ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΩΝ 2011 Συμβολή των δεδομένων παρατήρησης της Γης και των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών στη χαρτογράφηση και διαχείριση πλημμυρών στην Ελλάδα Δρ. Αντώνιος Μουρατίδης (ESA/ESRIN) Δρ. Γεωργία Δοξάνη (ΤΑΤΜ/ΑΠΘ) M.Sc. Μελίνα Νικολαΐδου (ΑΠΘ) M.Sc. Μαρία Λαμπίρη (ΑΠΘ) Dr. Francesco Sarti (ESA/ESRIN) Μαρία Τσακίρη-Στρατή (Καθηγήτρια ΤΑΤΜ/ΑΠΘ) Δεκέμβριος 2011
Η εκπόνηση της παρούσας μελέτης πραγματοποιήθηκε με χρηματοδότηση του Κοινωφελούς Ιδρύματος Ιωάννη Σ. Λάτση. Η ευθύνη για το περιεχόμενό της ανήκει αποκλειστικά στον/στους συντάκτη/ες αυτής. Τα αποτελέσματα της Μελέτης ανήκουν στο Α.Π.Θ. και στους δημιουργούς σύμφωνα με τον Ν.2121/93.
Περιεχόμενα Περίληψη... 2 Abstract... 2 Εισαγωγή... 3 Στάδιο 1: Συγκέντρωση δεδομένων και πληροφοριών... 4 (1.1) Συλλογή πληροφοριών για τις πλημμύρες στην Ελλάδα... 4 (1.2) Δημιουργία βάσης δεδομένων σε περιβάλλον GIS... 4 (1.3) Επιλογή περιοχών μελέτης... 5 (1.4) Αναζήτηση και ανάκτηση δεδομένων παρατήρησης της Γης... 7 Στάδιο 2: Επεξεργασία δεδομένων... 7 (2.1) Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων ραντάρ (SAR)... 7 (2.2) Εφαρμογή τεχνικών συμβολομετρίας SAR... 9 (2.3) Επεξεργασία οπτικών δορυφορικών εικόνων... 9 (2.4) Επεξεργασία χωρικών δεδομένων σε περιβάλλον GIS... 10 Στάδιο 3: Ανάλυση δεδομένων... 15 (3.1) Εφαρμογή τεχνικών ταξινόμησης... 15 (3.2) Εργασία υπαίθρου... 18 (3.3) Συνέργια δορυφορικών εικόνων... 20 (3.4) Δημιουργία χαρτών... 20 Στάδιο 4: Διάχυση αποτελεσμάτων - παραδοτέα... 25 (4.1) Δημοσιεύσεις... 25 (4.2) Παρουσιάσεις... 25 (4.3) Δημιουργία ιστοσελίδας... 25 (4.4) Τελική έκθεση - παραδοτέα... 25 Συμπεράσματα... 26 Βιβλιογραφικές αναφορές... 26 Εκτεταμένη βιβλιογραφία για τις πλημμύρες... 27 1
Περίληψη Οι πλημμύρες συγκαταλέγονται μεταξύ των σημαντικότερων φυσικών καταστροφών, καθώς σε παγκόσμιο επίπεδο επηρεάζουν έναν πολύ μεγάλο πληθυσμό ανθρώπων, απειλώντας σοβαρά τη ζωή τους, την ιδιοκτησία και τις υποδομές. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα παρατήρησης της Γης, μεθόδους Τηλεπισκόπησης και Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS), το παρόν ερευνητικό έργο αποσκοπεί στο να συμβάλλει στη διαχείριση πλημμυρών στην Ελλάδα, καταγράφοντας και μελετώντας πλημμυρικά γεγονότα των δύο τελευταίων δεκαετιών (1992-2011). Η βάση δεδομένων GIS που δημιουργήθηκε, παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής πληθώρας θεματικών χαρτών της Ελληνικής Επικράτειας, με επίπεδο αναφοράς το Νομό και ανάλογα με τις παραμέτρους που ενδιαφέρουν τον χρήστη, όπως τον αριθμό των πλημμυρών, την εποχιακή ή μηνιαία κατανομή τους κ.ο.κ. Το περιεχόμενο της βάσης δεδομένων δεν είναι εξαντλητικό, ωστόσο αντικατοπτρίζει σε ικανοποιητικό βαθμό την κατανομή και διασπορά των πλημμυρικών γεγονότων στην Ελληνική Επικράτεια. Επιπλέον, σε τμήμα της Θράκης που μελετήθηκε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, δημιουργήθηκαν χάρτες επιδεκτικότητας και κινδύνου πλημμύρας, με βάση το σύνολο των διαθέσιμων πληροφοριών. Τα αποτελέσματα της έρευνας διατίθενται την ιστοσελίδα http://ceogisfloods.web.auth.gr, η οποία κατασκευάστηκε στα πλαίσια της μελέτης με δυνατότητα περεταίρω αναβάθμισής και επικαιροποίησης των πληροφοριών, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη των ελεύθερα διαθέσιμων γεωχωρικών δεδομένων, αλλά και στη βελτίωση διαχείρισης φυσικών καταστροφών στην Ελλάδα. Abstract Among natural disasters, floods are considered as one of the most important catastrophes, as they affect more population compared to any other natural disaster worldwide, posing serious risks for life, properties and infrastructure. Using Earth observation satellite data, Remote Sensing techniques and Geographical Information Systems (GIS), the purpose of this study is to contribute to flood management in Greece, by recording and investigating flood incidences of the last 20 years (1992-2011). The database created within the project in a GIS offers the possibility of creating different thematic maps over Greece (e.g. concerning the number of floods, their seasonal or monthly distribution etc), depending on the end-user needs. Although the content of the database is not exhaustive, it represents adequately the distribution and dispersion of floods over the country. Additionally, flood susceptibility and risk maps were created for part of the district of Thrace in NE Greece, which was studied in detail on the basis of the available information. The results of the investigation are publically available on the internet through the project s website (http://ceogis-floods.web.auth.gr), with potential for updating the collected information, thus contributing to the increase of available geospatial data and improvement of natural disaster management in Greece. 