή µεθόδων που απαιτούν επιπλέον εξειδικευµένες γνώσεις (π.χ. InSAR), εκτός του πεδίου ενός «συµβατικού» Γεωεπιστήµονα Ταξινόµηση αναγλύφου Αρχικά έγινε η ταξινόµηση του αναγλύφου κατά Dikau (1989), για όλα τα διαθέσιµα DEM (Πίνακας 17). Πίνακας 17. Σύγκριση των αποτελεσµάτων ταξινόµησης του αναγλύφου κατά Dikau (1989), από τα διαθέσιµα/παραγόµενα DEM, για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας. Κλάσεις Υψοµέτρων (m) DEM-GIS (%) SRTM (v4) (%) GDEM (%) SPOT (%) InSAR (%) <150 28,30 28,34 29,79 28,83 28, ,75 63,54 62,62 63,33 64, ,02 7,18 6,73 6,94 6,09 >900 0,93 0,94 0,86 0,90 0,84 Σύνολο 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Τα αποτελέσµατα είναι απολύτως ικανοποιητικά, καθώς η σύγκλισή τους είναι προφανής Υπολογισµός κλίσεων Όσον αφορά στις κλίσεις της θεωρούµενης περιοχής στης Μυγδονίας λεκάνης, έγινε σύγκριση µεταξύ των τριών DEM (DEM-GIS, SRTM, GDEM), σχετικά µε τις χαρακτηριστικές τιµές (Πίνακας 18), αλλά και µε βάση τη χωρική κάλυψη που αντιστοιχεί σε κάθε κλάση κλίσης (Πίνακας 19), ακολουθώντας την ταξινό- µηση του Demek (1972).

182 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 179 Πίνακας 18. Χαρακτηριστικές τιµές κλίσης για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας, όπως προκύπτουν από τα διάφορα DEM. DEM-GIS SRTM (v4) GDEM Ελάχιστη κλίση Μέγιστη κλίση Μέση κλίση 11,2 7,4 7,9 Τυπική απόκλιση 7,29 4,95 5,82 Πίνακας 19. Συγκριτική επί τοις εκατό χωρική κάλυψη κάθε κλάσης κλίσης κατά Demek (1972), για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας, από τα διάφορα DEM. κλίση ( ο ) % έκταση DEM-GIS SRTM (v4) GDEM ,1 37,0 30, ,9 24,8 27, ,6 33,9 35, ,4 4,3 6, ,1 < 0,1 < 0,1 > 55 < 0,1 < 0,1 < 0,1 Όπως φαίνεται στους παραπάνω πίνακες, αναφορικά µε τον υπολογισµό των κλίσεων παρατηρούνται σηµαντικές αποκλίσεις µεταξύ των τριών DEM Υπολογισµός του προσανατολισµού των κλιτυών Κατά αντίστοιχο τρόπο µε τις κλίσεις του αναγλύφου, υπολογίστηκε η χωρική κάλυψη που αντιστοιχεί σε κάθε κλάση προσανατολισµού (Πίνακας 20). Η σηµαντικότερη παρατήρηση σχετικά µε τον προσανατολισµό είναι, ότι τα SRTM και GDEM δίδουν ελάχιστες επίπεδες περιοχές (κανένας προσανατολισµός), µε αποτέλεσµα την (σε γενικές γραµµές οµοιόµορφη) αύξηση του ποσοστού όλων των κλάσεων προσανατολισµών, σε σχέση µε το DEM-GIS.

