Χρήση δεικτών βλάστησης για τη διαχρονική χαρτογράφηση καµένων εκτάσεων στην περιοχή του όρους Πεντέλη Ε. Νικολάου, Α. Γκανάς, Ε. Αθανασίου, Α. Ρετάλης Περίληψη Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να συγκρίνει τα αποτελέσµατα διαφόρων µεθόδων ψηφιακής επεξεργασίας δορυφορικών εικόνων για τη χαρτογράφηση της καµένης επιφάνειας από τις µεγάλες πυρκαγιές στο όρος Πεντέλη, στη ΒΑ Αττική. Τα δορυφορικά δεδοµένα που χρησιµοποιήθηκαν περιλαµβάνουν τρεις εικόνες Landsat 5 TM (Θεµατικός Χαρτογράφος) από τον Αύγουστο του 1994, 1996 και 1998 µε µέγεθος εικονοστοιχείου 30 µ. Όλα τα δεδοµένα διορθώθηκαν χρησιµοποιώντας ένα ψηφιακό µοντέλο εδάφους (κλίµακας 1:50000) και προβλήθηκαν στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς (ΕΓΣΑ 87). Η προεπεξεργασία και επεξεργασία εικόνας έγινε µε το λογισµικό EASI PACE v6.2.2 σε σταθµό εργασίας Silicon Graphics. Λόγω της διαφορετικής τροχιάς του Landsat 5 όταν «σαρώθηκαν» οι εικόνες, επιλέχθηκε µία κοινή περιοχή αυτών ως περιοχή µελέτης η οποία βρίσκεται µεταξύ της Νέας Μάκρης στο Βορρά και Πικερµίου στο Νότο (δηλαδή το Νότιο- Νοτιοανατολικό µέρος της Πεντέλης). Η καµένη δασική έκταση εκτιµήθηκε µε την ακόλουθη µεθοδολογία: α) υπολογισµός του Κανονικοποιηµένου είκτη Βλάστησης NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) του κοντινού υπέρυθρου και κόκκινου φάσµατος του Θεµατικού Χαρτογράφου από ραδιοµετρικά διορθωµένες εικόνες 1994, 1996 και 1998 β) υπολογισµός του δείκτη βλάστησης SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) από ραδιοµετρικά διορθωµένη εικόνα του 1998 και γ) Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 1
υπολογισµός του δείκτη βλάστησης GVI (Green Vegetation Index) από τις ψηφιακές τιµές της εικόνας του 1998. Τα αποτελέσµατα περιλαµβάνουν ποσοτικές εκτιµήσεις της καµένης έκτασης στην περιοχή µελέτης (σε στρέµµατα). Tον Αύγουστο 1998 οι καµένες περιοχές εκτιµήθηκαν 18997 στρ. από τον NDVI, 18975 στρ. από τον SAVI και 21790 στρ. από τον GVI, ενώ αυτές που κάηκαν δύο φορές µεταξύ 1994 και 1998 ήταν 4213 στρ. Το αποτέλεσµα των καµένων εκτάσεων του 1998 συγκρίθηκε µε εκτιµήσεις που έγιναν από το ασαρχείο Πεντέλης χρησιµοποιώντας µεθόδους επίγειας παρατήρησης και αεροφωτογραφίες. 1. Εισαγωγή Στην Ελλάδα µετά το 1974 έχει σηµειωθεί µία σηµαντική αύξηση των δασικών πυρκαγιών σε αριθµό, µέγεθος καµένης έκτασης ανά πυρκαγιά και µέγεθος ζηµιών, ενώ δασικά οικοσυστήµατα που καίγονται περισσότερο είναι αυτά της χαλεπίου πεύκης (Καϊλίδης, 1990). Η χαρτογράφηση των καµένων είναι µία χρονοβόρα διαδικασία η οποία επιπλέον απαιτεί τη συµµετοχή πολλών υπαλλήλων της δασικής υπηρεσίας. Ο σκοπός της εργασίας αυτής ήταν α) η εκτίµηση των καµένων εκτάσεων στην νοτιοανατολική περιοχή του όρους Πεντέλης από δορυφορικές εικόνες σε διαδοχικά έτη (1996, 1998) για να εντοπιστούν τµήµατα που κάηκαν περισσότερο από µία φορές στο διάστηµα αυτό, β) η σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τις υπάρχουσες εκτιµήσεις που έγιναν µε µεθόδους επίγειας παρατήρησης και αεροφωτογραφίες από το ασαρχείο Πεντέλης. Για τη χαρτογράφηση των καµένων εκτάσεων χρησιµοποιήθηκαν τρεις ορθοεικόνες Landsat 5 TM (Θεµατικός Χαρτογράφος) µε ηµεροµηνίες 25 Αυγούστου 1994, 14 Αυγούστου 1996 Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 2
και 20 Αυγούστου 1998 (Eικόνα 1), και µε ανάλυση 30 x 30 µ., οι οποίες διορθώθηκαν γεωµετρικά στο σύστηµα συντεταγµένων ΕΓΣΑ 87. Κατά την διόρθωση χρησιµοποιήθηκε ένα ψηφιακό µοντέλο εδάφους (DEM, Eικόνα 2) που κατασκευάστηκε από την ψηφιοποίηση ισοϋψών καµπυλών του χάρτη «Κηφισιά» (Έκδοση Γ.Υ.Σ., 1988) 1:50000. Η µέθοδος ψηφιακής χαρτογράφησης που εφαρµόστηκε ήταν η εξαγωγή του δείκτη βλάστησης NDVI (Normalized Difference of Vegetation Index) (Εικόνες 5,6,7), η οποία είναι η πιο ευρέως χρησιµοποιούµενη µέθοδος για τη σαφή διάκριση των ορίων µεταξύ της υγειούς και µη βλάστησης. Εφαρµόστηκε επίσης, η εξαγωγή των δεικτών βλάστησης SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) (Εικόνα 9) και GVI (Green Vegetation Index) (Εικόνα 10), οι οποίοι χρησιµοποιούνται για τη διάκριση των ορίων της υγειούς βλάστησης, σε µια προσπάθεια να βρεθεί η καλύτερη µέθοδος υπολογισµού που θα επαληθεύεται από τις επίγειες µετρήσεις. 