2
Εισαγωγή Οι πλημμύρες συγκαταλέγονται μεταξύ των σημαντικότερων φυσικών καταστροφών, καθώς σε παγκόσμιο επίπεδο επηρεάζουν έναν πολύ μεγάλο πληθυσμό ανθρώπων, απειλώντας σοβαρά τη ζωή τους, την ιδιοκτησία αλλά και τις υποδομές εν γένει (Bell, 1999). Εξαιτίας της αύξηση της συχνότητας εμφάνισης ακραίων πλημμυρικών επεισοδίων παγκοσμίως, σε συνδυασμό με τις ενδείξεις και προειδοποιήσεις για την παγκόσμια κλιματική αλλαγή, τα εν μέρει φυσικά αυτά φαινόμενα έχουν αναδειχθεί σε σημαντικό ζήτημα, ιδιαίτερα κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Ως εκ τούτου, η πρόβλεψη και παρακολούθηση της εξέλιξης πλημμυρικών φαινομένων λαμβάνει ιδιαίτερη σημασία για την ελαχιστοποίηση, εκτίμηση και αποκατάσταση των καταστροφών που προκαλούνται. Προς την κατεύθυνση αυτή, τα κράτη-μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν λάβει σημαντικές αποφάσεις δράσης, με την οδηγία 2007/60/ΕC για την αξιολόγηση και τη διαχείριση των κινδύνων πλημμύρας κάθε προέλευσης (European Union, 2007). Η Τηλεπισκόπηση (Remote Sensing) και τα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems/GIS) παρέχουν ασφαλή και οικονομικά μέσα παρακολούθησης, χαρτογράφησης και διαχείρισης των πλημμυρών. Υπηρεσίες όπως αυτές των (i) Centre for Satellite Based Crisis Information (ZKI, http://www.zki.dlr.de/), (ii) International Charter (http://www.disasterscharter.org), (iii) Services and Applications For Emergency Response (Safer, http://safer.emergencyresponse.eu) (iv) SERTIT (Service Régional de Traitement d'image et de Télédétection, http://sertit.u-strasbg.fr/), χρησιμοποιούν δορυφορικές εικόνες για την παρατήρηση της Γης (Earth Observation), παρέχοντας ουσιαστική υποστήριξη σε μεγάλης κλίμακας πλημμυρικά επεισόδια και φυσικές καταστροφές γενικότερα, ανά την υφήλιο. Επιπλέον, οι σημαντικές πλημμύρες σε περιφερειακό επίπεδο, όπου τα δορυφορικά δεδομένα και τα GIS θα μπορούσαν να συνεισφέρουν, ανέρχονται σε εκατοντάδες ετησίως. Όσον αφορά στην Ελλάδα, παρά την πληθώρα καταστροφικών επεισοδίων κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες, οι πλημμύρες δεν έχουν καταγραφεί επαρκώς και συστηματικά, ενώ τα δεδομένα παρατήρησης της Γης και τα GIS ελάχιστα χρησιμοποιήθηκαν σε σχετικές μελέτες. Με βάση τα παραπάνω, χρησιμοποιώντας μεθόδους Τηλεπισκόπησης και Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS), το παρόν ερευνητικό έργο (CEOGIS-Floods/Contribution of Earth Observation data and GIS to mapping and managing flood events in Greece) αποσκοπεί στο να συμβάλλει στη διαχείριση πλημμυρών στην Ελλάδα, καταγράφοντας και μελετώντας την πληθώρα των πλημμυρικών γεγονότων των δύο τελευταίων δεκαετιών. Πιο συγκεκριμένα, οι στόχοι της μελέτης συνοψίζονται στα εξής: Δημιουργία βάσης δεδομένων για τις πλημμύρες στην Ελλάδα (1992 - αρχές 2011). Παραγωγή χαρτών σε επίπεδο Χώρας, με βάση τα ως άνω δεδομένα. Διερεύνηση της επάρκειας δορυφορικών δεδομένων παρατήρησης της Γης κατά την περίοδο 1992 - αρχές 2011, κυρίως αναφορικά με τη διαχρονική τους ανάλυση (temporal resolution) και με έμφαση στον Ελληνικό Χώρο. Ανάδειξη τεχνικών αξιοποίησης των τηλεπισκοπικών δεδομένων και αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των δορυφορικών δεδομένων στη χαρτογράφηση πλημμυρών, καθώς και των προοπτικών συνεισφοράς των δορυφορικών αποστολών του άμεσου μέλλοντος (με την επιλογή συγκεκριμένων περιοχών ενδελεχούς μελέτης). 3
