ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟ ΟΚΡΑΤΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟ ΟΓΙΚΟ ΕΚ ΚΠΑΙΔΕΥΤ ΤΙΚΟ ΙΔΡΥ ΥΜΑ (Τ.Ε.Ι.) ΙΟΝΙΩ ΩΝ ΝΗΣΩΝ Ν Ανάδειξη του Τεχνολλογικού Ιδρ ρύματος Ιο ονίων Νήσω ων ως Διεθννούς πόλου υ Εκπαίδευσης και Κα αινοτομίας Επίίδραση των Διαχρονικώ ών αλλαγών χρήσεων χ γη ης στο τοπίο και στη βιώ ώσιμη ανάπττυξη των Νησ σιών Ζακύννθου, Κεφαλλονιάς και Λευκάδας Λ Παραδ δοτέο Π9: Εντοπ πισμός και κ χαρτοογράφησ ση των διαχρ ρονικώνν αλλαγώ ών των χρ ρήσεων//κάλυψη ης γης
Βιβλιογραφική αναφορά: Χάρου Ε., Ποϊραζίδης Κ., Πετρίδης Σ., Μαρτίνης Α., Καλύβας Δ.,Καρρής Γ., Μήτσαινας Γ,, Οκτώβριος 2012. Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών (1984-2011) των χρήσεων/κάλυψης γης των νησιών Ζακύνθου, Κεφαλονιάς και Λευκάδας. Τεχνική αναφορά, ΤΕΙ Ιονίων Νήσων, Ζάκυνθος, 145 σελ. Ευχαριστίες: Ευχαριστούμε την Δρ. Στεφούλη Μ., ερευνήτρια του ΕΚΒΑΑ, για την πολύτιμη συνεισφορά της και τις παρατηρήσεις της στην επεξεργασία και ανάλυση δορυφορικών δεδομένων. Επίσης, ευχαριστούμε τους φοιτητές του ΤΕΙ Ιονίων Νήσων, Τμήματος Τεχνολογίας Περιβάλλοντος και Οικολογίας, κα Αλεξανδρίδη Φ.-Γ. και Βούτο Γ. για την βοήθειά τους στη συλλογή και ανάλυση δεδομένων. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 2
Περίληψη Στο πλαίσιο του έργου «Επίδραση των Διαχρονικών Αλλαγών Χρήσεων Γης στο Τοπίο και στη Βιώσιμη Ανάπτυξη των Νησιών Ζακύνθου, Κεφαλονιάς και Λευκάδας» απαιτείται ο εντοπισμός, η αναλυτική ποσοτικοποιημένη περιγραφή των χρήσεων γης σε διάφορες χρονικές στιγμές των τελευταίων δεκαετιών και των παρατηρούμενων αλλαγών καθώς και η παραγωγή θεματικών (αναλογικών και ψηφιακών) χαρτών τόσο για κάθε χρονική περίοδο όσο και με βάση τις αλλαγές στις χρήσεις γης. Στην παρούσα αναφορά παρουσιάζεται η μεθοδολογία και τα αποτελέσματα από την καταγραφή και την ανίχνευση αλλαγών των βασικών τύπων κάλυψης Γης με την βοήθεια της Τηλεπισκόπησης και Προηγμένων Μεθόδων Πληροφορικής. Η ανάλυση έγινε σε δύο παράλληλες δράσεις. Σύμφωνα με την πρώτη δράση, αρχικά έγινε συλλογή και προετοιμασία των δορυφορικών εικόνων και βοηθητικών στοιχείων που αφορούν την περιοχή μελέτης. Ο εντοπισμός των τύπων κάλυψης γης αντιμετωπίσθηκε με δύο βασικά μεθοδολογίες: Φωτοερμηνευτικά και με αυτόματους μεθόδους μη επιβλεπόμενες και επιβλεπόμενες. Για την υποβοήθηση της Φωτοερμηνείας δημιουργήθηκαν μια σειρά φίλτρα, χρωματικές συνθέσεις και προϊόντα παράγωγα των αρχικών δεδομένων. Για τις αυτόματες μεθόδους (επιβλεπόμενες και μη) παραμετροποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν αλγόριθμοι από διάφορα επιστημονικά πεδία. Ειδικά για τις επιβλεπόμενες αυτόματες μεθόδους δημιουργήθηκαν εκπαιδευτικά πεδία (training sets) με εργασία συλλογής δειγμάτων υπαίθρου. Η ανίχνευση των διαχρονικών αλλαγών αντιμετωπίστηκε με συνδυασμό προ-ταξινομικών και μετα-ταξινομικών μεθόδων. Τέλος, δημιουργήθηκε πλήθος ψηφιακών χαρτών που αφορούν την καταγραφή και τις αλλαγές δεικτών, την καταγραφή και τις αλλαγές της κάλυψης γης καθώς και στατιστικά στοιχεία των αλλαγών. Σύμφωνα με τη δεύτερη δράση αναγνωρίστηκαν και ψηφιοποιήθηκαν το οδικό δίκτυο καθώς και των οικισμών / μεμονωμένων κτισμάτων στα τρία νησιά, τόσο με βάση εικόνες του Κτηματολογίου λήψης 2008-2009 όσο σε παλαιότερες αεροφωτογραφίες λήψης 1995-1996, με στόχο την αναγνώριση των μεταβολών αυτών των γραμμικών στοιχείων που δεν αναγνωρίζονται με λεπτομέρεια στις δορυφορικές εικόνες. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 3
Σχήμα 1: Αναρτημένη ανακοίνωση στο «1 st Workshop on Temporal Analysis of Satellite Image Data, 23-25 Μαΐου 2012, Μύκονος που οργανώθηκε από την European Association of Remote Sensing Laboratories. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 4
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΧΗΜΑΤΑ ΧΑΡΤΕΣ... 6 1. Εισαγωγή... 11 1.1 Χρήσεις γης / Κάλυψη γης και οι αλλαγές τους στο χρόνο... 11 1.2 Χρήσεις γης στον νησιωτικό χώρο και στα Ιόνια νησιά... 11 1.3 Σκοπός του παραδοτέου... 11 2. Εργαλεία Ανάλυσης... 12 2.1 Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS)... 12 2.2 Τηλεπισκόπηση... 13 2.3 Ανίχνευση Διαχρονικών αλλαγών... 15 2.4 Ανάλυση δορυφορικών εικόνων... 17 2.5 Προ Ταξινομική Ανίχνευση αλλαγών... 20 2.5.1 Ανάλυση με βάση τον δείκτη NDVI... 20 2.5.2 Ανάλυση με βάση τον μετασχηματισμό Tasseled Cap (TCT)... 22 2.6 Μετα ταξινομική ανίχνευση αλλαγών... 23 2.6.1 Τα δίκτυα αυτο οργανούμενων χαρτών (SOM)... 24 2.6.2 Τα δίκτυα οπισθόδρομης διάδοσης του σφάλματος... 26 2.7 Λογισμικά Εργαλεία... 29 3. ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΘΗΚΑΝ... 30 3.1 Δορυφορικές εικόνες Landsat... 30 3.2 Ορθοφωτογραφίες από το Κτηματολόγιο... 31 3.3 CORINE... 32 3.4 Ψηφιακό μοντέλο εδάφους... 34 3.5 Στοιχεία υπαίθρου... 34 4. Αποτελέσματα... 38 4.1 Προεπισκόπιση γεωμορφολογίας και χρήσεων γής... 38 4.1.1 Γεωμορφολογία... 38 4.1.2 Κάλυψη/Χρήσεις γης με βάση το CORINE... 41 4.2 Προ Ταξινομική Ανίχνευση αλλαγών... 44 4.2.1 Αποτελέσματα με βάση τον δείκτη βλάστησης NDVI... 44 4.2.2 Αποτελέσματα με βάση τον μετασχηματισμό Tasseled Cap (TCT)... 44 4.3 Μετά Ταξινομική Ανίχνευση Αλλαγών... 90 4.3.1 Επιβλεπόμενη Ταξινόμηση Landsat... 90 4.3.2 Ανίχνευση αλλαγών βλάστησης... 115 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 5