2. Μεθοδολογία Οι δορυφορικές εικόνες του Landsat TM περιέχουν ψηφιακές τιµές που καταγράφουν την ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας στο ορατό και υπέρυθρο φάσµα (µια τυχαία σειρά φασµατικών τιµών παρατίθεται στην Εικόνα 3). Η µετατροπή µιας αρχικής δορυφορικής εικόνας σε τέτοια που να έχει συγκεκριµένη κλίµακα και γεωδαιτικά χαρακτηριστικά ενός χάρτη λέγεται γεωµετρική διόρθωση (Mather, 1987). Στην εφαρµογή µας οι τρεις εικόνες Landsat 5 µετατράπηκαν σε ορθο-εικόνες µε τη χρήση ενός ψηφιακού µοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model) επειδή σε αυτό το είδος της γεωµετρικής διόρθωσης λαµβάνεται υπόψη το υψόµετρο κάθε εικονοστοιχείου (pixel). Έτσι, επιτυγχάνεται τόσο καλύτερη «στροφή» και τοποθέτηση των εικονοστοιχείων στο αντίστοιχο XYZ του χάρτη αναφοράς όσο και µεγαλύτερη χωρική και θεµατική ακρίβεια στις µετρήσεις µας αφού η περιοχή ενδιαφέροντος είναι κατ εξοχήν ορεινή (όρια υψοµέτρου 0 1108 µέτρα). Στην Εικόνα 4 Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 3
δείχνουµε µια πανοραµική άποψη προς Βορρά του όρους Πεντέλη και των καµένων εκτάσεων του 1998. Τα διαδοχικά βήµατα της επεξεργασίας εικονίζονται στο Σχήµα 1. Σχήµα 1. ιάγραµµα ροής εργασιών. Επιλογή Εικόνων Landsat TM Αυγούστου 1994 1996 1998 Εισαγωγή στο σύστηµα EASI PACE v6.2.2 Γεωµετρική ιόρθωση των εικόνων µε χρήση DEM Ψηφιοποίηση φύλλου χάρτη Γ.Υ.Σ. Κηφισιά 1:50000 Μετατροπή ψηφιακών τιµών DN σε τιµές ακτινοβολίας RAD Επιλογή κοινής περιοχής, Τµήµα Εικόνων Πεντέλη Εξαγωγή Κανονικοποιηµένου είκτη Βλάστησης NDVI 32 bit real Εξαγωγή είκτη Βλάστησης SAVI 32 bit real Εξαγωγή είκτη ΒλάστησηςGVI 32 bit real από DΝ τιµές Αναγωγή της κλίµακας από 1,1 σε 0, 255 Κατηγοριοποίηση σε 10 τιµές, από 0, 255 σε 0, 9 Μάσκα καµένων εκτάσεων για τον Πρόσθεση ΝDVI, SAVI και GVI υπολογισµό τους (Πίνακες ιαχρονικό ζεύγος Γεωτεχνικά Στατιστικών) Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός (Πίνακες 3/2000, Στατιστικών) σελίδες 258-271. 4
2.1 ιόρθωση Εικόνων Παρακάτω αναλύονται τα βήµατα που έγιναν µέχρι την παραγωγή των ορθοεικόνων και στη συνέχεια η επεξεργασία των εικόνων αυτών. 1. Επιλογή των εικόνων Landsat 5 ΤΜ των ηµεροµηνιών: 25 Αυγούστου 1994, 14 Αυγούστου 1996 και 20 Αυγούστου 1998 µέσω της υπηρεσίας Einet της εταιρίας Eurimage S.A. Οι εικόνες πρέπει να είναι όσο το δυνατόν κοντύτερα στο τέλος της πυρκαγιάς για την εκτίµηση της καµένης γης, γιατί η φασµατική αντίθεση ελαττώνεται σταδιακά µε την αναγέννηση της βλάστησης µετά τη φωτιά (Martin and Chuvieco, 1993). Οι µεγάλες πυρκαγιές των τελευταίων χρόνων στην Πεντέλη έγιναν τον Αύγουστο του 1995 και 1998 και συνεπώς θα έπρεπε να χρησιµοποιηθούν εικόνες µετά από αυτές. Η εικόνα όµως του Αυγούστου 1995, ενώ ήταν διαθέσιµη δεν χρησιµοποιήθηκε, επειδή δεν ήταν δυνατή η µετατροπή της σε ορθοεικόνα λόγω έλλειψης των τροχιακών δεδοµένων (ephemeris data). 2. Εισαγωγή των εικόνων στο σύστηµα EASI PACE v 6.2.2, το οποίο είναι ένα εµπορικό λογισµικό για ψηφιακή επεξεργασία εικόνας. 3. Ψηφιοποίηση του φύλλου χάρτη Γ.Υ.Σ. «Κηφισιά» κλίµακας 1:50000 για την παραγωγή ψηφιακού µοντέλου εδάφους (DEM, Εικόνα 2) µε µέγεθος εικονοστοιχείου 20 m. 4. Επιλογή επίγειων σηµείων ελέγχου στον γεωεγγραµµένο χάρτη γενικής χρήσεως µε εικονοστοιχείο 2 m και την εικόνα ΤΜ, παίρνοντας υπόψη το υψόµετρο από το DEM. Ο αριθµός των σηµείων, τα χαρακτηριστικά τους και το σφάλµα σε µοντέλο πρώτης τάξης φαίνονται στον Πίνακα Ι. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 5