Συμβολή στην υλοποίηση των πρόσφατα υιοθετημένων πολιτικών της Ευρωπαϊκής Ένωσης (οδηγία 2007/60/ΕC) για την αξιολόγηση και τη διαχείριση των πλημμυρών (European Union, 2007). Υποστήριξη νέων επιστημόνων και μηχανικών που επιθυμούν να εργαστούν στα αντικείμενα που άπτονται του περιεχομένου της μελέτης. Προετοιμασία εκπαιδευτικού υλικού, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη διάφορων σχετικών δραστηριοτήτων (παρουσιάσεις, σεμινάρια, ασκήσεις, εργαστήρια). Ελεύθερη διάθεση των στοιχείων και των αποτελεσμάτων της μελέτης στο διαδίκτυο. Το παρόν έργο αποτελεί αυτόνομη και αυτοτελή δραστηριότητα. Ωστόσο, το κίνητρο για την υλοποίησή του βασίζεται σε ενθαρρυντικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη χρήση δορυφορικών εικόνων για τη χαρτογράφηση των πλημμυρών του Οκτωβρίου 2006 στους Νομούς Θεσσαλονίκης και Χαλκιδικής (Nikolaidou 2009, Nikolaidou et al. 2010). Η μελέτη έλαβε χώρα σε 4 επιμέρους στάδια, τα οποία και αναλύονται ακολούθως. Στάδιο 1: Συγκέντρωση δεδομένων και πληροφοριών (1.1) Συλλογή πληροφοριών για τις πλημμύρες στην Ελλάδα Το πρώτο βήμα περιελάμβανε τη συλλογή των πληροφοριών για τις πλημμύρες στην Ελλάδα, ως απαραίτητο υπόβαθρο για οποιαδήποτε περεταίρω μελέτη. Με τη βοήθεια του διαδικτύου κυρίως, συλλέχθηκαν δεδομένα που αφορούν σε εκατοντάδες εμφανίσεις πλημμυρών στον Ελλαδικό χώρο, για την περίοδο 1992-2011 (περίοδος κατά την οποία δυνητικά υπάρχουν δορυφορικές εικόνες, κατάλληλες για τους σκοπούς της μελέτης). Οι πηγές των πληροφοριών ήταν ως επί το πλείστον επιστημονικές εργασίες, τεχνικές εκθέσεις και αναφορές σε κάθε είδους ηλεκτρονικά δημοσιεύματα. Ορισμένα βασικά δεδομένα για μεγάλα πλημμυρικά γεγονότα ελήφθησαν αρχικά από το Darmouth Flood Observatory (http://www.dartmouth.edu/~floods/). Πλημμύρες, οι οποίες μελετήθηκαν ήδη με τηλεπισκοπικές μεθόδους εξαιρέθηκαν από περεταίρω μελέτη, αλλά σαφώς ελήφθησαν υπόψη για στατιστικούς λόγους. Συνολικά, καταγράφηκαν περισσότερες από 500 περιπτώσεις πλημμυρών, από το 1992 έως τις αρχές του 2011. (1.2) Δημιουργία βάσης δεδομένων σε περιβάλλον GIS Με βάση τα αποτελέσματα του σταδίου 1.1, δημιουργήθηκε αρχικά βάση δεδομένων, η οποία περιλαμβάνει τις πληροφορίες που συλλέχθηκαν, καθώς και επιπλέον στοιχεία που ανακτήθηκαν εκ των υστέρων (συντεταγμένες, διαδικτυακοί σύνδεσμοι που παραπέμπουν στο εκάστοτε πλημμυρικό γεγονός, σε φωτογραφίες και χάρτες κλπ) (Εικόνα 1). 4
DATE LOCATION DAMAGES REF. NOTES AND INTERNET LINKS, DURATION AFFECTED LIVES PEOPLE CODE FROM TO MAIN CAUSE PLACE NAME RIVERS φ (N) λ (E) (days) AREA (km 2 COST ( ) COMMENTS MAPS, PHOTOS ) LOST EVACUATED F46 13-Nov-92 13-Nov-92 1 heavy rain Komotini 41.118870 25.405528 http://itia.ntua.gr/get F47 19-Nov-92 19-Nov-92 1 heavy rain Kavala, Eleutheres 40.850589 24.256946 4 http://itia.ntua.gr/get F48 22-Oct-94 22-Oct-94 1 heavy rain Karditsa Enipeas 39.365557 21.926689 http://itia.ntua.gr/get F1 24-Oct-94 27-Oct-94 4 heavy rain Athens 37.979180 23.716647 F49 24-Oct-94 27-Oct-94 4 heavy rain Rhodos 36.443235 28.227007 http://floodobservat ory.colorado.edu/ar chives/masterlistre F50 24-Oct-94 27-Oct-94 4 heavy rain Karditsa Region 39.365557 21.926689 36620 320000000 14 1000 Karditsa cotton F51 24-Oct-94 27-Oct-94 4 heavy rain Kasos 35.416494 26.921944 v.xls F421 6-Jan-95 6-Jan-95 1 heavy rain Attiki, Zefiri 38.068612 23.715755 Σε Βενετία, http://www1.rizospa κ α τ α ρ ρ α κ τ ώ δ ε ι ς F423 3-Jan-96 4-Jan-96 2 heavy rain Ikaria 37.615098 26.295221 Η φύση http://www2.rizospa F93 14-Jan-97 14-Jan-97 1 heavy rain Hania 35.516236 24.018807 Την 12-1-1997 http://creteweather. F54 12-Jan-97 12-Jan-97 1 heavy rain Lasithi 35.081169 25.710179 1 blogspot.com/2008/ F323 12-Jan-97 14-Jan-97 3 heavy rain Fthiotida Sperhios 38.899897 22.433350 Worst storm in 40 http://floodobservat 34740 300 F55 12-Jan-97 14-Jan-97 3 heavy rain Athens Kifissos 37.979180 23.716647 yrs. 16 inches of ory.colorado.edu/ar 5 F53 12-Jan-97 14-Jan-97 3 heavy rain Aiyion 38.250822 22.077281 rain in central chives/masterlistre F13 12-Jan-97 14-Jan-97 3 heavy rain Corinth 37.938546 22.932019 Greece. v.xls Εικόνα 1. Απόσπασμα από τη βάση δεδομένων, η οποία δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας πληροφορίες για πλημμυρικά επεισόδια της περιόδου 1992 2011 στον Ελληνικό Χώρο. Το περιεχόμενο της βάσης δεδομένων δεν είναι εξαντλητικό, ωστόσο αντικατοπτρίζει