4.3.3. Μεταβολή κάλυψης / χρήσης γης... 130 4.4 Ανάλυση γραμμικών στοιχείων... 135 4.4.1 Καταγραφή και αναγνώριση... 135 4.4.2. Οδικό δίκτυο και Δόμηση... 135 Βιβλιογραφία... 145 ΣΧΗΜΑΤΑ - ΧΑΡΤΕΣ Σχήμα 1: Απεικόνιση των συνδυαστικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία των χαρτών.... 17 Σχήμα 2: Λευκάδα 1984 Συνδυασμός διαύλων 1, 2 και 3 μετά από αποσυσχέτιση (decorrelation stretch). Η ενίσχυση κορεσμού (saturation) βοηθά στον διαχωρισμό τύπων βλάστησης.... 18 Σχήμα 3: Παράδειγμα εφαρμογής δείκτη NDVI στη Ζάκυνθο τον Σεπτέμβριο του 2011... 18 Σχήμα 4: Έγχρωμη σύνθεση των 3 πρώτων Κυρίων Συνιστωσών της δορυφορικής εικόνας Ζακύνθου (λήψη Σεπτεμβρίου 2011) (σε μεγέθυνση με κόκκινα χρώματα η αγροτική περιοχή στις Βολίμες).... 19 Σχήμα 5. Απεικόνιση της Λευκάδας το 1984 και 2011 με βάση το δείκτη NDVI... 20 Σχήμα 6. Διαχρονική χωρική μεταβολή των κατηγοριών του δείκτη βλάστησης SVI την περίοδο 1984 2011... 21 Σχήμα 7. Απεικόνιση της Κεφαλονιάς το 2011 με βάση το δείκτη Tasseled Cap (οι τρεις πρώτοι άξονες σε RGB)... 22 Σχήμα 8: Οι ταξινομητές που εξετάστηκαν στο παρόν πρόγραμμα... 24 Σχήμα 9. Παραδείγματα αυτο οργανούμενων χαρτών... 24 Σχήμα 10. Πολυστρωματικό νευρωνικό δίκτυο πρόσω διάδοσης... 26 Σχήμα 11. Η βασική δομή του νευρωνίου... 28 Σχήμα 12. Χάρτης Ταξινόμηση της κάλυψης γης στη Ζάκυνθο με βάση το CORINE... 35 Σχήμα 13. Ψηφιακό μοντέλο εδάφους των Ιονίων Νήσων από τον δορυφόρο ASTER με αντιστοιχία υψών χρωμάτων (α) και το αντίστοιχο της Ζακύνθου από το Κτηματολόγιο (β)... 36 Σχήμα 14. Οπτική αναπαράσταση της διανυσματικής πληροφορίας των εκπαιδευτικών συνόλων Ζακύνθου 2011 και Λευκάδας 2011... 37 Σχήμα 15. Χάρτης Γεωμορφολογίας της Ν. Ζακύνθου... 38 Σχήμα 16. Χάρτης Γεωμορφολογία της Ν. Κεφαλονιάς... 39 Σχήμα 17. Χάρτης Γεωμορφολογία της Ν. Λευκάδας... 40 Σχήμα 18. Χάρτης CORINE Ν. Ζακύνθου... 41 Σχήμα 19. Χάρτης CORINE Ν. Κεφαλονιάς... 42 Σχήμα 20. Χάρτης CORINE Ν. Λευκάδας... 43 Σχήμα 21. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου... 45 Σχήμα 22. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1984... 46 Σχήμα 23. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1990... 47 Σχήμα 24. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 2000... 48 Σχήμα 25. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 2011... 49 Σχήμα 26. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς... 50 Σχήμα 27. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν.Κεφαλονιάς 1984... 51 Σχήμα 28. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 1990... 52 Σχήμα 29. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 2000... 53 Σχήμα 30. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 2011... 54 Σχήμα 31. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Λευκάδας... 55 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 6
Σχήμα 32. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν.Λευκάδας 1984... 56 Σχήμα 33. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν.Λευκάδας 1990... 57 Σχήμα 34. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν.Λευκάδας 2001... 58 Σχήμα 35. Δείκτης Tasseled CAP με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν.Λευκάδας 2011... 59 Σχήμα 36. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου... 60 Σχήμα 37. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Ζακύνθου 1984 1990... 61 Σχήμα 38. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Ζακύνθου 1990 2001... 62 Σχήμα 39. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Ζακύνθου 2001 2011... 63 Σχήμα 40. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Ζακύνθου 1984 2011... 64 Σχήμα 41. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Κεφαλονιάς... 65 Σχήμα 42. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Κεφαλονιάς 1984 1990... 66 Σχήμα 43. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Κεφαλονιάς 1990 2001... 67 Σχήμα 44. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Κεφαλονιάς 2001 2011... 68 Σχήμα 45. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Κεφαλονιάς 1984 2011... 69 Σχήμα 46. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας... 70 Σχήμα 47. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1984 1990... 71 Σχήμα 48. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1990 2001... 72 Σχήμα 49. Διαφορές Δείκτη brigthness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 2001 2011... 73 Σχήμα 50. Διαφορές Δείκτη brigthnessμε βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1984 2011... 74 Σχήμα 51. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου... 75 Σχήμα 52. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1984 1990... 76 Σχήμα 53. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1990 2001... 77 Σχήμα 54. Διαφορές Δείκτη greenessμε βάσητις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 2001 2011... 78 Σχήμα 55. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1984 2011... 79 Σχήμα 56. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Κεφαλονιάς... 80 Σχήμα 57. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Κεφαλονιάς 1984 1990... 81 Σχήμα 58. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Κεφαλονιάς 1990 2001... 82 Σχήμα 59. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνεςlandsat. N. Κεφαλονιάς 2001 2011... 83 Σχήμα 60. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Κεφαλονιάς 1984 2011... 84 Σχήμα 61. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας... 85 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 7
Σχήμα 62. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1984 1990... 86 Σχήμα 63. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1990 2001... 87 Σχήμα 64. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N.Λευκάδας 2001 2011... 88 Σχήμα 65. Διαφορές Δείκτη greeness με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Λευκάδας 1984 2011... 89 Σχήμα 66. Αποτελέσματα κατηγοριποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Ζακύνθου... 90 Σχήμα 67. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γής με βάση τις εικόνες LANDSAT N. Ζακύνθου 1984... 91 Σχήμα 68. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT N. Ζακύνθου 1990... 92 Σχήμα 69. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γής με βάση τις εικόνες LANDSAT N. Ζακύνθου 2000... 93 Σχήμα 70. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γής με βάση τις εικόνες LANDSAT N. Ζακύνθου 2011... 94 Σχήμα 71. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν.Κεφαλονιάς... 95 Σχήμα 72. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν.Κεφαλονιάς 1984... 96 Σχήμα 73. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν.Κεφαλονιάς 1990... 97 Σχήμα 74. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν.Κεφαλονιάς 2000... 98 Σχήμα 75. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν.Κεφαλονιάς 2011... 99 Σχήμα 76. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας... 100 Σχήμα 77. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας 1984... 101 Σχήμα 78. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γης με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας 1990... 102 Σχήμα 79. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γής με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας 2000... 103 Σχήμα 80. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης κάλυψης γής με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας 2011... 104 Σχήμα 81. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης N. Ζακύνθου... 106 Σχήμα 82. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης N. Ζακύνθου 1984 &1990... 107 Σχήμα 83. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης N. Ζακύνθου 2000 & 2011... 108 Σχήμα 84. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Κεφαλονιάς... 109 Σχήμα 85. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν.Κεφαλονιάς 1984... 110 Σχήμα 86. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν.Κεφαλονιάς 1990... 110 Σχήμα 87. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν.Κεφαλονιάς 2000... 111 Σχήμα 88. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Κεφαλονιάς 2011... 111 Σχήμα 89. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Λευκάδας... 112 Σχήμα 90. Δενδρόγραμμακατηγοριώνταξινόμησης Ν. Λευκάδας 1984... 113 Σχήμα 91. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Λευκάδας 1990... 113 Σχήμα 92. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Λευκάδας 2000... 114 Σχήμα 93. Δενδρόγραμμα κατηγοριών ταξινόμησης Ν. Λευκάδας 2011... 114 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 8
