9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι ακουστικη χαρτογραφηση ΛΕΙΜΩΜΩΝ posidonia OCEANICA με ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ αυτοματησ ταξινομησησ εικονασ TextureAn: εφαρμογη στουσ κολπουσ λαγανα και αλυκων (ν. ζακυνθου) Φακίρης Η. 1, Παπαθεοδώρου Γ. 1, Γεραγά Μ. 1, Πατσουράκης Μ. 1, Φερεντίνος Γ. 1, Κυπαρίσσης Σ. 2, Καπαρελιώτης Α. 3, Ράμφος Α. 4, Τρυφωνόπουλος Γ. 2, Κορνάρος Μ. 5, Ραλλάτος Δ. 6 1 Τμήμα Γεωλογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, fakiris@upatras.gr, gpapathe@upatras.gr 2 Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, 3 Διεύθυνση Αλιείας Πρέβεζα, 4 Τμήμα Υδατοκαλλιεργειών & Αλλιευτικής Διαχείρισης, ΤΕΙ Μεσολογγίου 5 Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών 6 Νομαρχία Ζακύνθου Περίληψη Στην παρούσα εργασία η συνδυαστική εφαρμογή ακουστικών μεθόδων (ηχοβολιστής πλευρικής σάρωσης) και αυτόματης ταξινόμησης εικόνας με χρήση του λογισμικού TextureAn οδήγησε στην κατασκευή χαρτών κατανομής λειμώνων του είδους Posidonia oceanica στους κόλπους Λαγανά και Αλυκών (Ζάκυνθος). Στα πλαίσια της προτεινόμενης μεθοδολογίας τα ακουστικά μωσαϊκά που προέκυψαν από την ηχοβολιστική έρευνα ταξινομήθηκαν αυτόματα σε περιοχές με ιδιαίτερα στοιχεία ανακλαστικότητας και ιστού. H αξιοπιστία των χαρτών επιβεβαιώθηκε με στοχευμένες οπτικές παρατηρήσεις του πυθμένα σε επιλεγμένες θέσεις. Οι λειμώνες του P. oceanica του κόλπου του Λαγανά δεν έχουν υποβαθμιστεί από τις ανθρώπινες δραστηριότητες στοιχείο που αναδεικνύει το ρόλο του Θαλάσσιου Πάρκου Ζακύνθου. Το αντίθετο συμβαίνει στον κόλπο των Αλυκών, όπου οι λειμώνες P. oceanica έχουν υποστεί σημαντικές βλάβες λόγω αλιευτικών δραστηριοτήτων ή/και αγκυροβολήσεων. Λέξεις κλειδιά: ηχοβολιστής πλευρικής σάρωσης, ταξινόμηση εικόνας, Ποσειδώνια, κόλπος Λαγανά, Ζάκυνθος. MAPPING of P. oceanica meadows using SIDE-SCAN SONAR and SEAFLOOR classification system (TextureAn): CASE STUDIES OF Laganas and Alikes BAYS (Zakinthos Island, Greece) Fakiris E. 1, Papatheodorou G. 1,Geraga M. 1, Patsourakis M. 1, Ferentinos G. 1, Kiparisis S. 2, Kapareliotis A. 3, Ramfos A. 4, Trifonopoulos G. 2, Kornaros M. 5, Rallatos D. 6 1 Geology Department., University of Patras 2 Laboratory of Zoology, Dept. of Biology, University of Patras 3 Fishery Management Dept., Preveza 4 Technological & Educational Institute of Messologhi, Departmentof Aquaculture & Fisherie, 5 Chemical Engineering Dptm, Univeristy of Patras 6 Municipality of Zakinthos Abstract In this study side-scan sonar imaging together with a seafloor classification system (TextureAn) were used to produce maps of the Posidonia oceanica distribution for the Laganas and Alikes bays (Zakinthos Island, Greece). Based on the proposed methodological scheme the sea-floor sonar mosaics have been classified into regions of distinct echo-types using the TextureAn software. A validation data set of sixteen ground-truthing locations was used to prove the successful classification of the seafloor. The analysis of the seafloor classification data does not show any evidence of trawling activities and/or anchoring within the P. oceanica