5. Υπολογισµός του µαθηµατικού µοντέλου που απαιτείται για την ορθο-γεωαναφορά των εικόνων, µε την εντολή SMODEL του EASI PACE v6.2.2. Το µοντέλο αυτό παράγεται λαµβάνοντας δεδοµένα από την τροχιά του δορυφόρου και τα επίγεια σηµεία ελέγχου. 6. Παραγωγή ορθοεικόνων (π.χ Εικόνες 1 και 4) µε τη χρήση του προγράµµατος SORTHO, χρησιµοποιώντας τ αποτελέσµατα από το προηγούµενο πρόγραµµα. Η τελική ποιότητα των παραγόµενων διορθωµένων εικόνων και ο χρόνος που απαιτείται για τον υπολογισµό εξαρτάται από τη µέθοδο επανασύνθεσης που επιλέγεται. Εδώ χρησιµοποιήθηκε ο κυβικός µετασχηµατισµός. Οι πολυωνιµικές µέθοδοι διόρθωσης των εικόνων οι οποίες δεν λαµβάνουν υπ όψη τους το ανάγλυφο δίνουν ποσοστό υπερεκτίµησης στον υπολογισµό των καµένων εκτάσεων µέχρι και 10% (Κritikos et al, 1993). 2.2 Επεξεργασία Εικόνων Το επόµενο στάδιο είναι η επεξεργασία εικόνας κατά το οποίο εφαρµόζονται διάφορες µέθοδοι ανάλογα µε την εξαγωγή πληροφοριών που επιδιώκεται. Για την παρούσα εργασία απαιτείται µία µέθοδος η οποία θα δώσει ευκρινώς τα όρια της καµένης βλάστησης. Εξαγωγή δείκτη NDVI Οι ψηφιακές τιµές των 6 ανακλώµενων καναλιών (Digital Numbers, DN) µετατράπηκαν σε φασµατικές τιµές ακτινοβολίας (Radiance, Watt/m 2 /sr) µε τη χρήση του προγράµµατος MODEL. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 6
Πολλές εργασίες έχουν δείξει ότι φασµατικά χαρακτηριστικά καµένης γης εµφανίζουν µεγάλη αντίθεση µ αυτά της υγειούς βλάστησης. Η καµένη γη δείχνει µείωση των τιµών στο κοντινό υπέρυθρο και σαν συνέπεια της έλλειψης πράσινου φυλλώµατος όπως και µία αύξηση στο κόκκινο λόγω έλλειψης απορρόφησης των χρωστικών ουσιών (Chuviego and Congalton, 1988). Ο Κανονικοποιηµένος είκτης βλάστησης, NDVI προκύπτει από το λόγο: NDVI = (L TM 4 L TM 3) / (L TM 4 + L TM 3), όπου L TM 4 και L TM 3 είναι οι φασµατικές ακτινοβολίες στο κοντινό υπέρυθρο κανάλι (0,76 0,90 µm) και στο κόκκινο κανάλι (0,63 0,69 µm) αντίστοιχα. Οι τιµές του δείκτη κυµαίνονται από -1,0 έως 1,0. Οι τιµές του δείκτη στις εικόνες TM αναπροσαρµόστηκαν στο διάστηµα από 0 έως 255 για ν αναχθούν σε κλίµακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιµές από 0 έως 9 (τιµή 0, καθόλου βλάστηση τιµή 9, πολύ υγιής βλάστηση). Η εικόνα NDVI του 1994 απεικονίζεται στην εικόνα 5, του 1996 στην εικόνα 6 και του 1998 στην εικόνα 7, αντιστοίχως. Η ορθοεικόνα του 1994 χρησιµοποιείται µόνο για σύγκριση των τιµών πριν τις πυρκαγιές µε τις µετέπειτα. Τα σχήµατα 2, 3 και 4 δείχνουν τα ιστογράµµατα των κατηγοριών NDVI τα οποία αντιστοιχούν στις ανωτέρω εικόνες. Μετά από τη θεµατική αναγνώριση των κατηγοριών του NDVI στις εικόνες διαπιστώθηκε ότι η διαχρονική τιµή του NDVI για την καµένη βλάστηση είναι 3 και 4. Ωστόσο, µε την ίδια τιµή αντιπροσωπεύονται διαχρονικά και τα εικονοστοιχεία του λατοµείου στη θέση Μπίλιζα (85 pixels), ορισµένα κατά µήκος της Λεωφόρου Μαραθώνος, και ορισµένα της θάλασσας. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 7
Εξαγωγή δείκτη SAVI Για την εξαγωγή του δείκτη SAVI ακολουθείται η ίδια διαδικασία µε τον δείκτη NDVI για την εικόνα του 1998. Συγκεκριµένα από τις φασµατικές τιµές ακτινοβολίας των καναλιών της εικόνας υπολογίστηκε ο δείκτης βλάστησης SAVI, ο οποίος προκύπτει από τον τύπο (Richardson and Everitt, 1992): SAVI = ((1+L) x (L TM 4 L TM 3)) / (L TM 4 + L TM 3 + L), όπου L = 0,5, ενώ L TM 4 και L TM 3 είναι οι φασµατικές ακτινοβολίες στο κοντινό υπέρυθρο κανάλι (0,76 0,90 µm) και στο κόκκινο κανάλι (0,63 0,69 µm) αντίστοιχα. Οι τιµές του δείκτη επίσης αναπροσαρµόστηκαν στο διάστηµα από 0 έως 255 για ν αναχθούν σε κλίµακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιµές από 0 έως 9 (τιµή 0, καθόλου βλάστηση τιµή 9, πολύ υγιής βλάστηση). Η εικόνα SAVI του 1998 απεικονίζεται στην εικόνα 9, και το ιστόγραµµα της εικόνας στο Σχήµα 5. Από τη θεµατική αναγνώριση του δείκτη SAVI βρέθηκε ότι τα εικονοστοιχεία µε την τιµή 3 και 4 απεικονίζουν τις καµένες περιοχές. Εξαγωγή δείκτη GVI Για τον υπολογισµό του GVI χρησιµοποιήθηκαν οι αρχικές ψηφιακές τιµές (DN) της εικόνας 1998. Ο δείκτης βλάστησης GVI προκύπτει από τον ακόλουθο µαθηµατικό τύπο (Crist et al. 1986): GVI = - 0,2728 х L TM 1 0,2174 х L TM 2 0,5508 х L TM 3 + 0,722 х L TM 4 + 0,0733 х L TM 5 0,1648 х L TM 7, Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 8