Σχήμα 94. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Ζακύνθου... 115 Σχήμα 95. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1984... 116 Σχήμα 96. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 1990... 117 Σχήμα 97. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 2000... 118 Σχήμα 98. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γής ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. N. Ζακύνθου 2011... 119 Σχήμα 99. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Κεφαλονιάς... 120 Σχήμα 100. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 1984... 121 Σχήμα 101. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 1990... 122 Σχήμα 102. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 2011... 123 Σχήμα 103. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Κεφαλονιάς 2000... 124 Σχήμα 104. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT Ν. Λευκάδας... 125 Σχήμα 105. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Λευκάδας 1984... 126 Σχήμα 106. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Λευκάδας 1990... 127 Σχήμα 107. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Λευκάδας 2000... 128 Σχήμα 108. Αποτελέσματα κατηγοριοποίησης γης ως προς την βλάστηση με βάση τις εικόνες LANDSAT. Ν. Λευκάδας 2011... 129 Σχήμα 109. Χάρτης Οδικό δίκτυο Ζακύνθου σε πέντε κατηγορίες το 2008... 136 Σχήμα 110. Χάρτης Πυκνότητα οδικού δικτύου (Κm/ ha) στη Ζάκυνθο το 2008... 137 Σχήμα 111. Δομημένη περιοχή στην Ζάκυνθο για το 2008 (σε μεγέθυνση περιοχή γύρω από την πόλη της Ζακύνθου).... 138 Σχήμα 112. Χάρτης Οδικό δίκτυο Κεφαλονιάς σε πέντε κατηγορίες το 2008... 139 Σχήμα 113. Χάρτης Πυκνότητα οδικού δικτύου (Κm/ ha) στην Κεφαλονιά το 2008... 140 Σχήμα 114. Δομημένη περιοχή στην Κεφαλονιά για το 2008 (σε μεγέθυνση περιοχές γύρω από Αργοστόλι και Ληξούρι).... 141 Σχήμα 115. Χάρτης Οδικό δίκτυο Λευκάδας σε πέντε κατηγορίες για το 2008... 142 Σχήμα 116. Χάρτης Πυκνότητα οδικού δικτύου (Κm/ ha) στην Λευκάδα το 2008... 143 Σχήμα 117. Δομημένη περιοχή στην Λευκάδα για το 2008 (σε μεγέθυνση περιοχές της ανατολικής ακτής).... 144 ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1: Περιοχές κάλυψης εικόνων Landsat... 30 Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά Δορυφορικών Εικόνων Landsat... 30 Πίνακας 3. Επιλεγμένες ημερομηνίες ανά νησί... 31 Πίνακας 4. Κατηγοριοποίηση των χρήσεων/ κάλυψης γης σε τρέι επίπεδα σύμφωνα με το CORINE... 33 Πίνακας 5. Κατηγορίες CORINE στην περιοχή μελέτης. Με Ζ, Κ, Λ συμβολίζονται η Ζάκυνθος, η Κεφαλονιά και η Λευκάδα αντίστοιχα... 33 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 9
Πίνακας 6. Παράδειγμα καταγραφής επίγειων σημείων ελέγχου από την Κεφαλονιά... 36 Πίνακας 7. Μεταβολή των καλύψεων / χρήσης γης στο νησί της Ζακύνθου την περίοδο 1984 2011... 130 Πίνακας 8. Μεταβολή των καλύψεων / χρήσης γης στο νησί της Κεφαλονιάς την περίοδο 1984 2011... 133 Πίνακας 9. Μεταβολή των καλύψεων / χρήσης γης στο νησί της Λευκάδας την περίοδο 1984 2011... 134 Πίνακας 10. Κωδικοί ταξινόμησης γραμμικών στοιχείων... 135 Πίνακας 11. Μήκος δρόμων στο νησί της Ζακύνθου, με βάση την κατηγορία ταξινόμησης τους... 136 Πίνακας 12. Μήκος δρόμων το 2008 στο νησί της Κεφαλονιάς, με βάση την κατηγορία ταξινόμησης τους... 139 Πίνακας 13. Μήκος δρόμων στο νησί της Λευκάδας, με βάση την κατηγορία ταξινόμησης τους... 142 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Διάγραμμα 1. Μεταβολή βασικών καλύψεων / χρήσης γης στη Ζάκυνθο την περίοδο 1984 2011... 130 Διάγραμμα 2. Μεταβολή των δασικών καλύψεων στη Ζάκυνθο την περίοδο 1984 2011 131 Διάγραμμα 3. Μεταβολή των αγροτικών καλύψεων / χρήσεων γης στη Ζάκυνθο την περίοδο 1984 2011... 131 Διάγραμμα 4. Μεταβολή των ανοικτών εκτάσεων στη Ζάκυνθο την περίοδο 1984 2011..... 132 Διάγραμμα 5. Διαχρονική μεταβολή του δείκτη βλάστησης NDVI στο νησί της Ζακύνθου 132 Διάγραμμα 6. Διαχρονική μεταβολή του δείκτη βλάστησης NDVI στο νησί της Κεφαλονιάς... 133 Διάγραμμα 7. Μεταβολή της μέσης τιμής NDVI στο νησί της Λευκάδας την περίοδο 2984 2011... 134 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 10