meadows of the Lagana bay. On contrary, in Alikes Bay the classification data shows that a significant part (8%) of P. oceanica meadows have been damaged by fishing and recreation activities. Keywords: side scan sonar, image classification, Posidonia oceanica, Laganas bay, Zakinthos. -128-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι 1. Εισαγωγή Η μελέτη των θαλάσσιων βιοκοινωνιών απασχολεί έντονα τις κοινότητες των θαλάσσιων και περιβαλλοντικών επιστημόνων τα τελευταία χρόνια. Η κατανόηση της οικολογικής τους σπουδαιότητας, σε συνδυασμό με τη μεγάλη τεχνολογική εξέλιξη των ηχοβολιστικών συστημάτων, οδήγησε σε μια προσπάθεια χαρτογράφησης των πληθυσμών αυτών ώστε να κατανοηθούν οι μηχανισμοί που ελέγχουν την χωρική εξάπλωσης τους και έτσι να λάβουν την κατάλληλη προστασία. Στο θαλάσσιο χώρο της Μεσογείου το φανερόγαμο P. oceanica δημιουργεί εξαιρετικά σημαντικούς θαλάσσιους βιότοπους, που καταλαμβάνουν το 23% (2,5-4,5 εκατ. εκτάρια) του πυθμένα σε βάθη μεταξύ 0-50 m (Pasqualini et al., 1998). Τις τελευταίες δεκαετίες η P. oceanica αποτελεί οικότοπο προτεραιότητας για την Ευρωπαϊκή Ένωση και συνεπώς μεγάλο μέρος της έρευνας έχει επικεντρωθεί στην εύρεση κατάλληλων μεθοδολογιών χαρτογράφησης του είδους, με απώτερο σκοπό την καταγραφή των μεταβολών της χωρικής κατανομής της, κυρίως λόγω ανθρώπινων παρεμβάσεων. Στην παρούσα εργασία ερευνάται η αποτελεσματικότητα ενός μεθοδολογικού σχήματος που περιλαμβάνει αυτόματη ταξινόμηση καταγραφών ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης και στοχευμένης παρατήρησης, ως προς τη δυνατότητά του να παράγει αξιόπιστους χάρτες θαλάσσιων βιοκοινωνιών (bio-habitat mapping). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε δυο περιοχές της νήσου Ζακύνθου (κόλποι Λαγανά και Αλυκών) με φυτοκάλυψη P. oceanica, οι οποίες υπόκεινται σε διαφορετικά καθεστώτα προστασίας. Η λεπτομέρεια και η αξιοπιστία των χαρτών φυτοκάλυψης που παρήχθησαν στην παρούσα εργασία, είναι σαφώς ανώτερη σε σχέση με παλαιότερους, που η δημιουργία τους στηρίχθηκε σε δορυφορικές εικόνες SPOT 5 (Pasqualini, et.al., 2004), λόγω των περιορισμένων δυνατοτήτων που παρέχει η δορυφορική τηλεπισκόπηση στην έρευνα του υποθαλάσσιου περιβάλλοντος. 2. Υλικά και Μέθοδοι 2.1 Περιοχή έρευνας Ο κόλπος του Λαγανά βρίσκεται στο νότιο τμήμα του νησιού και ο κόλπος των Αλυκών (Καταστάρι) στο βορειοανατολικό του τμήμα (Eικ. 1). Κόλπος Αλυκών Κόλπος Λαγανά Εικ. 1: Οι περιοχές έρευνας (κόλποι Λαγανά και Αλυκών, Ζακύνθου) με τις πορείες που εκτέλεσε το ερευνητικό σκάφος, τους σταθμούς καταδύσεων και τις ζώνες προστασίας. Και οι δύο κόλποι καλύπτονται στο μεγαλύτερό τους ποσοστό από το φανερόγαμο Posidonia oceanica. Ο κόλπος του Λαγανά είναι ιδιαίτερα σημαντικός καθώς παραλίες του αποτελούν θέσεις ωοτοκίας της θαλάσσιας χελώνας Caretta caretta και για τον λόγο αυτό ανήκει στο Θαλάσσιο Πάρκο Ζακύνθου και υπόκειται σε καθεστώς προστασίας, με τρεις ζώνες προστασίας και αντίστοιχες κατηγορίες περιορισμών σ αυτές των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Αντίθετα ο κόλπος των Αλυκών δε βρίσκεται υπό καθεστώς προστασίας και υφίσταται σοβαρή περιβαλλοντική πίεση από την -129-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι παράνομη χρήση συρόμενων αλιευτικών εργαλείων (μηχανότρατες με υδραετούς «πόρτες») και από τις αγκυροβολήσεις σκαφών. 