Όπου (Lillesand and Kiefer, 1994): L TM 1 = 0,45 0,52 µm, L TM 2 = 0,52 0,60 µm, L TM 3 = 0,63 0,69 µm, L TM 4 = 0,76 0,90 µm, L TM 5 = 1,55 1,75 µm, L TM 7 = 2,08 2,35 µm Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε και εδώ µε την αναγωγή των τιµών στο διάστηµα 0 έως 255 σε κλίµακα 8-bit των τόνων του γκρι και στη συνέχεια κατηγοριοποιήθηκαν σε 10 τιµές από 0 έως 9. Η εικόνα GVI του 1998 απεικονίζεται στην εικόνα 10 ενώ τα στατιστικά αποτελέσµατα και η κατανοµή των εικονοστοιχείων στις τιµές του δείκτη φαίνονται στο Σχήµα 6. Η θεµατική αναγνώριση του δείκτη GVI έδειξε ότι τα εικονοστοιχεία µε την τιµή 1 και 2 απεικονίζουν τις καµένες περιοχές και ελάχιστα απ αυτά µη καµένες που δεν µπορούν ν αφαιρεθούν. Υπολογισµός της καµένης έκτασης Μετά τον υπολογισµό των δεικτών βλάστησης και τη θεµατική αναγνώριση των τιµών τους σχεδιάσαµε µία χωρική µάσκα επί της οθόνης η οποία κάλυπτε τις περιοχές των καµένων έτσι ώστε να γίνει η µέτρηση των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στην καµένη βλάστηση σ αυτές τις περιοχές µόνο και ν αποφευχθούν υπερεκτιµήσεις. Το σύνολο των εικονοστοιχείων της περιοχής µελέτης είναι 78400, από τα οποία τα 53397 είναι όσα βρίσκονται κάτω από τη µάσκα. Η καµένη έκταση που υπολογίστηκε από τους τρεις δείκτες (Πίνακας ΙΙ) για την πυρκαγιά του 1998 και στην περιοχή µελέτης είναι 18997 στρ. από τον NDVI, 18975 στρ. από τον SAVI, και 21790 στρ. από τον GVI. Επίσης υπολογίστηκε η καµένη έκταση στην περιοχή µελέτης βάσει της χαρτογράφησης που έκανε το ασαρχείο Πεντέλης (ΦΕΚ 5147/1999) µε επίγειες παρατηρήσεις και µε τη χρήση ορθοφωτοχάρτη κλίµακας 1:25000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (έκδοση 1998). Αυτή η οριογραµµή χρησιµοποιήθηκε για την επαλήθευση της ψηφιακής µεθόδου ως εξής: Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 9
1. Εγινε ψηφιοποίηση (σάρωση σε 400 dpi) του φύλλου χάρτη Γ.Υ.Σ. «Κηφισιά» κλίµακας 1:25000, στο οποίο το ασαρχείο είχε οριοθετήσει την οριογραµµή της καµένης έκτασης από την πυρκαγιά του 1998. 2. Ακολούθησε γεω-αναφορά του χάρτη στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς (ΕΓΣΑ 1987), µε το πρόγραµµα GCPWorks (τα σηµεία επιγείου ελέγχου δίδονται στον Πίνακα ΙΙΙ) 3. Εγινε ψηφιοποίηση της οριογραµµής της καµένης έκτασης επί της οθόνης (Edit vector Utility). 4. Εγινε επιλογή της περιοχής µελέτης (αντίστοιχη του πλαισίου στην Εικόνα 1). 3. Αποτελέσµατα και Συµπεράσµατα Για την ευκολότερη διαφοροποίηση των εικόνων NDVI δόθηκε το ίδιο χρώµα σε κάθε µία κατηγορία σε όλες τις εικόνες. Το χρώµα των καµένων συµβολίζεται µε κόκκινο (σκούρο γκρι σε φωτοτυπία) ενώ το πράσινο (ανοιχτό γκρι) αντιπροσωπεύει την υγιή βλάστηση και τις αστικές περιοχές, και το µπλε τη θάλασσα. Η εικόνα του 1994 συµβάλλει στο να δούµε τη διαφορά των τιµών ανακλαστικότητας που παρουσιάζει η περιοχή µελέτης πριν τη φωτιά, σε σχέση µε τις µετέπειτα εικόνες. Όπως είδαµε παραπάνω, µε τον ίδιο δείκτη παρουσιάζεται το λατοµείο και κάποιες άλλες περιοχές των εικόνων. Από το σύνολο των εικονοστοιχείων (pixels) στην κατηγορία 3 και 4 στην οποία εµφανίζεται η βλάστηση µε πολύ χαµηλό ΝDVI, εκτιµάται το εµβαδό της καµένης έκτασης, αφού κάθε εικονοστοιχείο αντιστοιχεί σε 900 τ.µ. δηλαδή 0,9 στρ. Για τον υπολογισµό των διπλοκαµένων εκτάσεων από τις εικόνες 1996 και 1998 αποµονώθηκαν οι τιµές NDVI 4 του 1996, 3 του 1998 και 4 του 1998 για να προστεθούν Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 10
δηµιουργώντας ένα νέο κανάλι. Αυτό έγινε χρησιµοποιώντας το MODELLING UTILITY και µε τη δηµιουργία τριών καναλιών BITMAPS στα οποία: α) η τιµή 4 του 1996 πήρε την τιµή 1, ενώ οι υπόλοιπες τιµές πήραν την τιµή 0, β) η τιµή 3 του 1998 πήρε την τιµή 1 και οµοίως οι υπόλοιπες τιµές πήραν την τιµή 0, γ) οµοίως η τιµή 4 του 1998 πήρε την τιµή 1 ενώ οι υπόλοιπες έγιναν 0. Η πρόσθεση των τριών αυτών καναλιών έδωσε τιµές 0, 1 και 2. ιπλοκαµένες είναι οι περιοχές µε τιµή 2 οι οποίες φαίνονται στην Εικόνα 8 µε κόκκινο χρώµα. Αυτή µετρήθηκε ότι είναι 4213 στρ., µόνο στην περιοχή µελέτης. ιαπιστώνεται από τις εικόνες 11 και 12 ότι: 1) και στις δύο εικόνες η διάταξη των καµένων εκτάσεων στην γεωγραφική περιοχή µελέτης είναι η ίδια και 2) η επίθεση των οριογραµµών του ασαρχείου αφήνει πολλά εικονοστοιχεία υγιούς βλάστησης εντός των καµένων εκτάσεων. Από τον πίνακα 2 βλέπουµε ότι όλοι οι δείκτες παρήγαγαν όµοια εµβαδά καµένων, το οποίο υποδηλώνει µια οµοιογενή θεµατική ακρίβεια στην κατηγοριοποίησή µας. Η ποσοτική εκτίµηση της καµένης έκτασης από τον χάρτη του ασαρχείου (ή τον ορθοφωτοχάρτη «Κηφισιά» έκδοση Γ.