1. Εισαγωγή 1.1 Χρήσεις γης / Κάλυψη γης και οι αλλαγές τους στο χρόνο Ο όρος χρήσεις γης σχετίζεται με την ανθρώπινη δραστηριότητα ή την οικονομική λειτουργία (function) που συνδέεται με ένα ειδικό κομμάτι γης και ο όρος κάλυψη γης σχετίζεται με τον τύπο των χαρακτηριστικών που εμφανίζονται πάνω στην επιφάνεια της γης. Η πίεση που ασκείται στους φυσικούς πόρους από τον άνθρωπο τις τελευταίες δεκαετίες, οδηγεί τα φυσικά οικοσυστήματα σε έντονη υποβάθμιση με επακόλουθες επιπτώσεις και στην ποιότητα ζωής των ανθρώπινων κοινωνιών και στην κοινωνική συνοχή. Οι παρατηρούμενες αλλαγές, δημιουργούν την επείγουσα ανάγκη για συγκέντρωση και ανάλυση κατάλληλων πληροφοριών για την ικανότητα των φυσικών πόρων να αντεπεξέλθουν στις ανάγκες και απαιτήσεις του ανθρώπου. 1.2 Χρήσεις γης στον νησιωτικό χώρο και στα Ιόνια νησιά Το περιβάλλον της παράκτιας περιοχής της Ελλάδος δέχεται έντονες πιέσεις από την ανάπτυξη της δόμησης και κυρίως της κατοικίας, του παραθερισμού και του τουρισμού, αλλά και άλλων δραστηριοτήτων. Σε πολλές περιοχές εμφανίζονται φαινόμενα υποβάθμισης των φυσικών πόρων λόγω της ρύπανσης από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, καθώς και εξάντληση των φυσικών πόρων (υδροφόρος ορίζοντας, δάση, ορυκτός πλούτος, γεωργική γη υψηλής παραγωγικότητας κ.α.). Τα Ιόνια νησιά χαρακτηρίζονται από πλούσια βλάστηση και σημαντικούς προστατευόμενους οικότοπους. Όμως, με την πάροδο των χρόνων, εμφανίστηκαν έντονες αλλαγές στις χρήσεις/κάλυψη γης, υποβαθμίζοντας έντονα και απειλώντας την ακεραιότητα του φυσικού περιβάλλοντος τους. Οι αλλαγές αυτές οφείλονται κυρίως σε δύο κύριους παράγοντες α) σε ανθρωπογενείς παράγοντες και επεμβάσεις, π.χ. η ανάπτυξη του τουρισμού και των τουριστικών εγκαταστάσεων και β) σε φυσικές καταστροφές που πολλές φορές σχετίζονται με τον πρώτο παράγοντα (π.χ. επαναλαμβανόμενες δασικές πυρκαγιές). Ιδιαίτερα σχετικά με το τελευταίο, τα τελευταία χρόνια, οι συχνές και μεγάλες πυρκαγιές που πλήττουν τα νησιά -κυρίως τη Ζάκυνθο και Κεφαλονιά- έχουν ως αποτέλεσμα την καταστροφή ενός μεγάλου μέρους του φυσικού του τοπίου τους, με έντονες επιπτώσεις στον κοινωνικό-οικονομικό ιστό των νησιών (π.χ. πλημμυρικά φαινόμενα και διάβρωση εδαφών). 1.3 Σκοπός του παραδοτέου Ο σκοπός αυτής της δράσης είναι ο εντοπισμός, η αναλυτική ποσοτικοποιημένη περιγραφή των χρήσεων γης και των παρατηρούμενων αλλαγών των τελευταίων 30 χρόνων (περίοδος1984-2011),καθώς και η παραγωγή θεματικών (αναλογικών και ψηφιακών) χαρτών τόσο για κάθε χρονική περίοδο όσο και με βάση τις αλλαγές στις χρήσεις γης. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε στο περιβάλλον των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ GIS) και της Τηλεπισκόπησης (Remote Sensing), τα οποία είναι τα δύο βασικά εργαλεία επεξεργασίας και ανάλυσης των δεδομένων που αφορούν τις χρήσεις και την κάλυψη γης. Εκτός των κατηγοριών κάλυψης μελετήθηκαν στις δορυφορικές εικόνες και αναφέρονται στο παραδοτέο γραμμικά στοιχεία όπως οι δρόμοι και οι οικισμοί/ μεμονωμένα κτίσματα. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 11
2. Εργαλεία Ανάλυσης 2.1 Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS) Τα GIS είναι συστήματα για την κατανόηση πολύπλοκων προβλημάτων που σχετίζονται με την έννοια του χώρου. Η βασική δομή τους εμφανίζει σε διαφορετικά αλληλεπικαλυπτόμενα επίπεδα θεματικούς χάρτες (π.χ. τοπογραφία, υδρολογία, γεωφυσικά χαρακτηριστικά, οδικό δίκτυο, ηλεκτρικό δίκτυο, δίκτυο ύδρευσης, χρήσης γης, δημογραφικά στοιχεία, κλπ) που παρέχουν πληροφορίες από τον πραγματικό κόσμο. Το βασικότερο συστατικό ενός GIS είναι η ικανότητα ανάλυσης δεδομένων σε σχέση με τη γεωγραφική τους θέση, ανάλυση δηλαδή που βασίζεται στη θέση των στοιχείων πάνω στην επιφάνεια της γης, κάτι το οποίο πραγματοποιείται με τη σύγκριση διαφορετικών θεματικών χαρτών μιας συγκεκριμένης περιοχής. Τούτο επιτυγχάνεται με τη μέθοδο των αλληλεπικαλυπτόμενων επιπέδων (overlay layers), δηλαδή με χάρτες σε ψηφιακή μορφή μιας περιοχής της ίδιας κλίμακας και με διαφορετική θεματική αναφορά (τοπογραφικός, γεωφυσικός, υδρολογικός, οδικός, κλιματολογικός, οικονομικός, δημογραφικός κτλ) σε κοινό υπόβαθρο (ground unit). Ακριβώς αυτή η δυνατότητα επεξεργασίας χωρικών δεδομένων, είναι που χαρακτηρίζει τα Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα και τα κάνει να ξεχωρίζουν από κάθε άλλο είδος λογισμικού που διαχειρίζεται δεδομένα μέσα από διάφορες μορφές βάσεων δεδομένων. Τα GIS, σε συνδυασμό με τη τεχνολογία συλλογής τηλεπισκοπικών δεδομένων (remote sensing data), είναι ιδανικά για μελέτη και εκτίμηση συνθηκών και καταστάσεων που σχετίζονται με το περιβάλλον αλλά και των επιπτώσεων των διαφόρων παραγόντων σε αυτό (Environmental Impact Assessment) και τις διαχρονικές αλλαγές του περιβάλλοντος. Ήδη γίνεται ευρεία χρήση σε αυτόν το τομέα σε τοπικό, περιφερειακό και παγκόσμιο επίπεδο. Με τη συλλογή και επεξεργασία τηλεπισκοπικών δεδομένων, που καθημερινά μεταδίδονται από τους δορυφόρους, δημιουργούνται συστήματα διαχρονικής παρακολούθησης της γης, για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης των γήινων συστημάτων με τη γαιόσφαιρα / βιόσφαιρα και την καταγραφή των μεταβολών που συντελούνται στο πέρασμα του χρόνου. Τα δεδομένα των δορυφόρων μέσω των GIS μπορούν να συνδυαστούν με βάσεις δεδομένων γεωλογικών, εδαφολογικών στοιχείων, χλωρίδας, πανίδας, οδικών δικτύων, πληθυσμιακών και οικιστικών στοιχείων. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 12