2.2 εργασιεσ πεδιου οργανωση ερευνων Οι εργασίες πεδίου διακρίθηκαν σε δύο στάδια: α) στάδιο ακουστικής διασκόπησης και β) στάδιο οπτικής επιβεβαίωσης (ground truthing) με βάση τα αποτελέσματα της ακουστικής διασκόπησης και της αυτόματης ταξινόμησης. Η ακουστική διασκόπηση του πυθμένα των κόλπων Λαγανά και Αλυκών Ζακύνθου, με σκοπό την χαρτογράφηση των λέιμώνων P. oceanica, επιτεύχθηκε με τη χρήση του ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης. Για τους σκοπούς της παρούσας έρευνας εκτελέστηκαν συνολικά 170 km πορειών με το ερευνητικό σκάφος, εκ των οποίων 140 km στον κόλπο Λαγανά και 30 km στον κόλπο Αλυκών (Εικ.1). Το εύρος σάρρωσης του Η.Π.Σ. ορίστηκε στα 100 m, η επικάλυψη των σαρώσεων στα 25 m και η συχνότητα του ακουστικού παλμού στα 100kHz. Το συνολικό εμβαδόν που αποτυπώθηκε ηχοβολιστικά είναι 62 km 2 εκ των οποίων τα 55 km 2 αντιστοιχούν στον κόλπο του Λαγανά και τα 7 km 2 στον κόλπο Αλυκών. Τα ψηφιακά δεδομένα του Η.Π.Σ. υπέστησαν κατάλληλης επεξεργασίας (Χρονομεταβλητή ενίσχυση σήματος, Διόρθωση εύρους σάρωσης, Ζωνοδιαβατό φίλτρο συχνοτήτων κ.λ.π) και στη συνέχεια δημιουργήθηκαν γεωαναφερμένα μωσαϊκά με ανάλυση (resolution) 0,5 μέτρων ώστε να είναι ευδιάκριτα ακόμα και μικρής κλίμακας ιστολογικά χαρακτηριστικά του πυθμένα. Τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν για τις παραπάνω διεργασίες είναι τα: «TritonMap», «Isis Sonar» και «ArcMap». Για την οπτική παρατήρηση του πυθμένα με βάση την αυτόματη ταξινόμηση των μωσαϊκών εκτελέστηκαν στοχευμένες καταδύσεις σε 16 θέσεις. 2.3 ΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ TextureAn Για την πραγματοποίηση του σταδίου της αυτόματης ταξινόμησης του πυθμένα χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό TextureAn (Fakiris & Papatheodorou, 2007) που λειτουργεί σε περιβάλλον Matlab. Σύμφωνα με το σύστημα αυτό αρχικά οι εικόνες των μωσαϊκών χωρίζονται σε υπο-περιοχές διαστάσεων 50x50 εικονοστοιχείων (pixels), με επικάλυψη 20 εικονοστοιχείων. Για κάθε μια από αυτές τις υπο-περιοχές υπολογίζονται έξι παράμετροι που περιγράφουν τον ιστό τους (textural parameters) με τη χρήση των GLCMs (Grey Level Co-occurrence Matrices) (Haralick, et.al., R. 1973), τέσσερις στατιστικές παράμετροι πρώτου βαθμού των αποχρώσεων του γκρί (first order grey level statistics) και δυο παράμετροι που αναφέρονται στο φάσμα Fourier δυο διαστάσεων των εν λόγω υπο-περιοχών. Η ταξινόμηση των υπο-περιοχών των μωσαϊκών σε ομάδες με συγκεκριμένο ακουστικό χαρακτήρα γίνεται με την μέθοδο «natural neighbors», αφού προηγηθεί μια μέθοδος επιλογής των παραμέτρων που διαχωρίζουν καλύτερα τους διάφορους ακουστικούς τύπους. Για το στάδιο της επιλογής των καταλληλότερων παραμέτρων επιλέγεται ένας αριθμός χαρακτηριστικών υποπεριοχών (training samples) από κάθε ακουστικό τύπο του πυθμένα και γίνεται αυτόματος έλεγχος όλων των δυνατών συνδυασμών των παραμέτρων ως προς την αποτελεσματικότητά τους στον διαχωρισμό των ακουστικών τύπων σύμφωνα με τις σχετικές τους αποστάσεις στον ευκλείδειο χώρο. Τελικό προϊόν είναι ένας ταξινομικός χάρτης που διαχωρίζει τον πυθμένα σε ακουστικούς τύπους. 