σε ικανοποιητικό βαθμό την κατανομή και διασπορά των πλημμυρικών γεγονότων στην Ελληνική Επικράτεια. Ακολούθως, η βάση δεδομένων εισήχθη σε περιβάλλον Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και μετατράπηκε σε σημειακό διανυσματικό (vector) επίπεδο γεωχωρικών πληροφοριών μορφής shapefile (*.shp), μαζί με συμπληρωματικά διανυσματικά δεδομένα (νομοί, περιφέρειες, οικισμοί, λεκάνες απορροής, λίμνες, ποταμοί, υδατικά διαμερίσματα κλπ), τα οποία είτε ανακτήθηκαν από ιστότοπους ελεύθερα διαθέσιμων δεδομένων, όπως το http://geodata.gov.gr, ή ψηφιοποιήθηκαν εξαρχής. Δεδομένα ελήφθησαν επίσης από τους τοπογραφικούς χάρτες κλίμακας 1:50.000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) και τους Γεωλογικούς χάρτες κλίμακας 1:50.000 και 1:500.000 του Ινστιτούτου Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (Ι.Γ.Μ.Ε.), που αφορούν κυρίως στις επιλεγμένες περιοχές μελέτης (βλ. 1.3). (1.3) Επιλογή περιοχών μελέτης Εκτός από τις πληροφορίες/αποτελέσματα για το σύνολο του Ελληνικού Χώρου, επιλέχθηκαν ορισμένες θέσεις προς περαιτέρω μελέτη. Οι περιοχές αυτές καθορίστηκαν με βάση τις εκάστοτε ιδιαιτερότητές τους (γεωγραφικές, γεωμορφολογικές κλπ), τα χαρακτηριστικά των πλημμυρικών επεισοδίων που καταγράφτηκαν (βλ. 1.1) και τα διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα (βλ. 1.4). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ύπαρξη δορυφορικών εικόνων ραντάρ (SAR/Synthetic Aperture Radar) που να συμπίπτουν χρονικά με τις πλημμύρες, εξαιτίας των εγγενών χαρακτηριστικών των δεδομένων SAR (εικόνες υπό σχεδόν οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες, μέρα και νύκτα). Έτσι, ως ενδεδειγμένες να μελετηθούν περαιτέρω, προκρίθηκαν οι περιοχές που συνδέονται με τα εκτεταμένα πλημμυρικά γεγονότα του Νοεμβρίου-Δεκεμβρίου 2007 στους Νομούς Ξάνθης και Ροδόπης (Εικόνα 2) και συγκεκριμένα εντοπίζονται στην ευρύτερη περιοχή της λίμνης Βιστωνίδας (Εικόνα 3). 5
Εικόνα 2. Πλημμυρισμένη περιοχή μεταξύ των οικισμών Αμβροσία και Αίγειρος του Νομού Ροδόπης, από παλαιότερο πλημμυρικό επεισόδιο (πηγή εικόνας: Google Earth ) [γεωγραφικές συντεταγμένες: 41.0832558 Ν, 25.2523117 Ε]. Εικόνα 3. Η ευρύτερη περιοχή μελέτης γύρω από τη λίμνη Βιστωνίδα, οριοθετείται υδρολογικά από τις λεκάνες απορροής Κομοτηνής-Λουτρού Έβρου και Ρέματος Ξάνθης-Ξηροπόταμου, περιλαμβάνοντας το σύνολο σχεδόν του Νομού Ροδόπης, μεγάλο τμήμα του Νομού Ξάνθης και ένα μικρό τμήμα του Νομού Έβρου. 6
(1.4) Αναζήτηση και ανάκτηση δεδομένων παρατήρησης της Γης Στο στάδιο αυτό της έρευνας έλαβε χώρα η αναζήτηση κατάλληλων δορυφορικών εικόνων, δηλαδή δεδομένων τα οποία να ικανοποιούν προϋποθέσεις χωρικής, φασματικής και διαχρονικής ανάλυσης, ώστε να είναι εφικτή η κατά το δυνατόν βέλτιστη καταγραφή των πλημμυρικών επεισοδίων και των αποτελεσμάτων τους. Τελικά, για τις ανάγκες της μελέτης, ανακτήθηκαν τα εξής δεδομένα παρατήρησης της Γης: 8 δορυφορικές εικόνες ραντάρ (Envisat/ASAR, IMG mode), για την εφαρμογή συμβατικών μεθόδων επεξεργασίας (βλ. 2.1) (πηγή: ESA, Category-1 proposal 7529) 9 σετ δορυφορικών δεδομένων ραντάρ (Envisat/ASAR, SLC mode), για την εφαρμογή τεχνικών συμβολομετρίας SAR (βλ. 2.2) (πηγή: ESA, Category-1 proposal 7529) 2 πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες SPOT-5 (συλλογή image 2006 ), χωρικής ανάλυσης 20m (βλ. 2.3) Πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat-7/ΕΤΜ+, με μέγιστη χωρική ανάλυση 15m (πηγή: Global Land Cover Facility, http://glcf.umiacs.umd.edu/) Εικόνες πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης (έως 0,2m) προερχόμενες από αεροφωτογραφίες της ΚΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ Α.Ε. (http://gis.ktimanet.gr/wms/ktbasemap/) Υψομετρικά δεδομένα ASTER-GDEM (http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/) Υψομετρικά δεδομένα SRTM (http://srtm.csi.cgiar.org/) Ακολούθησε η επεξεργασία των δεδομένων, όπως αυτή περιγράφεται στη συνέχεια. Στάδιο 2: Επεξεργασία δεδομένων (2.1) Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων ραντάρ (SAR) Σε αντίθεση με τις δορυφορικές εικόνες του ορατού και υπέρυθρου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, οι εικόνες ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar/SAR) παρέχουν μοναδικές δυνατότητες μελέτης των πλημμυρικών φαινομένων (π.χ. Badji et al., 1997; Yésou et al, 2000; Sarti, 2004; Li et al., 2005). Αυτό συμβαίνει εξαιτίας των εγγενών χαρακτηριστικών της μικροκυματικής ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται στις εικόνες SAR και τους επιτρέπουν να λειτουργούν υπό σχεδόν οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες, μέρα και νύκτα. Κατά το στάδιο προ-επεξεργασίας των εικόνων SAR έλαβαν χώρα: 7