2.2 Τηλεπισκόπηση Η Τηλεπισκόπηση ορίζεται ως η διαδικασία καταγραφής της ενέργειας, η οποία ανακλάται ή εκπέμπεται από ένα αντικείμενο. Δίνει τη δυνατότητα για καταγραφή, μέτρηση και ερμηνεία εικόνων και ψηφιακών αναπαραστάσεων της ενέργειας, η οποία καταγράφεται από συστήματα ανιχνευτών που δεν βρίσκονται σε επαφή με τα αντικείμενα αυτά. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα της τηλεπισκόπησης σε σχέση με άλλες μεθόδου συλλογής δεδομένων (π.χ. εργασίες υπαίθρου) σύμφωνα με τους Συλλαίος, Γήτας και Συλλαίος (2007) είναι : 1) η ικανότητα χωρικής αντίληψης και προσέγγισης, ιδιαίτερα χρήσιμο σε εκτεταμένες περιοχές καθώς και δύσκολες στην προσέγγιση τους, 2) η κάλυψη μεγάλων περιοχών σε σύντομο διάστημα, που επιτρέπει τη σύγκριση ίδιων δεδομένων σε διάφορες περιοχές, 3) η συνοπτική απεικόνιση μεγάλων περιοχών, που καθιστά εφικτή την ταυτοποίηση βιοφυσικών στοιχείων, 4) η δυνατότητα διαχρονικών λήψεων από τους δορυφόρους, που δίνει τη δυνατότητα να μελετηθούν δυναμικά φαινόμενα και διαχρονικές συγκρίσεις και τέλος, 5) η λήψη εικόνων σε πολλές ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος δίνει τη δυνατότητα να αναγνωριστούν διαφορές μεταξύ των βιοφυσικών στοιχείων της επιφάνειας, που είναι αδύνατο με την ανάλυση μιας μόνο φασματικής ζώνης. Η Τηλεπισκόπηση δίνει τη δυνατότητα απόκτησης εξειδικευμένων πληροφοριών (ποιοτικών και ποσοτικών) που είναι απαραίτητες για τον διαχρονικό έλεγχο και την παρακολούθηση του περιβάλλοντος Υπάρχει ένα τεράστιο εύρος εφαρμογών της τηλεπισκόπησης, ανάμεσα στα οποία: α) χαρτογράφηση χερσαίων περιοχών που πλήττονται από σταδιακή υποβάθμιση και ερημοποίηση εδαφών, β) ανίχνευση του δυναμικού των υδάτινων συστημάτων (π.χ. σταδιακή αποξήρανση υγροτόπων), γ) οριοθέτηση διαφορετικών φυτοκοινωνιών μιας περιοχής, γ) μελέτη εξέλιξης γεωργικών καλλιεργειών (π.χ. αλλαγή καλλιέργειας, εγκατάλειψη φτωχών αγροτικών εκτάσεων), δ) πολεοδομική ανάπτυξη κατά μήκος των ακτών, ε) αποτίμηση φυσικών καταστροφών, π.χ. πλημμυρών, πυρκαγιών, κ.α. Στην παρούσα αναφορά αναλύονται οι εργασίες που απαιτήθηκαν για την καταγραφή και ερμηνεία των αλλαγών κάλυψης γης κατά την περίοδο 1984-2011. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε δύο παράλληλες δράσεις. Αρχικά για την καταγραφή των χρήσεων/κάλυψης γης για κάθε χρονική στιγμή, με μεθόδους τηλεπισκόπισης έγινε ανάλυση τους για τα νησιά της Ζακύνθου, Κεφαλονιάς και Λευκάδας. Αναφέρονται οι μέθοδοι επεξεργασίας και η σύνθεσή των αποτελεσμάτων για την δημιουργία σύνθετων αναλογικών και ψηφιακών θεματικών χαρτών σε διάφορες κλίμακες. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν δίδονται τόσο σε αναλογική (σχήματα του παραδοτέου) όσο και σε ψηφιακή μορφή. Με στόχο την διάχυση των αποτελεσμάτων, οι χάρτες που δημιουργήθηκαν στα πλαίσια αυτού του έργου είναι διαθέσιμοι σε μορφές ανοικτών Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 13
πρωτοκόλλων (kml) και προσβάσιμοι με την χρήση πληθώρας προγραμμάτων (π.χ grass, google-earth, qgis ). Για τα γραμμικά στοιχεία (π.χ. οδικό δίκτυο, μεμονωμένοι οικισμοί) που δεν ήταν δυνατό να διακριθούν από δορυφορικές εικόνες μεσαίας ανάλυσης, όπως αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη, η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με την ψηφιοποίηση του οδικού δικτύου και των οικισμών / μεμονωμένων κτισμάτων και στα τρία νησιά με βάση εικόνες του Κτηματολογίου λήψης 2008-2009 και σε παλαιότερες αεροφωτογραφίες λήψης 1995-1996 για να εκτιμηθεί η διαχρονική μεταβολή αυτών των γραμμικών στοιχείων. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 14
2.3 Ανίχνευση Διαχρονικών αλλαγών Η ανίχνευση των διαχρονικών αλλαγών είναι η διαδικασία του προσδιορισμού των διαφορών στην κατάσταση ενός αντικειμένου ή φαινομένου σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (Singh, 1989). Αποτελεί ένα σύγχρονο ερευνητικό αντικείμενο με μεγάλη πρόσφατη βιβλιογραφία και ιδιαίτερα χρήσιμες εφαρμογές τόσο στη διαχείριση του φυσικού περιβάλλοντος, όσο και στη διαχείριση των κοινωνικών και οικονομικών συνεπειών στο ανθρωπογενές περιβάλλον (Moshen 1999). Όσον αφορά την τηλεπισκόπηση, οι τεχνικές ανίχνευσης αλλαγών μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες: προ-ταξινομικές (Pre-Classification) και μετα-ταξινομικές (Post-Classification) τεχνικές. Οι προ-ταξινομικές τεχνικές συγκρίνουν διαχρονικές πολυφασματικές εικόνες ή εικόνες που προέρχονται από αλγεβρικές πράξεις μεταξύ των διαύλων διαχρονικών εικόνων, εικόνες δεικτών (π.