3. Αποτελέσματα 3.1 ΚΟΛΠΟΣ ΛΑΓΑΝΑ Το μωσαϊκό των ηχογραφιών για τον κόλπο του Λαγανά παρουσιάζεται στην Εικ. 3.1.1.α. ενώ ο ταξινομικός χάρτης που δημιουργήθηκε από την εφαρμογή του λογισμικού TextureAn στην Εικόνα 2β. Έξι ακουστικοί τύποι του πυθμένα διακρίθηκαν στον κόλπο του Λαγανά: 1. Λιβάδια ποσειδώνι- -130-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι ας, 2. Ποσειδώνια με αμμώδεις θύλακες, 3. Σποραδικές συστάδες ποσειδώνιας, 4. Αραιή ποσειδώνια, 5. Άμμος και 6. Αμμώδεις ρυτιδώσεις. Εικ. 2: α) Μωσαϊκό ηχογραφιών Η.Π.Σ. του κόλπου Λαγανά, β) Ταξινομικός χάρτης (TextureAn) ακουστικών τύπων. Λιβάδια ποσειδώνιας (St 1,4,6,11,12) Ποσειδώνια με αμμ. Θύλακες (St 2, 3) Σποραδικές συστάδες ποσειδώνιας (St8) Αραιή ποσειδώνια (St 7, 8) Άμμος (St 9, 10) Αμμώδεις ρυτιδώσεις (St13) Εικ. 3: Χαρακτηριστικές καταγραφές Η.Π.Σ για κάθε ακουστικό τύπο του πυθμένα του κόλπου του Λαγανά και οι αντίστοιχες υποβρύχιες φωτογραφίες τους από τους σταθμούς κατάδυσης (αναφέρονται σε παρένθεση). Η οπτική παρατήρηση του πυθμένα σε 16 θέσεις, επιλεγμένες με βάση την αυτόματη ταξινόμηση εικόνας, επιβεβαίωσε απόλυτα τη διάκριση και ερμηνεία των έξι ακουστικών τύπων. Μια λεπτομερής απεικόνιση κάθε ακουστικού τύπου σε συνδυασμό με την οπτική παρατήρηση, φαίνεται στην Εικόνα 3. Καμία ανθρωπογενής παρέμβαση δε διαπιστώθηκε από την ηχοβολιστική έρευνα των πεδίων P. oceanica στον κόλπο του Λαγανά. 3.2 ΚΟΛΠΟΣ ΑΛΥΚΩΝ Το μωσαϊκό των ηχογραφιών για τον κόλπο των Αλυκών παρουσιάζεται στην Εικόνα 4α. και ο ταξινομικός χάρτης που δημιουργήθηκε από την εφαρμογή του λογισμικού TextureAn στην Εικόνα 4β. Οι ακουστικοί τύποι που καθορίστηκαν στον κόλπο Αλυκών είναι: 1. Λιβάδια ποσειδώνιας, 2. Αραιή ποσειδώνια και 3. Άμμος. Η διακριτική ικανότητα του λογισμικού TextureAn περιορίζεται από το μέγεθος των επιλεγμένων υπο-περιοχών και για το λόγο αυτό πολύ περιορισμένες περιοχές (π.χ. ουλές από εργαλεία μηχανότρατας, αγκυροβολήσεις) δεν μπορούν να διακριθούν ευκρινώς. Προς αυτή την κατεύθυνση δημιουργήθηκε ένας επιπλέον ακουστικός τύπος που χαρακτηρίστηκε ως «Ανθρωπογενώς κετεστραμένη ποσειδώνια», τα όρια του οποίου καθορίστηκαν χειροκίνητα. Ο τελικός ταξινομικός χάρτης του κόλπου Αλυκών περιέχει τέσσερις ακουστικούς τύπους (Εικόνα 4β). -131-
9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 2009 - Proceedings, Volume Ι Εικ. 4: α) Μωσαϊκό ηχογραφιών Η.Π.Σ. του κόλπου Αλυκών β) ταξινομικός χάρτης (TextureAn) ακουστικών τύπων. Κατεστραμμένη ποσειδώνια λόγω αλιευτικής δραστηριότητας ή/και αγκυροβολήσεων Εικ. 5: Τυπικές καταγραφές Η.Π.Σ και φωτογραφίες κατεστραμμένης ποσειδώνιας Στην Εικόνα 5. παρουσιάζονται οι επιπτώσεις της αλιείας με μηχανότρατες και άλλα μέσα, στον πυθμένα του κόλπου των Αλυκών. Η P. oceanica έχει καταστραφεί εντελώς κατά μήκος των γραμμών σύρσης των αλιευτικών εργαλείων ή/και των αγκυροβολήσεων, ενώ επιπλέον παρατηρούνται κυκλικές περιοχές με έλλειψη P. oceanica. Οι γραμμικές περιοχές έχουν πλάτος 4 έως 40 m, ενώ οι κυκλικές έχουν διάμετρο 30 έως 40 m. Το ποσοστό της κατεστραμένης P. oceanica στην περιοχή μελέτης πλησιάζει το 8%. 