Υ.Σ. 1998) όπως εµβαδοµετρήθηκε µετά την ψηφιοποίηση της οριογραµµής για την περιοχή µελέτης είναι 30829 στρ. και παρουσιάζει σηµαντική απόκλιση από την έκταση που υπολογίστηκε αυτόµατα από τις ψηφιακές µεθόδους. Ίσως η απόκλιση αυτή να οφείλεται στο ότι ο επίγειος παρατηρητής (ή φωτοερµηνευτής) λαµβάνει υπόψη του ότι οι καµένες δασικές εκτάσεις πρόκειται να κηρυχθούν αναδασωτέες, οπότε τα όρια είναι προτιµότερο ν αποκλίνουν προς τα άνω για να αποφευχθούν υποεκτιµήσεις. Αυτή η τακτική οδηγεί αναπόφευκτα στο να περιλαµβάνονται θύλακες υγιούς βλαστήσεως εντός της καµένης περιοχής, πράγµα το οποίο δεν συµβαίνει µε την αυτόµατη µέθοδο. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 11
Από την άλλη, στον υπολογισµό της καµένης έκτασης µε τις ψηφιακές µεθόδους τηλεπισκόπισης υπεισέρχονται δύο είδη σφαλµάτων: το σφάλµα οµαδοποίησης των δεικτών και το θεµατικό σφάλµα. Το σφάλµα οµαδοποίησης είναι σφάλµα της ψηφιακής µεθοδολογίας και προκύπτει από την αλλαγή της κλίµακας των δεικτών από 32-bit real σε 8-bit, και τέλος από την κατηγοριοποίηση (συµπίεση) των τιµών σε δέκα κατηγορίες από 0 έως 9. Το σφάλµα αυτό µπορεί να είναι αυξητικό (προσθέτει καµένες εκτάσεις εκεί που δεν υπάρχουν) ή αφαιρετικό. Επί παραδείγµατι, µεγάλα αποµονωµένα κτίσµατα ή ορισµένες εκχερσωµένες περιοχές αποδίδονται ως καµένες. Απο την εµπειρία µας το σφάλµα αυτό δεν υπερβαίνει το 5% προς κάθε κατεύθυνση. Το θεµατικό σφάλµα είναι συνάρτηση του µήκους κύµατος που χρησιµοποιεί ο NDVI και της χωρικής διακριτικής αναλύσεως του σαρωτή ΤΜ. Η τιµή ακτινοβολίας κάθε εικονοστοιχείου 30 30 µέτρων ψηφιοποιείται σε κάποιο διακριτό επίπεδο των τόνων του γκρί, ενώ στην πραγµατικότητα η διακύµανσή της στον χώρο είναι συνεχής. Με άλλα λόγια, το ποσοστό του θεµατικού σφάλµατος δείχνει κατά πόσο η τιµή του εικονοστοιχείου αποκλίνει από το 100% καµένη έκταση. ηλαδή, ένα εικονοστοιχείο ΤΜ, το οποίο αντιστοιχεί σε 0,9 στρ. και ανήκει στην κατηγορία της καµένης βλάστησης, µπορεί να αντιπροσωπεύει κατά 80% καµένη έκταση και 20% µη καµένη. Έτσι προκύπτει ένα σφάλµα υπερεκτίµησης του εµβαδού των καµένων, όπως µπορεί να συµβεί το αντίθετο ακριβώς µ αποτέλεσµα να προκύπτει ένα σφάλµα υποεκτίµησης - παράλειψης (δηλαδή εικονοστοιχεία µε ποσοστό καµένης κάλυψης 20% να κατατάσσονται στην κατηγορία των µη καµένων). Το σφάλµα υποεκτίµησης συµβαίνει κυρίως στα περιθώρια της φωτιάς, εκεί όπου η αυτόµατη µεθοδολογία µας προσδιορίζει το όριο φασµατικά και όχι χωρικά (Σχήµα 8). Το θεµατικό σφάλµα κυµαίνεται Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 12
σε ± 10% στις εικόνες µας. Έτσι προκύπτει ένα αθροιστικό σφάλµα στην µέθοδό µας της τάξεως του 15%. Αντίθετα, το σφάλµα της επίγειας µέτρησης δεν είναι γνωστό. Επίσης, αποκλείεται η ύπαρξη σφάλµατος στους υπολογισµούς µας λόγω αλλαγής της φασµατικής υπογραφής των καµένων εκτάσεων διότι ο χρόνος που µεσολάβησε από την εκδήλωση της φωτιάς Ιούλιος 1998 έως την σάρωση της περιοχής από τον δορυφόρο είναι πολύ µικρός (Αύγουστος 1998). Το συµπέρασµα από τη χρήση της τηλεπισκόπισης για την εκτίµηση της καµένης βλάστησης στις νοτιοανατολικές πλαγιές της Πεντέλης είναι πρώτον όλοι οι δείκτες έδωσαν παρόµοια αποτελέσµατα και δεύτερον ότι η 50% απόκλιση που βρέθηκε στον υπολογισµό του εµβαδού των καµένων του 1998 µεταξύ των δύο µεθόδων, οφείλεται στην υπερεκτίµηση που γίνεται στην τοποθέτηση της οριογραµµής µε την επίγεια µέθοδο. Επίσης, συµπεραίνεται ότι η ψηφιακή µέθοδος υπερέχει της επίγειας σε χρόνο αφού η απόκτηση της εικόνας µετά την πυρκαγιά, η διόρθωσή της µε ψηφιακό µοντέλο εδάφους και η χαρτογράφηση της καµένης περιοχής µπορεί να γίνει σε διάστηµα µικρότερο από ένα µήνα. Ευχαριστίες Θα θέλαµε να εκφράσουµε τις θερµές ευχαριστίες µας στο ασάρχη Πεντέλης κ. Αναστάσιο Καζάση για τους χάρτες καµµένων εκτάσεων, στο ασολόγο κ. Ηλία Καπράλο και τον κ. Γιάννη Σαραφίδη, οι οποίοι συνέβαλαν στην ολοκλήρωση της εργασίας αυτής, και στη Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού για την χορήγηση υψοµετρικών καµπυλών σε διαφάνεια. Ακόµα ευχαριστούµε τον κ. Γιάννη Κοµπόπουλο, ιευθύνοντα Σύµβουλο της IIS S.A. για την άδεια δηµοσίευσής της. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 13
Use of vegetation indices for the temporal mapping of the burnt area in the Pendeli mountain area, East Attica Ε. Nikolaou, A. Ganas, E. Athanasiou, A. Retalis Abstract This paper presents the results of a remote sensing mapping methodology of the burned area following the large forest fires on the Pendeli Mountain, NE Attica. We used three (3) Landsat 5 Thematic Mapper, post-fire season sub-scenes (August 1994, August 1996 and August 1998 (Fig. 1); pixel size 30 m). All EO data were corrected by use of a Digital Elevation Model (Figure 2; digitised from a 1:50,000 scale map, 20m grid size) and were projected to the Greek National Projection System (EGSA 87). The images were processed by use of the EASI PACE v6.2.2 software on a Silicon Graphics platform (using IRIX 6.5). Due to different TM swaths over the years we focused our study in the region between Nea Makri to the north and Pikermi to the South (i.e. the South Southeast part of Pendeli). The burned forest area was estimated by the following methodology: a) calculation of the Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) of the near-infrared/red bands of TM from radiometrically corrected images (Figures 5, 6 and 7), b) calculation of the Soil Adjusted Vegetation Index from radiometrically corrected image of 1998 (Figure 9) c) calculation of the Green Vegetation Index of the digital numbers of 1998 image (Figure 10). Our results include quantitative estimates of the burned area in the study area (in stremmas, 0.1 ha). In August 1998 burned areas were estimated at 18997 stremmas from NDVI (Fig. 7), 18975 from SAVI and 21790 from GVI, whilst mapping of those areas that suffered repeated burning over the years amounted to 4,213 stremmas (Fig. 8). We note that all indices reported similar results. Our results are also compared digitally against the Forestry Service estimates obtained using traditional methods (photointerpretation and field mapping). Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 14
Βιβλιογραφία Chuviego, E. and R.G. Congalton, 1988, Mapping and inventory of forest fires from digital processing of TM data, Geocarto International, 3, 41-53. Crist, E.P., R. Laurin, and R.C. Cicone, 1986, Vegetation and soils information contained in transformed thematic mapper data. In Proceedings of the 1986 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Zurich, 8-11 September 1986 (New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers), Vol.2, pp. 1465-1470. Καϊλίδης, 1990, ασικές Πυρκαγιές, Θεσσαλονίκη, Γιαχούδη Γιαπούλη. Kritikos G.A., A. Charalambides, M. Karteris, and M. Schroeder 1993, Assessment of Forest Fire Damages in Attica using Remote Sensing and GIS Techniques, Int. Workshop, Satellite technology and GIS for Mediterranean forest mapping and fire management, proceedings, Thessaloniki, 4-6 November, 221-233. Lillesand T.M, and R.W. Kiefer, 1994, Remote Sensing and Image Interpretation, John Willey & Sons Inc. Mather, P. M., 1987, Computer Processing of Remotely - Sensed Images. Biddles Ltd, Guildford and King s Lynn, Gr. Britain. Martin, M. P. and E. Chuvieco, 1993, Mapping and evaluation of burned land from multitemporal analysis of AVHRR NDVI images, Int. Workshop, Satellite technology and GIS for Mediterranean forest mapping and fire management, proceedings, Thessaloniki, 4-6 November, 71-83. Richardson, A., and J. Everitt, 1992, Using spectral vegetation indices to estimate rangeland productivity, Geocarto International, 1:63-77. PCI Software (volumes 1 & 2), 1997. Version 6.2 Manual, PCI Richmond Hill, Ontario, Canada, 541 pages. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 15