χ. βλάστησης NDVI) ή μετασχηματισμούς των αρχικών εικόνων (π.χ. Tasseled Cap) Oι τεχνικές αυτού του τύπου δεν παρέχουν πληροφορία για το είδος της μεταβολής που έχει συντελεστεί (δηλαδή της μορφής από -σε). Οι μετα-ταξινομικές τεχνικές συγκρίνουν δύο ήδη ταξινομημένες εικόνες, με διαφορετική ημερομηνία λήψης, παρέχοντας τη δυνατότητα εντοπισμού της αλλαγής αλλά και του είδους της αλλαγής (πληροφορία από -σε). Στις τεχνικές αυτές επομένως προηγείται η ταξινόμηση - επιβλεπόμενη ή μη επιβλεπόμενη - και όπως είναι φυσικό, οποιαδήποτε λάθη και ανακρίβειες της ταξινόμησης μεταφέρονται και στο αποτέλεσμα της σύγκρισης (error propagation). Σε μια αναλυτικότερη κατηγοριοποίηση των τεχνικών, σύμφωνα με τους Coppin και Bauer (1996), οι προτεινόμενες μεθοδολογίες ομαδοποιούνται στις παρακάτω κατηγορίες: 1. Οριοθέτηση των αλλαγών 2. Δέλτα ή μετα-ταξινομικές συγκρίσεις 3. Πολυδιάστατη χρονική ανάλυση στον χώρο των χαρακτηριστικών 4. Σύνθετη ανάλυση 5. Διαφορές εικόνων 6. Πολυχρονικός γραμμικός μετασχηματισμός δεδομένων 7. Ανάλυση του διανύσματος των αλλαγών 8. Παλινδρόμηση εικόνων 9. Πολυχρονικός δείκτης βιομάζας 10. Αφαίρεση υποβάθρου 11. Λόγος εικόνων Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 15
Ανεξαρτήτως της μεθόδου η οποία ακολουθείται, οι Im και Jensen (2005) συμπέραναν ότι μικρές αλλαγές παρατηρούνται ανάμεσα σε δορυφορικές εικόνες διαφορετικών ημερομηνιών που παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση, ενώ σημαντικές αλλαγές παρατηρούνται ανάμεσα σε εικόνες που παρουσιάζουν χαμηλή συσχέτιση. Οι Civco κ.ά. (2002) σε μία συγκριτική μελέτη τεσσάρων τύπων μεθόδων ανίχνευσης αλλαγών κατέληξαν ότι οι μελέτες που βασίζονται στις κλασσικές μεθόδους σύγκρισης ταξινομημένων δορυφορικών εικόνων καθώς και στην ανάλυση με διασταυρούμενες συσχετίσεις απαιτούν αρκετή a priori γνώση της περιοχής μελέτης. Επίσης, οι ίδιοι συγγραφείς συνιστούν τη χρήση πιο σύγχρονων μεθοδολογιών όπως τα νευρωνικά δίκτυα και την αντικειμενοστραφή ταξινόμηση στις μελέτες διαχρονικών αλλαγών. Μια ανάλυση των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων τεχνικών γίνεται στα Coppin κ.ά. (2002), Lunetta, Elvidge κ.ά. (1999), Lu κ.ά. (2004), Mas (1999) και Singh (1989). Η καταγραφή των αλλαγών των χρήσεων και της κάλυψης γης στα Ιόνια Νησιά βασίστηκε σε συνδυαστική χρήση προ-και μετα-ταξινoμικών μεθόδων ανίχνευσης αλλαγών από δορυφορικές εικόνες αλλά και σε επίγειες καταγραφές. Στο παρακάτω κεφάλαιο, παρουσιάζονται και περιγράφονται οι μέθοδοι και τεχνικές που ακολουθήθηκαν. Στο πλαίσιο των προ-ταξινομικών μεθόδων δημιουργήθηκαν εικόνες του Κανονικοποιημένου Δείκτη Βλάστησης (Νοrmalised Difference Vegetation Index -NDVI), του δείκτη βλάστησης (Simple Vegetation Index IR/R) καθώς και του μετασχηματισμού Tasseled Cap. Στο πλαίσιο των μετα-ταξινομικών μεθόδων αρχικά εφαρμόσθηκαν αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης για την ταξινόμηση των εικόνων και στη συνέχεια έγινε οπτική ή/και ψηφιακή ανίχνευση των αλλαγών. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν αναλύονται στη συνέχεια. Η ανάλυση των τελικών προϊόντων της μελέτης ακολουθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 16
2.4 Ανάλυση δορυφορικών εικόνων Η εξαγωγή πληροφοριών από τις δορυφορικές εικόνες μπορεί να γίνει είτε με οπτική ανάλυση - φωτοερμηνεία είτε με ψηφιακή ανάλυση (Σχήμα 1). Για την πρώτη προσέγγιση εφαρμόζονται τεχνικές που βελτιστοποιούν την πληροφορία της εικόνας, το περιεχόμενο της και την ποιότητα, έτσι ώστε ο αναλυτής-φωτοερμηνευτής να μπορέσει να την χρησιμοποιήσει για την ερμηνεία της. Η δεύτερη προσέγγιση καλύπτει τις τεχνικές που συμπεριλαμβάνουν τις αυτόματες ταξινομήσεις με τη βοήθεια αλγορίθμων. Σχήμα 1: Απεικόνιση των συνδυαστικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία των χαρτών. Μια από τις απαραίτητες διαδικασίες για την φωτοερμηνεία είναι ο τονισμός εικόνας που έχει σαν σκοπό την καλύτερη αναπαράσταση των διαύλων ώστε να επιλεχθούν οι πλέον κατάλληλοι για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Εξειδικευμένες τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για τον φασματικό τονισμό των Landsat TM εικόνων, έτσι ώστε να επιτευχθεί η ερμηνεία τους. Οι βασικές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας που έχουν χρησιμοποιηθεί για φωτοερμηνεία στην συγκεκριμένη μελέτη δίνονται παρακάτω: Ενίσχυση αντίθεσης διαβάθμισης του τόνου (contrast stretching): Διαδικασία με την οποία επιτυγχάνεται η ενίσχυση της αντίθεσης των τόνων μιας απεικόνισης και κατά την οποία αξιοποιείται όλο το εύρος του πεδίου ψηφιακών τιμών και όχι μόνο μέρος αυτού. Έγχρωμο σύνθετο: Το χρώμα είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας περιγραφής, που συχνά απλουστεύει κατά πολύ την διαδικασία αναγνώρισης αντικειμένων και εξαγωγής περιοχών της εικόνας. Η έγχρωμη απεικόνιση προκύπτει με υπέρθεση τριών μονόχρωμων απεικονίσεων, που Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 17