183 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 180 Πίνακας 20. Συγκριτική παρουσίαση της επί τοις εκατό χωρικής κάλυψης κάθε κλάσης προσανατολισµού για το κεντρικό τµήµα της Μυγδονίας, όπως προκύπτει από τα διάφορα DEM. Προσανατολισµός % έκταση DEM-GIS SRTM (v4) GDEM B 8,761 11,794 12,029 BA 9,117 11,046 11,338 A 7,352 8,570 9,753 NA 9,776 11,669 12,093 N 12,626 17,006 15,910 Ν 13,855 16,608 15,485 7,907 10,240 11,360 Β 7,998 9,073 10,363 Κανένας (επίπεδη περιοχή) 22,607 3,994 1, Οριοθέτηση λεκανών απορροής Οι γεωµορφολογικές, υδρολογικές και άλλες γεωλογικού ενδιαφέροντος µελέτες εκτελούνται συνήθως σε επίπεδο λεκάνης απορροής (drainage basin). Συνεπώς, η οριοθέτηση των επιµέρους λεκανών απορροής σε µία περιοχή αποτελεί θεµελιώδες στοιχείο της εκάστοτε µελέτης. Το ArcGIS (ArcToolbox), παρέχει µια σειρά εργαλείων υδρολογικής ανάλυσης («Hydrology»), µεταξύ των οποίων και το εργαλείο «Basin», το οποίο χρησιµοποιείται για την οριοθέτηση των λεκανών απορροής, µε αρχικό δεδοµένο εισαγωγής κάποιο DEM. Πιο συγκεκριµένα, αρχικά απαιτείται η παραγωγή, από το διαθέσιµο DEM, ενός ψηφιδωτού (raster) αρχείου κατεύθυνσης ροής (flow direction). Η κατεύθυνση ροής σε κάθε εικονοστοιχείο του DEM εξαρτάται από το σχετικό υψόµετρο του σηµείου αυτού ως προς τα γειτονικά του. Έτσι καθορίζεται η κατεύθυνση της µεγίστης κλίσης από κάθε σηµείο, η οποία ταυτίζεται µε την κατεύθυνση ροής από το θεωρούµενο σηµείο προς τα γειτονικά του. Οι δυνατές κατευθύνσεις είναι οκτώ: Α, ΝΑ, Ν, Ν,, Β, Β και ΒΑ και κωδικοποιούνται ώστε να γίνονται αντιληπτές ως αριθµοί (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128), όπου το «1» αντιστοιχεί σε κατεύθυνση ροής προς τα Α, το «2» σε κατεύθυνση ροής προς τα ΝΑ κ.ο.κ. (Σχήµα 111) (Νικολαΐδου, 2009).

184 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 181 Σχήµα 111. Παραγωγή αρχείου κατεύθυνσης ροής από υψοµετρικά δεδοµένα (DEM) και κωδικοποίηση της κατεύθυνσης ροής για το εκάστοτε κεντρικό εικονοστοιχείο του DEM [url31]. Έπειτα, η εφαρµογή Basin αναγνωρίζει τις ράχεις στην εκάστοτε περιοχή και χρησιµοποιώντας το αρχείο κατεύθυνσης ροής, εντοπίζει όλα τα εικονοστοιχεία που ανήκουν στην ίδια λεκάνη απορροής [url31]. Οι ως άνω διαδικασίες ε- φαρµόστηκαν στα υψοµετρικά δεδοµένα SRTM και GDEM. Ως περιοχή αξιολόγησης των SRTM και GDEM, σχετικά µε τη δυνατότητα αυτόµατης οριοθέτησης των λεκανών απορροής, επιλέχθηκαν τέσσερις υδρολογικές λεκάνες νοτίως της λίµνης Βόλβης (Σχήµα 112), για τις οποίες υπήρχαν δεδοµένα προς σύγκριση, από την ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών κλίµακας 1: Σχήµα 112. Οριοθέτηση τεσσάρων λεκανών απορροής από τοπογραφικούς χάρτες κλί- µακας 1: (Νικολαΐδου, 2009), οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν για τη σύγκριση µε τις αντίστοιχες λεκάνες που προέκυψαν από τα υψοµετρικά δεδοµένα SRTM και GDEM, µε σκοπό την αξιολόγηση των τελευταίων.

