Προσομοίωση σε συνθετικές εικόνες για την ανάδειξη και προστασία του φυσικού περιβάλλοντος των ορεινών όγκων Γιώργος Χ. Μηλιαρέσης, Τομέας Εφαρμοσμένης Γεωλογίας & Γεωφυσικής, Τμήμα Γεωλογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, Rίον 6504 e-mail: gmiliar@upatras.gr Τηλ.: 610-99.6.96, Φαξ.: 610-99.19.00 Περίληψη ορυφορικές εικόνες και ψηφιακά υψομετρικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την δημιουργία συνθετικών εικόνων στις οποίες ολοκληρώνονται πληροφορίες από ετερόκλητα θεματικά επίπεδα πληροφορίας όπως οι καλύψεις γης, η θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους, το μέτρο και η διεύθυνση του διανύσματος της κλίσης. Οι συνθετικές εικόνες οπτικοποιούνται με προσομοίωση υπέρπτησης πάνω από το ανάγλυφο της περιοχής μελέτης. Κατά τον σχεδιασμό της πτήσης προσομοιώνεται γραμμή πτήσης (τρισδιάστατο ίχνος, γωνία παρατήρησης, ταχύτητα, υψόμετρο) αλλά και συνθήκες φωτισμού (ύψος, αζιμούθιο ήλιου), και ατμοσφαιρικές συνθήκες της επιλογής του χρήστη. Κατά αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ανάδειξη του φυσικού περιβάλλοντος των ορεινών όγκων, η ερμηνεία των ιδιαίτερων φυσιογραφικών και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του οικοσυστήματος, επιτρέποντας τον καλύτερο προγραμματισμό λήψης μέτρων προστασίας αλλά και την ορθότερη διαχείριση περιβαλλοντικών κρίσεων και καταστάσεων εκτάκτου ανάγκης. 1. Εισαγωγή & στόχος Η σύγχρονη τεχνολογία της τηλεπισκόπησης και της ψηφιακής χαρτογραφίας μας παρέχει δορυφορικές εικόνες με εξαιρετικά μεγάλη χωρική, φασματική και ραδιομετρική ικανότητα (Μηλιαρέσης 003α, Μηλιαρέσης 003β). Αυτό σημαίνει ότι o o μπορούμε να έχουμε εικόνες από το διάστημα με χωρική διακριτική ικανότητα κάτω του ενός μέτρου 1 ενώ νέα καταγραφικά συστήματα επιτρέπουν την σάρωση της γήινης επιφάνειας σε πολύ στενά μήκη κύματος (κανάλια) και σε μεγάλο αριθμό καναλιών επιτρέποντας την αναγνώριση καλύψεων γης μέσω της ποσοτικής τους ταύτισης με βιβλιοθήκες φασματικών υπογραφών, και παράλληλα o η αύξηση της ραδιομετρικής διακριτικής ικανότητας επιτρέπει τον εντοπισμό πολύ μικρών μεταβολών της ενέργειας στην γήινη επιφάνεια. Παράλληλα η τηλεπισκόπηση έχει μετατραπεί από ένα εξελιγμένο χαρτογραφικό σύστημα που αποσκοπούσε στην καταγραφή των καλύψεων γης και των αλλαγών τους στην επιφάνεια της γης (Μηλιαρέσης 004) αλλά και της γεωλογίας- γεωμορφολογίας (Miliaresis & Argialas 00, Miliaresis 001a, Miliaresis 001b, Miliaresis & Argialas 000) σε ένα 1 Quickbird, DigitalGlobe, http://www.digitalglobe.com/ Hyperion, US Geological Survey, http://edc.usgs.gov/products/satellite/eo1.html
ολοκληρωμένο σύστημα προστασίας του περιβάλλοντος μέσω της καταγραφής και της διαχρονικής μελέτης εξέλιξης βιοφυσικών παραγόντων 3, όπως η θερμοκρασία και η ανακλαστικότητα της επιφάνειας και η συμβολή τους στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, η βιολογική δραστηριότητα στην επιφάνεια της θάλασσας, κ.