1. Η βαθμονόμηση (calibration) κάθε εικόνας, με τη μετατροπή των ψηφιακών τιμών (digital values, DN) κάθε εικονοστοιχείου της σε τιμές σ 0 (συντελεστής οπισθοσκέδασης/backscattering coefficient) (Rosich & Meadows, 2004), ώστε να διασφαλιστεί ότι οι τιμές από εικόνα σε εικόνα, αλλά και μεταξύ των τμημάτων της ίδιας εικόνας είναι συγκρίσιμες. 2. Η εγγραφή όλων των διαχρονικών εικόνων μεταξύ τους (co-registration) με βάση την εικόνα του 2006, ώστε να επιτευχθεί η γεωγραφική και γεωμετρική τους ταύτιση Κατά την κυρίως επεξεργασία, για τον εντοπισμό και χαρτογράφηση των πλημμυρισμένων περιοχών, ακολουθήθηκαν οι εξής διαδικασίες: 1. Υπολογισμός του μέσου όρου των 7 στεγνών εικόνων, ώστε να δημιουργηθεί μία εικόνα αναφοράς με τις μέσες συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή (οι διαχρονικές εικόνες επιλέχθηκαν να είναι όλες της ίδιας εποχής με αυτήν της πλημμύρας) 2. Δημιουργία ψευδοχρωματικής απεικόνισης, με χρήση της ως άνω στεγνής εικόνας αναφοράς και της εικόνας της πλημμύρας του 2007, για την αναγνώριση των πλημμυρισμένων περιοχών (Εικόνα 4) Εικόνα 4. Ψευδοχρωματική εικόνα, η οποία προήλθε από την επεξεργασία και σύνθεση 8 δορυφορικών εικόνων ραντάρ (Envisat/ASAR). Με έντονο μπλε χρώμα απεικονίζονται οι πλημμυρισμένες περιοχές στους Νομούς Ξάνθης, Ροδόπης και Έβρου, την 18 η Νοεμβρίου 2007. 8
(2.2) Εφαρμογή τεχνικών συμβολομετρίας SAR Η μέθοδος της συμβολομετρίας SAR είναι στην πρωτογενή της μορφή μια τεχνική παραγωγής ψηφιακών μοντέλων εδάφους (DTM). Χρησιμοποιεί την πληροφορία της φάσης, από δεδομένα SAR, για να σχηματίσει συμβολογράμματα (Interferograms) από τα οποία μπορούν να υπολογιστούν υψομετρικές διαφορές, να παραχθούν DTM ή/και να καταγραφούν παραμορφώσεις της επιφάνειας του εδάφους. Τα βασικά 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) Για τους σκοπούς της μελέτης, δυνητικό ενδιαφέρον παρουσίαζε ο χάρτης συνάφειας της φάσης. Η συνάφεια αποτελεί ένα μέτρο της ομοιότητας (συσχέτισης) των χρησιμοποιούμενων δεδομένων ( εικόνων φάσης) και οι τυχόν υπέρμετρες διακυμάνσεις της ενδεχομένως να συνιστούν ένδειξη για την ανίχνευση πλημμυρισμένων περιοχών. Στα διαθέσιμα σετ δορυφορικών δεδομένων ραντάρ (Envisat/ASAR, SLC mode), εφαρμόστηκαν αρχικά ακριβείς τροχιακές παράμετροι που παρέχονται από το DEOS (Department of Earth Observation and Space Systems) του Delft University of Technology και υπολογίστηκε η βάση (baseline) μεταξύ των όλων των ζευγών εικόνων με χρονική απόσταση ενός έτους. Ακολούθως, υπολογίστηκε η συνάφεια της φάσης για ζεύγη με όμοια γεωμετρικά χαρακτηριστικά, σε αντιπαραβολή με το ζεύγος, το οποίο περιείχε την εικόνα της πλημμύρας. Από τα αποτελέσματα, δεν προέκυψαν επιπλέον στοιχεία χρήσιμα για τους σκοπούς της μελέτης, καθώς η ευρύτερη περιοχή παρουσιάζει ιδιαίτερα χαμηλή συνάφεια (κυρίως καλλιεργήσιμες εκτάσεις). (2.3) Επεξεργασία οπτικών δορυφορικών εικόνων Εξαιτίας της φασματικής τους ανάλυσης κυρίως, οι εικόνες Landsat-7/ETM+ κρίθηκαν καταλληλότερες σε σχέση με τις διαθέσιμες εικόνες SPOT, για τους σκοπούς της έρευνας και ιδίως για την εφαρμογή των μεθόδων ταξινόμησης. Έτσι, οι δίαυλοι (φασματικές ζώνες) της εικόνας ETM+ του δορυφόρου Landsat 7 αποτέλεσαν τα δεδομένα επεξεργασίας στο στάδιο αυτό της μελέτης. Συγκεκριμένα οι συνολικά έξι δίαυλοι της εικόνας στο οπτικό (μπλε, πράσινο, κόκκινο) και υπέρυθρο (εγγύς, κοντινό και μέσο) κομμάτι του φάσματος με χωρική ανάλυση 30m, καθώς και ο παγχρωματικός δίαυλος με χωρική ανάλυση 15m, με ημερομηνία λήψης τον Ιούλιο του 2007 ήταν διαθέσιμα για την περιοχή μελέτης. Διαθέσιμο για την περιοχή ήταν επίσης και το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ASTER GDEM με βήμα καννάβου 30m. Η συγχώνευση της πολυφασματικής με την αντίστοιχη παγχρωματική εικόνα αποτέλεσε βασικό στάδιο της προεπεξεργασίας. Η συγχώνευση δορυφορικών δεδομένων είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για το συνδυασμό της φασματικής και χωρικής πληροφορίας εικόνων διαφορετικού τύπου. Με τη συγχώνευση επομένως της πολυφασματικής και της παγχρωματικής ETM+ εικόνας χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο των Κύριων Συνιστωσών (Principal Components Analysis) προέκυψε η συνθετική εικόνα με τη χωρική ανάλυση της παγχρωματικής και τις φασματικές 9