Εικόνα 1. Ψευδοέγχρωµη δορυφορική εικόνα Landsat TM της 20ης Αυγούστου 1998 (Συνδυασµός καναλιών 741 στο RGB). Εδώ φαίνεται µε κόκκινο όλη η καµένη έκταση του 1998 στο όρος Πεντέλη. Η περιοχή µελέτης περικλείεται στο µαύρο πλαίσιο. Οι συντεταγµένες είναι στο σύστηµα ΕΓΣΑ 1987. IIS SA, 1999. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 16
Εικόνα 2. Ψηφιακό µοντέλο εδάφους της περιοχής µελέτης (βλέπε µαύρο πλαίσιο στην Εικόνα 1). Χρησιµοποιήθηκε για την ορθοδιόρθωση των εικόνων. Οι συντεταγµένες είναι στο σύστηµα ΕΓΣΑ 1987. IIS SA, 1999. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 17
Εικόνα 3. Φασµατική τοµή ΤΜ 431 σε διεύθυνση Ανατολή ύση. Στο Αριστερό µέρος απεικονίζεται το παράθυρο του λογισµικού ImageWorks του EASI PACE v6.2.2. που περιλαµβάνει τµήµα της εικόνας ΤΜ Αυγούστου 1998 στο ναδίρ. Στο δεξιό µέρος φαίνεται η διακύµανση των τιµών ακτινοβολίας στα κανάλια 4 (πράσινο) και 3 (ανοιχτό καφέ) συναρτήσει της απόστασης (σε µέτρα). ιακρίνονται δύο όρια: στα 2000 µέτρα οι τιµές αυξάνονται απότοµα κατά 50%, ενώ στα 4000 µέτρα οι δύο τιµές αρχίζουν να διαφέρουν. Το πρώτο όριο οφείλεται στην επίδραση του προσανατολισµού των κλίσεων (aspect), το δε δεύτερο στην ύπαρξη υγιούς βλαστήσεως. Παρατηρήστε ότι ο υπολογισµός του δείκτη βλαστήσεως κατά µήκος αυτής της τοµής ειναι ανεξάρτητος της τοπογραφίας. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 18
Εικόνα 4. Τρισδιάστατη απεικόνιση του όρους Πεντέλη από ύψος 300 m βλέποντας το Βορρά. Η εικόνα ΤΜ έχει επιτεθεί στο Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους της ίδιας περιοχής και η οπτική σύνθεση έχει παραχθεί µε τη χρήση του προγράµµατος Image Perspective στο XPACE v6.2.2. IIS SA, 1999. Γεωτεχνικά Επιστηµονικά Θέµατα, τόµος 11 (2), αριθµός 3/2000, σελίδες 258-271. 19
Eξαγωγή NDVI στην περιοχή µελέτης στην Πεντέλη από εικόνες Landsat 5 ΤΜ Εικόνα 5. 20-8-1994. Το πράσινο χρώµα δείχνει την υγιή βλάστηση και τις αστικές περιοχές. Το κόκκινο δείχνει την τιµή 4 του δείκτη. IIS S.A. 1999. Εικόνα 6. 14-8-1996. Το κόκκινο χρώµα δείχνει την καµένη έκταση από την πυρκαγιά του 1995. IIS S.A. 1999. Εικόνα 7. 25-8-1998. Το κόκκινο χρώµα δείχνει την καµένη έκταση από την πυρκαγιά του 1998. IIS S.A. 1999. 21
Eξαγωγή NDVI στην περιοχή µελέτης στην Πεντέλη από εικόνες Landsat 5 ΤΜ Σχήµα 2. Το ιστόγραµµα παρουσιάζει την συχνότητα κατανοµής των εικονοστοιχείων ανά κατηγορία βλάστησης το 1994. Σχήµα 3. Το ιστόγραµµα παρουσιάζει την συχνότητα κατανοµής των εικονοστοιχείων ανά κατηγορία βλάστησης τo 1996. Σχήµα 4. Το ιστόγραµµα παρουσιάζει την συχνότητα κατανοµής των εικονοστοιχείων ανά κατηγορία βλάστησης to 1998. 22
Εικόνα 8. Οι περιοχές των διπλοκαµένων στις οποίες απεικονίζονται οι εκτάσεις που κάηκαν και στις δύο πυρκαγιές του 1995 και 1998 µε κόκκινο χρώµα. IIS S.A. 1999 Εικόνα 9. Το κόκκινο χρώµα δείχνει την καµένη έκταση από την πυρκαγιά του 1998, όπως εκτιµάται µε την εξαγωγή του δείκτη SAVI. IIS S.A. 1999. Σχήµα 5. Το ιστόγραµµα παρουσιάζει την συχνότητα κατανοµής των εικονοστοιχείων ανά κατηγορία βλάστησης τo 1998 και τα στατιστικά δεδοµένα της εικόνας 9. 23
Εικόνα 10. Το κόκκινο χρώµα δείχνει την καµένη έκταση από την πυρκαγιά του 1998, όπως εκτιµάται µε την εξαγωγή του δείκτη GVI. IIS S.A. 1999. Σχήµα 6. Το ιστόγραµµα παρουσιάζει την συχνότητα κατανοµής των εικονοστοιχείων ανά κατηγορία βλάστησης τo 1998 και τα στατιστικά δεδοµένα της εικόνας 10. Εικόνα 11. Σύγκριση της οριοθέτησης των καµένων του 1998 στην περιοχή µελέτης, µεταξύ της χαρτογράφησης µε την ψηφιακή µέθοδο εξαγωγής NDVI και της επίγειας µεθόδου (οριογραµµή ασαρχείου). 24
Εικόνα 12. Σύγκριση της οριοθέτησης των καµένων του 1998 στην περιοχή µελέτης, µεταξύ της χαρτογράφησης µε την ψηφιακή µέθοδο εξαγωγής SAVI και της επίγειας µεθόδου (οριογραµµή ασαρχείου). 25