α. Επιπλέον εξελιγμένα καταγραφικά συστήματα εκτελούν χαρτογραφήσεις σε άλλους πλανήτες (Miliaresis & Kokkas, 004) ενώ ήδη το καταγραφικό σύστημα iking έχει εξέλθει από τα όρια του ηλιακού μας συστήματος συνεχίζοντας την περιπλάνηση σε χώρους που ελάχιστοι πίστευαν ότι θα είχαμε ποτέ την δυνατότητα να παρατηρήσουμε έστω και μέσω της τηλεπισκόπησης από μη επανδρωμένα δορυφορικά συστήματα. Η καταγραφή της φασματική πληροφορίας από δορυφόρους οδήγησε εκτός των άλλων στην σύνθεση τοπογραφικών χαρτών και ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων εδάφους (Miliaresis & Illiopoulou 004). Ένα τέτοιο πρωτοποριακό σύστημα είναι ο σαρωτής NIR (παθητικό σύστημα) στο δορυφόρο ASTER που επιτρέπει την σύνθεση ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων χρησιμοποιώντας την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία στο εγγύς υπέρυθρο (πέραν του ορατού φάσματος) για να ελαχιστοποιούνται τα φαινόμενα της διάχυσης της ηλιακής ακτινοβολίας (Μηλιαρέσης 003α). Επιπλέον ενεργητικά καταγραφικά συστήματα (που διαθέτουν την δική τους πηγή ενέργειας) έχουν χρησιμοποιηθεί για την πρόσληψη της υψομετρικής πληροφορίας. ύο τέτοια παραδείγματα είναι α) το σύστημα SRTM που συνέθεσε ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο όλης της γης με συμβολομετρία μικροκυματικών εικόνων (Miliaresis & Paraschou 005) που είναι διαθέσιμο δωρεάν από το διαδίκτυο 4 και β) το σύστημα ΜΟLA 5 που συνέθεσε ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο του πλανήτη Άρη (Miliaresis & Kokkas, 004) με την τεχνολογία των εκπομπών Laser (LASER altimeter). Σχήμα 1. Έγχρωμο σύνθετο (αριστερά) και παγχρωματική λήψη (δεξιά) αντίστοιχη της φασματικής ευαισθησίας των αεροφωτογραφιών της Γ.Υ.Σ. Στο στόχος αυτής της εργασίας είναι να καταδείξει τον τρόπο σύνθεσης της φασματικής πληροφορίας με την υψομετρική πληροφορία προκειμένου να αναδειχθεί το φυσικό περιβάλλον των ορεινών όγκων αλλά και να γίνει ερμηνεία των ιδιαίτερων 3 ASTER satellite series, US Geological Survey, http://edc.usgs.gov/products/satellite.html 4 SRTM, US Geological Survey, http://seamless.usgs.gov/ 5 Mars Orbiter Laser Altimeter, NASA, http://pds-geosciences.wustl.edu/missions/mgs/mola.html
3 φυσιογραφικών και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του οικοσυστήματος, επιτρέποντας τον καλύτερο προγραμματισμό λήψης μέτρων προστασίας αλλά και την ορθότερη διαχείριση περιβαλλοντικών κρίσεων και καταστάσεων εκτάκτου ανάγκης.. Μεθοδολογία Η διαθεσιμότητα δορυφορικών εικόνων και υψομετρικών δεδομένων αλλά και παράγωγων θεματικών επιπέδων πληροφορίας όπως κάλυψη γης, βιοφυσικοί δείκτες (θερμοκρασία), γεωμορφομετρικές παράμετροι (κλίση, καμπυλότητα, κ.α.) δημιουργεί την ανάγκη σύνθεσης ετερόκλητων θεματικών επιπέδων σε μια έγχρωμη απεικόνιση και την υπέρθεση της στο ανάγλυφο της περιοχής μελέτης προκειμένου να γίνει ερμηνεία και ανάδειξη του φυσικού περιβάλλοντος..1 Πρωτογενή δεδομένα Τα πρωτογενή δεδομένα είναι α) εικόνες και β) υψομετρική πληροφορία..1.1 ορυφορικές εικόνες Οι εικόνες καταγράφονται σε πολλά μήκη κύματος στο ορατό και στο υπέρυθρο (εγγύς, μέσο και θερμικό υπέρυθρο). Η αισθητοποίηση της καταγραφής σε ένα φασματικό κανάλι γίνεται με απεικόνιση της εικόνας με διαβαθμίσεις του γκρίζου που είναι ανάλογες της ανακλαστικότητας των καλύψεων γης στο συγκεκριμένο