ιδιότητες της πολυφασματικής εικόνας (Chavez et al. 1991; Phol and Van Genderen 1998; Τσακίρη κ.α. 2002). Η εφαρμογή κατάλληλων δεικτών στη συνθετική εικόνα για την παραγωγή συμπληρωματικής πληροφορίας και τη διευκόλυνση της διαδικασίας της ταξινόμησης (βλ. 3.1) αποτέλεσε το επόμενο βήμα της προεπεξεργασίας των δεδομένων. Συγκεκριμένα εφαρμόστηκαν οι δείκτες βλάστησης, νερού και δόμησης σύμφωνα με τις σχέσεις που περιγράφονται παρακάτω (Πίνακας 1), για την «ενίσχυση» των περιοχών με βλάστηση, νερό και δόμηση αντίστοιχα. Πίνακας 1. Φασματικοί δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν. ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ (ΔΙΑΥΛΟΙ/ Β:ΜΠΛΕ, G:ΠΡΑΣΙΝΟΣ, R: ΚΟΚΚΙΝΟΣ, NIR: ΕΓΓΥΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΣ, SWIR: ΚΟΝΤΙΝΟΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΣ) Δείκτης NDVI Δείκτης NDWI Δείκτης NDBI Κανονικοποιημένος Δείκτης Βλάστησης Κανονικοποιημένος Δείκτης Νερού Κανονικοποιημένος Δείκτης Δόμησης NIR R NDVI NIR R G SWIR NDWI G SWIR B NIR NDBI B NIR (2.4) Επεξεργασία χωρικών δεδομένων σε περιβάλλον GIS Με την οριοθέτηση των περιοχών μελέτης και τη συλλογή πρωτογενούς ψηφιακής πληροφορίας, κατέστη δυνατή η παραγωγή δευτερογενών δεδομένων, τα οποία αποτέλεσαν απαραίτητα δεδομένα εισαγωγής στις αναλύσεις του σταδίου 3, σε περιβάλλον GIS. Για την επεξεργασία των δεδομένων και την παραγωγή των σχετικών χαρτών χρησιμοποιήθηκε η Εγκάρσια Mερκατορική προβολή ΤΜ87 του Ελληνικού Γεωδαιτικού Συστήματος Αναφοράς 1987 (ΕΓΣΑ87). Οι δευτερογενείς αυτές πληροφορίες αφορούν κυρίως στο γεωμορφολογικό υπόβαθρο και τις υδρολογικές ιδιότητες της περιοχής μελέτης και βασίζονται στο διαθέσιμο ψηφιακό μοντέλο εδάφους (Digital Terrain Model/DTM) (Εικόνα 5) από τα δεδομένα SRTM (http://srtm.csi.cgiar.org/) και άλλες πληροφορίες (γεωλογία, κάλυψη γης, δείκτες βλάστησης). Αναλυτικότερα, τα σημαντικότερα παραγόμενα δεδομένα από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους ήταν οι εξής χάρτες: Κλίσεων (Εικόνα 6) Προσανατολισμού (aspect) των κλιτυών (Εικόνα 7) Κατεύθυνσης ροής (Εικόνα 8) Συσσώρευσης ροής (Εικόνα 9) Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας (Εικόνα 10) 10
Εικόνα 5. Ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής μελέτης, με ταξινόμηση του αναγλύφου κατά Dikau (1989), ως εξής: (i) < 150m: πεδινό, (ii) 150m - 600m: λοφώδες, (iii) 600m - 900m: ημιορεινό, (iv) > 900m: ορεινό. Εικόνα 6. Χάρτης κλίσεων περιοχής μελέτης (ταξινόμηση κατά Demek, 1972). Κλίση 00-20 (0% - 3,5%): επίπεδο έως ελαφρώς κεκλιμένο ανάγλυφο (πλημμυρικά πεδία, επιφάνειες επιπέδωσης, αναβαθμίδες). Κλίση 20-50 (3,5% - 8,7%): ελαφρώς κεκλιμένο ανάγλυφο (πρόποδες κοιλάδων, περιοχές τελικών μοραίνων, κλιτύες θινών). Κλίση 50-150 (8,7% - 26,8%): ισχυρώς κεκλιμένο ανάγλυφο (κλιτύες κοιλάδων, τεκτονικές αναβαθμίδες). Κλίση 150-350 (26,8% - 70%): απότομο (150-250) έως εξαιρετικά απότομο (250-350) ανάγλυφο (κλιτύες κοιλάδων μεσαίων ορέων). Κλίση 350-550 (70% - 135%): απόκρημνο ανάγλυφο (απότομες κλιτύες κοιλάδων υψηλών ορέων, κλιτύες σχηματισμών hogbacks, κλιτύες ασβεστολιθικών φαραγγιών). Κλίση > 550 (>135%): κάθετο ανάγλυφο (κάθετες κλιτύες σε περιοχές ψαμμιτικών και ασβεστολιθικών ορέων). 11
Εικόνα 7. Χάρτης προσανατολισμού των κλιτυών. Εικόνα 8. Χάρτης κατεύθυνσης ροής. Η κατεύθυνση ροής σε κάθε εικονοστοιχείο του DTM εξαρτάται από το σχετικό υψόμετρο του σημείου αυτού ως προς τα γειτονικά του. Αυτή η γνώση επιτρέπει τον καθορισμό της κατεύθυνσης της μεγίστης κλίσης κάθε σημείου (εικονοστοιχείου), η οποία ταυτίζεται με την κατεύθυνση ροής από εκείνο το σημείο προς τα γειτονικά του. Οι δυνατές κατευθύνσεις είναι οκτώ, όσα δηλαδή και τα γειτονικά εικονοστοιχεία. 12