185 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 182 Η οριοθέτηση των εν λόγω λεκανών απορροής από τα SRTM και GDEM έ- δωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα (Πίνακας 21). Πίνακας 21. Σύγκριση της έκτασης των λεκανών απορροής που µελετήθηκαν, όπως προέκυψε από τα δεδοµένα SRTM και GDEM, µε την έκταση που υπολογίστηκε από την ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών 1: από τη Νικολαΐδου (2009). Πηγή Λεκάνη Λαγκαδικίων Έκταση (Κm 2 ) Λεκάνη Απολλωνίας Λεκάνη Μελισσουργού Λεκάνη Μοδίου Τοπογραφικοί χάρτες 1: , , ,005 61,506 SRTM (v4) 121, , ,957 64,354 GDEM 120, , ,155 61, Εξαγωγή και ταξινόµηση υδρογραφικού δικτύου Εφαρµόζοντας περισσότερο σύνθετες επεξεργασίες των διαθέσιµων DEM, µε τη χρήση της εργαλειοθήκης «Hydrology», είναι δυνατή η αυτόµατη εξαγωγή και ταξινόµηση του υδρογραφικού δικτύου της εκάστοτε περιοχής. Για την διασφάλιση της βέλτιστης χαρτογράφησης των ρεµάτων απαιτείται αρχικά η αναγνώριση τυχόν βυθισµάτων (Sinks) στο αρχικό DEM, χρησιµοποιώντας το οµώνυµο εργαλείο («Sink»). Τα «προβληµατικά» αυτά βυθίσµατα προκύπτουν συνήθως από ορισµένες λανθασµένες τιµές εικονοστοιχείων του DEM, οι οποίες είναι χαµηλότερες από τις αντίστοιχες τιµές όλων των γειτονικών εικονοστοιχείων. Το αποτέλεσµα είναι, το νερό να εισρέει στις περιοχές αυτές, αλλά να µην µπορεί να εκρεύσει από αυτές και να «παγιδεύεται». Η διόρθωση των προβληµατικών αυτών περιοχών του DEM πραγµατοποιείται µέσω της εντολής «Fill», µε την οποία επιτυγχάνεται η πλήρωση των βυθισµάτων (Αλεξάκης, 2009). Στην συνέχεια δηµιουργείται το ψηφιδωτό αρχείο κατεύθυνσης ροής, όπως περιγράφηκε σε προηγούµενο στάδιο (σελ. 180 & Σχήµα 111). Το επόµενο βήµα είναι η δηµιουργία ενός αρχείου συσσώρευσης ροής (flow accummulation), το οποίο προκύπτει από το αρχείο κατεύθυνσης ροής, βάσει του πλήθους των ανάντη εικονοστοιχείων (upslope cells) που προσρέουν στο εξεταζόµενο εικονοστοιχείο (Σχήµα 113). Έτσι, τα εικονοστοιχεία µε υψηλή τιµή συσσώρευσης ροής αντιπροσωπεύουν περιοχές συγκέντρωσης υδάτων και χρησιµοποιούνται για την αναγνώριση των ρεµάτων. Αντίθετα, η µηδενική τιµή συσσώρευσης ροής δηλώνει τοπογραφικά µέγιστα και χρησιµοποιείται για την αναγνώριση των ράχεων (Υδροκριτών).

186 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 183 Σχήµα 113. Μετατροπή του αρχείου κατεύθυνσης ροής σε αρχείο συσσώρευσης ροής, βάσει του πλήθους των ανάντη κυψελίδων (upslope cells) που προσρέουν στο εξεταζόµενο εικονοστοιχείο. Ψηφίδες χωρίς καθορισµένη κατεύθυνση ροής (τιµές 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128) µπορούν µόνο να δεχτούν ροή, ενώ το τρέχον εικονοστοιχείο δεν προσµετράται για τον υπολογισµό της συσσώρευσης ροής [url31]. Επίσης, µε τη χρήση επιπλέον εργαλείων του ArcToolbox, όπως είναι το «Con» («Conditional») ή η εργαλειοθήκη «Map Algebra», µπορεί να οριστεί στο αρχείο συσσώρευσης ροής ένα «κατώφλι» (threshold), δηλαδή ένα κατώτερο όριο πλήθους εικονοστοιχείων που ρέουν προς την εξεταζόµενη ψηφίδα, ώστε η τελευταία να θεωρηθεί τµήµα του υδρογραφικού δικτύου. Με κατάλληλη ρύθ- µιση της τιµής του κατωφλίου αυτού, µπορεί να ελεγχθεί η «ευαισθησία» στην αναγνώριση ρεµάτων. Ακολούθως, µε την εφαρµογή «Stream Order», γίνεται η ταξινόµηση του υδρογραφικού δικτύου κατά Shreve (1966) ή κατά Strahler (1957) [url31] και τέλος, εφόσον είναι επιθυµητό, δηµιουργείται το διανυσµατικό (vector) αρχείο του υδρογραφικού δικτύου, µε την εντολή «Stream to Feature». Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να ληφθεί υπόψη, ότι, όσον αφορά στους κλάδους 1 ης τάξης, οι τοπογραφικοί χάρτες κλίµακας 1: της ΓΥΣ, έχουν σηµαντικές παραλείψεις (Sotiriadis and Astaras 1977, Αστάρας και Οικονοµίδης 2002, Οικονοµίδης κ.α., 2007). Ως εκ τούτου, πολλά από τα ρέµατα που εµφανίζονται στους τοπογραφικούς χάρτες ως 1 ης ή 2 ης τάξης, αντιστοιχούν στην πραγµατικότητα σε κλάδους 3 ης τάξης και 4 ης τάξης (Αστάρας, 1980). Από την άλλη πλευρά, τα αρχικά υδρογραφικά δίκτυα που προκύπτουν από τα SRTM και GDEM, δίνουν έναν πολύ µεγάλο αριθµό ρεµάτων (κοιτών) 1 ης τάξεως, κοντά στον αριθµό ρεµάτων 1 ης τάξεως που απαντούν στην ύπαιθρο και ορίζονται από τον Melton (1957) ως «µη διακλαδιζόµενες επιµήκεις εκβαθύνσεις της επιφάνειας της Γης, οι οποίες δείχνουν µαρτυρία προϋπάρχουσας ή υπάρχουσας ροής ύδατος και περιορίζονται από πλευρές κλιτύος που κλείνουν προς τον άξονα της κοίτης» (Αστάρας 1980, Οικονοµίδης κ.α. 2007). Κατά την πορεία της εργασίας διαπιστώθηκε, ότι οι παραπάνω διαφορές µπορούν, έως ένα σηµείο, να εξοµαλυνθούν, µε την ρύθµιση της «ευαισθησίας» εξαγωγής του υδρογραφικού δικτύου (εργαλεία «Con» και «Map Algebra», βλ.

187 9. ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟ-ΣΕΙΣΜΟΤΕΚΤΟΝΙΚΗ 184 σελ. 183), ώστε να αναγνωριστούν από τα DEM µόνο οι σηµαντικότεροι κλάδοι και οι κλάδοι ανώτερης τάξης, οι οποίοι είναι µεν περισσότερο «συµβατοί» µε τα δεδοµένα των τοπογραφικών χαρτών κλίµακας 1:50.000, αλλά δεν ανταποκρίνονται στην πραγµατική κατάσταση του αναγλύφου. Επίσης διαπιστώθηκε, πως εάν δεν ληφθούν υπόψη οι κλάδοι 1 ης τάξης, που προκύπτουν από το SRTM και οι κλάδοι 1 ης και 2 ης τάξης του GDEM και η αρίθ- µηση ξεκινήσει από τους κλάδους 2 ης και 3 ης τάξης αντίστοιχα (θεωρώντας τους ως κλάδους 1 ης τάξης), τότε η οµοιότητα του υδρογραφικού δικτύου µε αυτό που παρουσιάζεται στους τοπογραφικούς χάρτες είναι σηµαντική. Xρησιµοποιώντας τη µεθοδολογία που περιγράφηκε νωρίτερα, έλαβε χώρα η εξαγωγή και η κατά Strahler (1957) ταξινόµηση του υδρογραφικού δικτύου από τα δεδοµένα SRTM (Σχήµα 114) και GDEM (Σχήµα 115), για τις τέσσερις λεκάνες απορροής που µελετήθηκαν. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε τα α- ντίστοιχα δεδοµένα των ψηφιοποιηµένων τοπογραφικών χαρτών, αγνοώντας τους κλάδους 1 ης τάξης του SRTM και τους κλάδους 1 ης και 2 ης τάξης του GDEM και υπολογίζοντας το συνολικό µήκος των κλάδων κάθε τάξης του υδρογραφικού δικτύου (Πίνακας 22 & Πίνακας 23). Σχήµα 114. Υδρογραφικό δίκτυο, το οποίο προέκυψε από τα δεδοµένα SRTM (οι κλάδοι 1 ης τάξης έχουν αγνοηθεί).