κανάλι. Η ανακλαστικότητα κάθε κάλυψης καθορίζεται από την φασματική της Σχήμα. Χρωματικός κύβος υπογραφή. Η αισθητοποίηση τριών καναλιών γίνεται με σύνθεση ενός έγχρωμου σύνθετου (Σχήμα 1). ηλαδή κάθε κανάλι προβάλλεται σε ένα από τα τρία βασικά χρώματα (μπλέ, πράσινο, κόκκινο) των «καθοδικών λυχνιών» της οθόνης. Η γραφική απεικόνιση γίνεται με ένα σύστημα τριών ορθογώνιων αξόνων (κόκκινο, πράσινο, μπλε) που συνθέτει τον χρωματικό κύβο (Σχήμα ). Η κύρια διχοτόμος της στερεάς γωνίας που σχηματίζεται από τους τρεις άξονες (μπλε, κόκκινο, πράσινο) αποτελεί τον γεωμετρικό τόπο των εικονοστοιχείων στα οποία η φασματική απόκριση είναι ίση και στα τρία βασικά χρώματα Η διχοτόμος της γωνίας που σχηματίζουν οι άξονες του κόκκινου και του πράσινου, αντιστοιχεί στα εικονοστοιχεία που θα εμφανίζονται με απόχρωση του κίτρινου στην εικόνα Επιπλέον καταγραφές στο παγχρωματικό χρησιμοποιούνται κατά αντιστοιχία με την παραδοσιακή ασπρόμαυρη αεροφωτογραφία. Να σημειωθεί ότι στο παγχρωματικό η ηλιακή ακτινοβολία αθροίζεται σε ορατό τμήμα του φάσματος αλλά και σε τμήμα του εγγύς υπέρυθρου και απεικονίζεται (Σχήμα 1) με μια διαβάθμιση του γκρίζου (φωτεινότερη όσο μεγαλύτερο είναι το ποσό της προσπίπτουσας στον σαρωτή ενέργειας)..1. Ανάγλυφο Το ανάγλυφο μπορεί να καταγραφεί με ψηφιοποίηση τοπογραφικών χαρτών. Βέβαια υπάρχουν διάφορα προβλήματα, πέραν ότι η μεθοδολογία είναι χρονοβόρος και τα αποτελέσματα της υψομετρικής ακρίβειας είναι αμφισβητήσιμα (Μηλιαρέσης 003α). Η πρόσληψη της υψομετρικής πληροφορίας από δορυφορικές εικόνες είναι ταχύτερη και
4 τυποποιημένη όμως η διακύμανση των σφαλμάτων μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη και είναι συνάρτηση της επιλογής των σημείων επίγειου ελέγχου και των συνθηκών λήψης του στερεοζεύγους (Miliaresis & Paraschou, 004). Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται υψομετρική πληροφορία με την μορφή ισοϋψών καμπυλών αλλά και ψηφιακού υψoμετρικού μοντέλου εδάφους (Ψ.Υ.Μ.Ε.) που προήλθε από αυτοματοποιημένη στερεοσυσχέτιση δορυφορικών εικόνων ASTER. Σχήμα 3. Ισοϋψείς καμπύλες και ΨΥΜΕ (όσο φωτεινότερο είναι ένα σημείο του τόσο μεγαλύτερο είναι το υψόμετρο).. Παράγωγα δεδομένα Μια σειρά παράγωγα δεδομένα μπορούν να προκύψουν από τα πρωτογενή δεδομένα. Σχήμα 4. Μέτρο της κλίσης (όσο φωτεινότερο είναι ένα σημείο του τόσο μεγαλύτερο είναι το υψόμετρο) και χάρτης σκιασμένου αναγλύφου (+υπέρθεση της ακτογραμμής).
5 Παράδειγμα αποτελούν ο χάρτης σκιασμένου αναγλύφου (Σχήμα 4), το μέτρο της κλίσης (Σχήμα 4) και το διάνυσμα της κλίσης, η καμπυλότητα κ.α. Τα παραπάνω προέρχονται από το ΨΥΜΕ και έχουν χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό και αξιολόγηση γεωμορφών, για την μορφοτεκτονική χαρτογράφηση, για υδρολογικές εφαρμογές στην γη αλλά και σε άλλους πλανήτες (Miliaresis & Kokkas 004, Miliaresis & Illiopoulou 004, Miliaresis & Argialas 00, Miliaresis 001a, Miliaresis 001b, Miliaresis & Argialas 000). Επιπλέον από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες μπορούν να προκύψουν παράγωγα δεδομένα όπως η θερμοκρασία 6, δείκτες βλάστησης κ.