Σχήµα 7. Το ραβδόγραµµα δείχνει την έκταση που καταλαµβάνει κάθε κατηγορία βλάστησης τα έτη 1994, 1996 και 1998. Η κατηγορία 3 και 4 απεικονίζει την καµένη βλάστηση. Παρατηρείστε την αντιστροφή των στηλών στις κατηγορίες 4 και 6 τα έτη 1994 και 1998. Έκταση ανά κατηγορία βλάστησης 30000 Έκταση (στρ.) 25000 20000 15000 10000 5000 1994 1996 1998 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Κατηγορία βλάστησης Σχήµα 8. είχνεται το θεµατικό σφάλµα παράλειψης (υποεκτίµησης). Αν η πραγµατική καµένη βλάστηση καταλαµβάνει 10% του γειτονικού εικονοστοιχείου υγιής βλάστησης τότε η καµένη έκταση θα ήταν 900τ.µ. + 10% * 900τ.µ.= 990 τ.µ. 30 µέτρα 30 µέτρα Υγιής βλάστηση Καµένη βλάστηση NDVI = 4 Όριο NDVI Πραγµατικό όριο καµένης βλάστησης NDVI = 5 26
Πίνακας Ι. είχνονται οι συντεταγµένες των επίγειων σηµείων ελέγχου που χρησιµοποιήθηκαν για την ορθοδιόρθωση της εικόνας του 1998. Α ιεύθυνση Pixel ιεύθυνση Line Γεωγραφικό µήκος Γεωγραφικό πλάτος 1 187.625000000 896.875000000 481784.000000000 4209179.000000000 2 178.875000000 926.625000000 481356.321420000 4208303.531900000 3 201.062500000 948.812500000 481892.668290000 4207574.326000000 4 344.437500000 952.437500000 486128.324560000 4206751.849600000 5 250.437500000 533.937500000 485498.699980000 4219515.072300000 6 213.437500000 426.187500000 485004.000000000 4222930.000000000 8 381.625000000 954.125000000 487207.378140000 4206482.637000000 10 201.375000000 624.375000000 483582.266910000 4217109.116800000 11 428.812500000 535.312500000 490781.610610000 4218586.606600000 12 308.484375000 822.453125000 485770.053340000 4210728.565400000 13 680.406250000 904.531250000 496246.836770000 4206429.642300000 15 733.468750000 854.531250000 498072.112070000 4207623.081000000 16 623.562500000 437.937500000 496988.000000000 4220413.000000000 17 541.562500000 143.312500000 496164.000000000 4229537.000000000 18 255.812500000 305.437500000 486830.000000000 4226234.000000000 19 265.437500000 208.437500000 487625.007910000 4229066.821400000 21 449.687500000 547.562500000 491341.276900000 4218111.774900000 22 513.531250000 738.468750000 492221.055360000 4212136.102300000 25 704.812500000 644.937500000 498279.866980000 4213908.242200000 27 490.875000000 266.875000000 493989.092060000 4226143.638500000 RMS X = 0.66 pixel RMS Y= 0.67 pixel Πίνακας ΙΙ. Τα αποτελέσµατα της εκτίµησης της καµένης έκτασης στην περιοχή µελέτης για κάθε µέθοδο. Μέθοδος εκτίµησης καµένων Έκταση (στρ.) NDVI Landsat TM 18997 SAVI Landsat TM 18975 GVI Landsat TM 21790 Επίγεια µέθοδος 30829 27
Πίνακας III. Επίγεια σηµεία ελέγχου για τη γεωαναφορά του χάρτη από το ασαρχείο Πεντέλης. A ιεύθυνση Pixel ιεύθυνση Line Γεωγραφικό µήκος Γεωγραφικό πλάτος 1 4249.375000000 3361.375000000 495000.000000000 4215000.000000000 2 4253.375000000 959.875000000 495000.000000000 4220000.000000000 3 1915.125000000 951.625000000 490000.000000000 4220000.000000000 4 1901.125000000 3352.875000000 490000.000000000 4215000.000000000 5 4244.125000000 5741.375000000 495000.000000000 4210000.000000000 6 1889.062500000 5732.687500000 490000.000000000 4210000.000000000 7 1882.937500000 6684.312500000 490000.000000000 4208000.000000000 8 6124.125000000 7652.125000000 499000.000000000 4206000.000000000 9 464.812500000 7628.187500000 487000.000000000 4206000.000000000 10 4713.625000000 6697.875000000 496000.000000000 4208000.000000000 11 1437.625000000 2391.875000000 489000.000000000 4217000.000000000 12 5187.375000000 1931.375000000 497000.000000000 4218000.000000000 13 4718.125000000 2883.125000000 496000.000000000 4216000.000000000 15 3779.187500000 4310.687500000 494000.000000000 4213000.000000000 Πίνακας IV. Στατιστικά στοιχεία των δεικτών βλάστησης. Αριθµός είγµατος 78400. Κατώτερη τιµή 0 - Ανώτερη τιµή 9. είκτες Βλάστησης Μέση Τιµή ιάµεσος Τυπική Απόκλιση NDVI 94 6,58 7,00 1,64 NDVI 96 5,60 5,00 1,57 NDVI 98 5,50 5,00 1,72 SAVI 98 5,48 5,00 1,72 GVI 98 3,73 3,00 2,11 28