Εικόνα 9. Χάρτης συσσώρευσης ροής. Η συσσώρευση ροής εκφράζει την ποσότητα νερού η οποία θα κινηθεί προς κάθε εικονοστοιχείο από τα γειτονικά του και τελικά θα συσσωρευτεί σε αυτό. Ο υπολογισμός της συνολικής ροής που συγκεντρώνεται σε κάθε εικονοστοιχείο είναι δυνατός, με βάση την κατεύθυνση ροής (Εικόνα 8) στα γειτονικά αυτού σημεία. Εικόνα 10. Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας (Topographic Wetness Index/TWI) κατά Beven & Kirkby (1979). Ο υπολογισμός του TWI βασίζεται στην τοπογραφία, ως κύριο παράγοντα ρύθμισης της συμπεριφοράς του νερού πάνω στο έδαφος και της κατανομή της υγρασίας σε αυτό. 13
Εξίσου σημαντικά δευτερογενή δεδομένα ήταν τα εξής: Χάρτης περατότητας, με βάση τη γεωλογία (Εικόνα 11) Χάρτης βλάστησης, με βάση τον δείκτη NDVI (Εικόνα 12) Συντελεστής Strickler (χάρτης τραχύτητας), με βάση την κάλυψη γης (Εικόνα 13) Εικόνα 11. Χάρτης (δια)περατότητας λιθολογικών σχηματισμών. Τα πετρώματα ταξινομήθηκαν σε τρεις βασικές κατηγορίες: (i) διαπερατά, (ii) ημιπερατά, (iii) αδιαπέρατα, σύμφωνα με τον Σούλιο (1996). Εικόνα 12. Η κατανομή της βλάστησης στην περιοχή μελέτης όπως προέκυψε από την εφαρμογή του Δείκτη Βλάστησης Κανονικοποιημένης Διαφοράς (Normalized Difference Vegetation Index/NDVI). 14
Εικόνα 13. Συντελεστής τραχύτητας (roughness coefficient) κατά Strickler (1923), με βάση την κάλυψης γης στην περιοχή μελέτης. Χαμηλές τιμές του συντελεστή αντιστοιχούν σε επιφάνειες μεγάλης τραχύτητας και αντιστρόφως. Τα ως άνω δευτερογενή δεδομένα αναλύθηκαν στο σύνολό τους κατά το επόμενο στάδιο της μελέτης και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή των τελικών χαρτών επιδεκτικότητας και κινδύνου πλημμύρας της υπό εξέταση περιοχής (βλ. 3.4). Στάδιο 3: Ανάλυση δεδομένων (3.1) Εφαρμογή τεχνικών ταξινόμησης Η χαρτογράφηση της κάλυψης του εδάφους στην περιοχή ενδιαφέροντος ήταν απαραίτητη για τη μελέτη της επιδεκτικότητας σε πλημμύρα. Οι κατηγορίες κάλυψης του εδάφους ήταν μεν διαθέσιμες μέσω του ευρωπαϊκού προγράμματος CORINE 2000 (Εικόνα 14), ωστόσο κρίθηκε σκόπιμο να πραγματοποιηθεί η ταξινόμηση τηλεπισκοπικών απεικονίσεων με ημερομηνία λήψης κοντά στην ημερομηνία εμφάνισης της πλημμύρας στην περιοχή μελέτης για πιο ακριβή αποτελέσματα. Οι τάξεις του CORINE λοιπόν χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά και η ενημέρωσή τους πραγματοποιήθηκε με βάση την ταξινόμηση πιο πρόσφατων δορυφορικών εικόνων Landsat-7/ETM+. Η ταξινόμηση της εικόνας στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε με την ανάλυση της εικόνας με βάση τα αντικείμενα (Object-Based Image Analysis, OBIA) που θεωρείται μία εναλλακτική τεχνική στην ταξινόμηση της ψηφίδας ή εικονοστοιχείου (pixel). Η τεχνική βασίστηκε στην ιδέα ότι περνώντας από τις ψηφίδες στα αντικείμενα εικόνας είναι δυνατή η βέλτιστη διαχείριση της χωρικής πληροφορίας που εμπεριέχεται στις τηλεπισκοπικές εικόνες (Castilla and Hay, 2006). Η μέθοδος της αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης ολοκληρώθηκε σε δυο βασικά στάδια: την κατάτμηση της εικόνας, την υποδιαίρεσή της δηλαδή σε ομοιογενείς περιοχές για το 15
σχηματισμό αντικειμένων και στη συνέχεια την ταξινόμηση των αντικειμένων με βάση την ασαφή λογική (fuzzy logic). Εικόνα 14. Οι κατηγορίες κάλυψης του εδάφους σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρόγραμμα CORINE 2000 για την περιοχή μελέτης. Η κατάτμηση της εικόνας αποτελεί βασικό βήμα κατά τη διαδικασία της αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να οριστούν οι κατάλληλοι παράμετροι κλίμακας και ομοιογένειας, ώστε να δημιουργηθούν τμήματα στην εικόνα που να αντιπροσωπεύουν αντικείμενα του πραγματικού κόσμου. Ο αλγόριθμος ξεκινάει θεωρώντας κάθε ψηφίδα ως ένα αντικείμενο και μετά από πολλά βήματα συγχωνεύει τα μικρότερα αντικείμενα σε μεγαλύτερα. Το μέγεθος των αντικειμένων που σχηματίζονται είναι ανάλογο με την παράμετρο κλίμακας που έχει οριστεί (Baatz and Schäpe, 2000). Η πληροφορία των τάξεων κάλυψης του εδάφους του Corine αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία του πρώτου επιπέδου κατάτμησης. Τα τμήματα εικόνας που προέκυψαν επομένως αντιστοιχούσαν στα πολύγωνα των τάξεων