α..3 Συνθετικές Εικόνες Οι συνθετικές εικόνες προκύπτουν από μίξη ετερόκλητων θεματικών δεδομένων. Η σύνθεση τους μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, ο πιο συνηθισμένος είναι με μετασχηματισμό των χρωμάτων στο σύστημα ένταση (Ι- intensity), απόχρωση (H- hue) κορεσμός (S-saturation). Η ένταση αντιστοιχεί στην ολική φωτεινότητα του χρώματος που προσλαμβάνει ο άνθρωπος, η απόχρωση καθορίζει το μήκος κύματος στο ορατό φάσμα και ο κορεσμός καθορίζει την ποσότητα του λευκού φωτός που προστίθεται στην απόχρωση (Μηλιαρέσης 003α). Με το μετασχηματισμό H S I επιτυγχάνεται ο διαχωρισμός του χρώματος έτσι όπως τον προσλαμβάνουν οι άνθρωποι (απόχρωση, κορεσμός) από την φωτεινότητα (ένταση). Κατά αυτόν τον τρόπο μπορεί να ενισχυθεί η φωτεινότητα μίας εικόνας χωρίς να επηρεασθεί το χρώμα (απόχρωση μήκος κύματος). Ο μετασχηματισμός μια έγχρωμης εικόνας R,G,B στις συνιστώσες εικόνες H S I γίνεται ως εξής: I 1 3/ 3 = 0 / 6 3/ 3 1/ 1/ 6 3/ 3 R 1/ * G 1/ 6 B S = 1 + I = ( R + G + B) * H = tan 1 ( 1 ) 3 / 3 Σχήμα 5. συνθετικές εικόνες από συγχώνευση έγχρωμου συνθέτου με παγχρωματικό κανάλι (αριστερά), β) σκιασμένο ανάγλυφο (κέντρο) και γ) θερμοκρασία (δεξιά). Αφού το έγχρωμο σύνθετο μετασχηματισθεί στο σύστημα H,S,I γίνεται αντικατάσταση της συνιστώσας Ι με το θεματικό επίπεδο που θέλουμε να συγχωνευθεί με το έγχρωμο σύνθετο και οι συνιστώσες H,S,I μετασχηματίζονται ξανά στο σύστημα R,G,B. Να σημειωθεί ότι το κανάλι Ι αντιπροσωπεύει μαθηματικά την μέση τιμή φωτεινότητας ενός εικονοστοιχείου στα κανάλια R,G,Β. 6 Εργ. Ασκήσεις του μαθήματος Τηλεπισκόπηση στην Εφ. Γεωλογία (Γ. Μηλιαρέσης) Ασκηση 1, θερμική χαρτογράφηση http://hydrogis.geology.upatras.gr/res_net/_remote_sensing.htm
6.4 Προσομοίωση Ο στόχος της προσομοίωσης είναι να γίνει φωτοερμηνεία των συνθετικών εικόνων με σύνθεση τους με το ανάγλυφο στην μορφή υπέρπτησης. ηλαδή προϋποθέτει ολοκλήρωση της θεματικής πληροφορίας με το ανάγλυφο εφαρμογή διαφορετικών συνθηκών (φωτισμού, εποχής, κ.α.) από εκείνες στις οποίες έγινε λήψη των πρωτογενών δεδομένων ανάλογα με την εποχή επίσκεψης στην περιοχή μελέτης για επιτόπου μετρήσεις διαδοχική & επαναληπτική προσέγγιση μιας περιοχής από διαφορετικές οπτικές γωνίες Σχήμα 6. Προσομοίωση στο περιβάλλον λογισμικού Erdas-Imagine 7 Αφού προσδιορισθεί η συνθετική εικόνα και ατό ΨΥΜΕ, καθορίζεται το ίχνος πτήσης στην συνθετική εικόνα (Σχήμα 6). Επιπλέον προσδιορίζεται το ύψος πτήσης, οι γωνίες στροφής (φ,ω,κ), η διεύθυνση παρατήρησης (κατακόρυφα, οριζόντια), η ταχύτητα κ.α. για κάθε κορυφή του ίχνους πτήσης. Καθορίζεται η θέση του ήλιου (Σχήμα 6) ενώ σε άλλα μενού επιλογών καθορίζεται η οπτική πυκνότητα της ατμόσφαιρας, το χρώμα του ορίζοντα, και προσομοιώνονται εξειδικευμένες συνθήκες (όπως ύπαρξη νεφών, κ.α.). Είναι δυνατή η ολοκλήρωση τρισδιάστατων διανυσμάτων (πχ οδικό δίκτυο, ρήγματα) ή πολυγώνων (κτίρια, κ.α.) στην υπέρπτηση. Στο τέλος υλοποιείται η προσομοίωση και μπορούν να δημιουργηθούν αρχεία τύπου mpeg ή avi που να είναι εκτελέσιμα εκτός του λογισμικού περιβάλλοντος υλοποίησης της προσομοίωσης. 7 ERDAS IMAGINE, http://gis.leica-geosystems.com/