προβάλλονται με ένα από τα τρία βασικά χρώματα (κόκκινο, πράσινο, μπλε) η κάθε μια. Δοκιμάστηκαν και δημιουργήθηκαν διάφορες χρωματικές συνθέσεις οι οποίες κατά την βιβλιογραφία βοηθούν στην διάκριση των διαφόρων τύπων εδαφοκάλυψης (Σχήμα 2). Σχήμα 2: Λευκάδα 1984 Συνδυασμός διαύλων 1, 2 και 3 μετά από αποσυσχέτιση (decorrelation stretch). Η ενίσχυση κορεσμού (saturation) βοηθά στον διαχωρισμό τύπων βλάστησης. Λόγοι καναλιών (image ratio): Οι απεικονίσεις λόγων καναλιών προκύπτουν με τη διαίρεση των ψηφιακών τιμών μιας απεικόνισης σε ένα κανάλι με τις αντίστοιχες τιμές της σε ένα άλλο κανάλι, για κάθε pixel. Με τη μέθοδο αυτή είναι δυνατό να περιοριστούν οι διαφορές στην ανακλαστικότητα από το ίδιο αντικείμενο /εμφάνιση, οι οποίες οφείλονται στο τοπογραφικό ανάγλυφο, στις σκιές και στις εποχιακές αλλαγές. Επίσης οι λόγοι μεταξύ καναλιών επιτρέπουν το διαχωρισμό και τη διάκριση βλάστησης π.χ. κανονικοποιημενος δείκτης βλάστησης NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) (Σχήμα 3). Σχήμα 3: Παράδειγμα εφαρμογής δείκτη NDVI στη Ζάκυνθο τον Σεπτέμβριο του 2011 Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 18
Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών (Principal Component Analysis): Η Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών ανήκει στις μεθόδους μετασχηματισμού των πολυφασματικών δορυφορικών δεδομένων. Σκοπός της είναι η μείωση της διάστασης των δεδομένων, διατηρώντας ταυτόχρονα το σύνολο της αρχικής πληροφορίας. Η εικόνα Landsat θα μετασχηματιστεί στις κύριες συνιστώσες, γιατί έτσι στους νέους διαύλους τα δεδομένα φαίνονται πολύ καλύτερα και διευκολύνεται πάρα πολύ και η εύρεση των «περιοχών εκπαίδευσης» κατά την διαδικασία της ταξινόμησης που θα ακολουθήσει. Επιπλέον έχουμε μικρότερες διαστάσεις των νέων δεδομένων. Αν αντιστοιχίσουμε τις 3 πρώτες κύριες συνιστώσες στα 3 βασικά χρώματα (Red =1 η, Green=2 η και Blue =3 η συνιστώσα) φαίνεται ότι ήδη δημιουργείται μιας μορφής ταξινόμηση και διαχωρισμός της βλάστησης από τα άγονα και χαμηλής βλάστησης εδάφη (χωράφια κ.λ.π.).(σχήμα 4). Σχήμα 4: Έγχρωμη σύνθεση των 3 πρώτων Κυρίων Συνιστωσών της δορυφορικής εικόνας Ζακύνθου (λήψη Σεπτεμβρίου 2011) (σε μεγέθυνση με κόκκινα χρώματα η αγροτική περιοχή στις Βολίμες). Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 19
2.5 Προ Ταξινομική Ανίχνευση αλλαγών 2.5.1 Ανάλυση με βάση τον δείκτη NDVI Οι διαχρονικές εικόνες του δείκτη βλάστησης NDVI απεικονίζουν τις περιοχές με έντονη, αραιή ή καθόλου βλάστηση, χωρίς να διακρίνεται το είδος της βλάστησης και η ακριβής μεταβολή που επήλθε. Ο δείκτης αυτός είναι ο λόγος της διαφοράς της ανάκλασης στο κοντινό υπέρυθρο και στο κόκκινο, προς το άθροισμα αυτών. Λαμβάνει τιμές από -1 (καθόλου βλάστηση) μέχρι +1 (πλούσια βλάστηση) (Σχήμα 5). Ωστόσο, ο NDVI έχει ιδιαίτερες αδυναμίες. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες και τα λεπτά σύννεφα μπορούν να επηρεάσουν τον υπολογισμό του NDVI όταν χρησιμοποιούνται δορυφορικά δεδομένα. Όταν έχουμε να κάνουμε με πυκνή βλάστηση, όπου τα φυτά καλύπτουν το έδαφος από την κάτοψη, το φασματικό καταγεγραμμένο σήμα προέρχεται από την ενέργεια που αντανακλάται από το επάνω μέρος των θόλων των φυτών. Ωστόσο, στις περιπτώσεις όπου η κάλυψη βλάστησης δεν είναι πλήρης, οτιδήποτε υπάρχει κάτω από τα φυτά, είτε είναι το έδαφος, είτε άλλο είδος βλάστησης, συμβάλλουν στην φασματική ανάκλαση που καταγράφεται από τον αισθητήρα. Όταν η κάλυψη βλάστησης είναι χαμηλή, ό,τι είναι κάτω από την κόμη της βλάστησης συμβάλλει στο καταγραφόμενο σήμα ανάκλασης. Αυτό μπορεί να είναι γυμνό έδαφος, κατάλοιπα βλάστησης ή κάποιο άλλο είδος βλάστησης. Για παράδειγμα, αν η κάλυψη είναι 60%, τότε το 60% του σήματος είναι ενέργεια που αντανακλάται από τη βλάστηση ενώ το υπόλοιπο 40% είναι από ό,τι δεν καλύπτεται από τον θόλο των φυτών. Στην περίπτωση που το γυμνό έδαφος επηρεάζει το ανακλώμενο σήμα, τότε το σήμα είναι ένα μείγμα του σήματος βλάστησης και εδάφους, τα οποία είναι πολύ διαφορετικά. Καθένα από αυτά τα έχει ιδιαίτερη και διαφορετική φασματική απόκριση από την βλάστηση που μελετάται. Σχήμα 5. Απεικόνιση της Λευκάδας το 1984 και 2011 με βάση το δείκτη NDVI Π9 : Εντοπισμός και χαρτογράφηση των διαχρονικών αλλαγών των χρήσεων γης 20