του Corine. Στη συνέχεια στο δεύτερο επίπεδο κατάτμησης το βάρος για τη συμμετοχή των δεδομένων εισόδου (δίαυλοι της συνθετικής εικόνας, εικόνες NDVI και NDWI) ορίστηκε ισοδύναμα, λόγω της σημαντικής φασματικής μεταβλητότητας των καλύψεων του εδάφους σε όλους τους διαύλους. Η παράμετρος κλίμακας επιλέχθηκε μετά από μία διαδικασία δοκιμής και λαμβάνοντας υπόψη σε κάθε περίπτωση το σχήμα και τη μορφή των τμημάτων της εικόνας σε σχέση με τα πραγματικά αντικείμενα, το πιο κατάλληλο επίπεδο θεωρήθηκε αυτό με παράμετρο κλίμακας 20. Το δεύτερο επίπεδο ήταν υποεπίπεδο του πρώτου (επίπεδο Corine) και επομένως τα όρια των τμημάτων του (μπλε χρώμα) περιορίζονταν από τα όρια των πολυγώνων του Corine (κόκκινο χρώμα) (Εικόνα 15). Με τον τρόπο αυτό διευκολύνθηκε ο εντοπισμός των αλλαγών στην κάλυψη του εδάφους και η ενημέρωση του Corine. 16
Εικόνα 15. Τα διαφορετικά επίπεδα κατάτμησης που προέκυψαν με παραμέτρους κλίμακας 100, 50 και 20 (από τα αριστερά προς τα δεξιά αντίστοιχα). Οι τάξεις κάλυψης του εδάφους του προγράμματος Corine 2000 προέκυψαν με το συνδυασμό τηλεπισκοπικών απεικονίσεων, φωτοερμηνεία αεροφωτογραφιών και επίγειες μετρήσεις. Για το λόγο αυτό οι τάξεις του Corine 2000, όπως περιγράφονται στο τρίτο επίπεδο, δεν ήταν δυνατό να εντοπιστούν στο σύνολο τους με την αυτόματη ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας. Οι τάξεις που επιλέχθηκαν επομένως κατά την αντικειμενοστραφή ανάλυση της εικόνας στην παρούσα μελέτη ήταν κυρίως του πρώτου και δεύτερου επιπέδου. Κάθε τάξη περιγράφηκε με τον καθορισμό κανόνων σχετικών με το σχήμα, τα φασματικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των τμημάτων της εικόνας. Αρχικά ταξινομήθηκαν οι περιοχές με βλάστηση και νερό, καθορίζοντας τους κατάλληλους κανόνες και τα κατώφλια/οριακές τιμές (thresholds) στους αντίστοιχους δείκτες. Η υψομετρική πληροφορία του ψηφιακού μοντέλου εδάφους βοήθησε στη συνέχεια στο διαχωρισμό των περιοχών με σκιά (η σκιά δημιουργήθηκε λόγω της κλίσης του εδάφους), οι οποίες λανθασμένα ταξινομήθηκαν στην τάξη Υδάτινες Επιφάνειες. Η πληροφορία του μπλε διαύλου και συγκεκριμένα το χαρακτηριστικό Ratio Blue, η τιμή της φωτεινότητας και ο δείκτης δόμησης χρησιμοποιήθηκαν στον εντοπισμό των δομημένων περιοχών. Το γεωμετρικό χαρακτηριστικό Length/Width και ο δείκτης δόμησης βοήθησαν στον καθορισμό του οδικού δικτύου, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό για την περιοχή μελέτης αφού καθορίστηκε με τον τρόπο αυτό ο οδικός άξονας της Εγνατίας οδού που δεν περιλαμβανόταν στις τάξεις κάλυψης του Corine (Εικόνα 16). Η ταξινομημένη εικόνα σε συνδυασμό με την οπτική ερμηνεία των εικόνων υψηλής ανάλυσης που διαθέτει το Google Earth οδήγησε στον εντοπισμό και των υπόλοιπων μεταβολών στην περιοχή. Συγκεκριμένα τα πολύγωνα του Corine αποτέλεσαν το επίπεδο αναφοράς και τα πολύγωνα των μεταβολών συντέλεσαν στην ενημέρωσή του. Για παράδειγμα εντοπίστηκε η τάξη Δάση (2ο επίπεδο) με την αντικειμενοστραφή ανάλυση της εικόνας, στην περίπτωση που ήταν Δάση και στο επίπεδο του Corine ταξινομούνταν στη συνέχεια στις επιμέρους τάξεις του 3ου επιπέδου. Σε αντίθετη περίπτωση η τάξη του 3ου επιπέδου διαπιστώθηκε με την οπτική ερμηνεία των εικόνων του Google Earth. Με τον τρόπο αυτό διατηρήθηκε η ονοματολογία και η κωδικοποίηση του Corine, που ήταν απαραίτητα για την ολοκλήρωση και εφαρμογή του μοντέλου επιδεκτικότητας σε πλημμύρα. 17
Εικόνα 16. Οι κατηγορίες κάλυψης του εδάφους όπως προέκυψαν μετά την αντικειμενοστραφή ανάλυση της εικόνας Landsat/ETM+ του Ιουλίου 2007. Η ονοματολογία είναι σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρόγραμμα CORINE 2000. (3.2) Εργασία υπαίθρου Στα πλαίσια της έρευνας έλαβε χώρα εργασία υπαίθρου, με σκοπό αφενός την επί τόπου επισκόπηση της υπό μελέτη περιοχής και αφετέρου τη συλλογή δεδομένων για την υποστήριξη και επαλήθευση της μελέτης (ταξινόμηση εικόνων, εντοπισμός πλημμυρισμένων περιοχών με εικόνες SAR) (Εικόνα 17). Εικόνα 17. Βασική διαδρομή που ακολουθήθηκε και θέσεις δειγματοληψίας (κόκκινα τρίγωνα) κατά την εργασία υπαίθρου, όπου έλαβε χώρα η ταυτόχρονη συλλογή συντεταγμένων με GPS και φωτογραφικού υλικού (βλ. Εικόνα 18, Εικόνα 19 & Εικόνα 20) (πηγή: Google Earth ). 18