7 εν μπορούν να καταδειχθούν προσομοιώσεις-υπερπτήσεις σε ένα κείμενο. Για αυτό τον λόγο έχω συνθέσει 30 προσομοιώσεις σε τυποποίηση mpeg και avi που είναι διαθέσιμες από την ιστοσελίδα http://hydrogis.geology.upatras.gr/res_net/_remote_sensing.htm του εργαστηρίου του μαθήματος της Τηλεπισκόπησης που διδάσκω στο Τμήμα Γεωλογίας (Παν/μιο Πατρών). Σχήμα 7. Υπερπτήσεις Οι υπερπτήσεις καλύπτουν μια σειρά εφαρμογών στις οποίες περιλαμβάνεται υπέρπτηση σε ανάγλυφο που έχει διαβρωθεί, θεματικό χάρτη καλύψεων γης που έχει γενικευθεί και άνοδο της στάθμης της θάλασσας έτσι ώστε να προσομοιώνεται η επίδραση της επερχόμενης κλιματικής αλλαγής στην Πελοπόννησο. Υπάρχει προσομοίωση υπέρπτησης στον Άρη με τα δεδομένα MOLA, ενώ σε άλλες προσομοιώσεις έχει γίνει ολοκλήρωση τρισδιάστατων διανυσμάτων (ρήγματα, οδικό δίκτυο) στην υπέρπτηση της Μήλου και της Αρκαδίας. Οι συνθετικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στις υπερπτήσεις καλύπτουν ένα ευρύτατο φάσμα συνδυασμών ετερόκλητων θεματικών δεδομένων. Πιο πολλά στην αντίστοιχη ιστοσελίδα (Σχήμα 7) στο διαδίκτυο. 3. Συμπέρασμα Οι προσομοιώσεις υπερπτήσεις επιτρέπουν την ανάδειξη του φυσικού περιβάλλοντος των ορεινών όγκων, την ερμηνεία των ιδιαίτερων φυσιογραφικών και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του οικοσυστήματος, επιτρέποντας τον καλύτερο προγραμματισμό λήψης μέτρων προστασίας αλλά και την ορθότερη διαχείριση περιβαλλοντικών κρίσεων και καταστάσεων εκτάκτου ανάγκης. Επιπλέον δίνουν νέες δυνατότητες στην φωτοερμηνεία συνθετικών εικόνων διαμέσου της ολοκλήρωσης τους με την υψομετρική πληροφορία (ανάγλυφο) της περιοχής μελέτης.
8 4. Βιβλιογραφία 1. Μηλιαρέσης Γ., 004. Τεχνική Υδρολογία (Σημειώσεις & Εργαστηριακές Ασκήσεις). Τομέας Εφαρμοσμένης Γεωλογίας & Γεωφυσικής, Παν/μιο Πατρών, (είναι διαθέσιμες στο διαδίκτυο στην διεύθυνση http://hydrogis.geology.upatras.gr/hydrology.htm) 0 σελ.. Μηλιαρέσης Γ., 003α. Φωτοερμηνεία-Τηλεπισκόπηση. Εκδόσεις ΙΩΝ, Περιστέρι, 43 σελ. 3. Μηλιαρέσης Γ., 003β. Φωτοερμηνεία-Τηλεπισκόπηση. Εργαστηριακές Ασκήσεις. Εκδόσεις ΙΩΝ, Περιστέρι, 115 σελ. 4. Miliaresis, G., 001a. Extraction of Bajadas from Digital Elevation Models & Satellite Imagery. Computers & Geosciences, 7, 1157-1167. 5. Miliaresis, G., 001b. Geomorphometric Mapping of Zagros Ranges at Regional Scale. Computers & Geosciences, 7, 775-786. 6. Miliaresis, G., and Argialas,D. 000. Extraction & Delineation of Alluvial Fans from DΕΜs & Landsat TM Images. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 66, 1093-1101. 7. Miliaresis, G., Argialas, D. 00. Quantitative Representation of Mountain Objects Extracted from the GTOPO30 DEM. Int. Journal of Remote Sensing, 3, 949-964. 8. Miliaresis G., Illiopoulou P. 004. Clustering of Zagros Ranges from the Globe DEM representation. Int. Journal of Applied Earth Observation & GeoInformation, 5(1), 17-8. 9. Miliaresis G., Kokkas N. 004. Segmentation and terrain modeling of extraterrestrial chasmata. Journal of Spatial Sciences, 49(), 89-99. 10. Miliaresis G., Paraschou Ch., 005. ertical Accuracy of the SRTM DTED Level 1 of Crete. Int. Journal of Applied Earth Observation & GeoInformation, vol. 7, no. 1, pp. 49-59.