4. Συμπεράσματα - Συζήτηση Η συνδυαστική εφαρμογή της ακουστικής αποτύπωσης του πυθμένα με ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης και του λογισμικού αυτόματης ταξινόμησης TextureAn οδήγησε στην κατασκευή χαρτών φυτοκάλυψης του πυθμένα με P. oceanica, των οποίων η αξιοπιστία επιβεβαιώθηκε με στοχευμένη οπτική παρατήρηση. Η σύγκριση των χαρτών φυτοκάλυψης πυθμένα που προέκυψαν από την παρούσα μέθοδο, με τους άλλους διαθέσιμους που είχαν προκύψει μέσω δορυφορικής τηλεπισκόπησης (Pasqualini et.al., 2004), αναδεικνύουν σαφώς την υπεροχή την ακουστικών συστημάτων έναντι των οπτικών (αεροφωτογραφίες δορυφορικές εικόνες) στην υποθαλάσσια έρευνα, αφού τα τελευταία: 1) είναι αξιόπιστα μόνο στα ρηχά περιβάλλοντα (<<20m), 2) δεν έχουν ικανοποιητική διακριτική ικανότητα και 3) επηρεάζονται πολύ τόσο από την διαύγεια της ατμόσφαιρας, όσο και της υδάτινης στήλης (νεφοκάλυψη θολερότητα νερού) (Zacharias I. & Fakiris E., 2003). Ταυτόχρονα, η χρήση του λογισμικού TextureAn προσέφερε ταχύτητα και αξιοπιστία στη διαδικασία ταξινόμησης των ακουστικών χαρτών, αφού η τελευταία έγινε με ντετερμινιστικό τρόπο και αποδεσμεύτηκε από πιθανώς επισφαλή υποκειμενικά κριτήρια. Στον κόλπο του Λαγανά δεν εντοπίστηκαν κατεστραμμένα λιβάδια P. Oceanica, στοιχείο που αναδεικνύει το ρόλο του Θαλάσσιου Πάρκου της -132-
9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 2009 - Πρακτικά, Τόμος Ι Ζακύνθου, ενώ στον κόλπο των Αλυκών ένα αξιοσημείωτο ποσοστό λειμώνων έχει καταστραφεί από αλιευτικές δραστηριότητες ή/και αγκυροβολήσεις σκαφών. 5. Ευχαριστίες Οι συγγραφείς ευχαριστούν ιδιαιτέρως τον Α. Κουτσοδενδρή (Γεωλόγο MSc.) για τη σημαντική βοήθειά του στις εργασίες πεδίου. Ο Γ. Τρυφονόπουλος ήταν υπεύθυνος για την εξειδικευμένη υποβρύχια φωτογράφηση. Eυχαριστίες οφείλονται στους χειριστές των σκαφών Γ. Λάππα και Κ. Κοροσίδη. Τέλος, ο κεντρικός συγγραφέας ευχαριστεί το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών (I.K.Y.). Οι έρευνες εκτελέστηκαν στα πλαίσια του προγράμματος GOW (Πραγματοποίηση Εργαλείων Διαχείρισης του Υδατικού Πλούτου και της Προστασίας του Θαλάσσιου Παράκτιου Οικοσυστήματος INTERREG IIIA Ελλάδα Ιταλία, 2000-2006). 6. Βιβλιογραφικές Αναφορές Cochrane, G. R. & Lafferty, K. D. 2001. Use of acoustic classification of sidescan sonar data for mapping benthic habitat in the Northern Channel Islands, California. Continental Shelf Research 22(5): 683-690. Fakiris E. & Papatheodorou G., 2007: Calibration of textural analysis parameters towards a valid side-scan sonar imagery classification, proceedings of the 2 nd international conference on Underwater Acoustic Measurements, Crete, p.1253 1264. Haralick, R. M., Shanmugam, K. & Dinstein, R. 1973. Textural features for image classifications. IEEE Transactions Systems, Man and Cybernetics, vol SMC-3: 610-621. Ojeda, G. Y., Gayes, P.T., Van Dolah, R.F. & Schwab, W.C., 2004, Spatially Quantitative Seafloor Habitat Mapping: Example From the Northern South Carolina Inner Continental Shelf: Estuarine Coastal and Shelf Science, v. 59, p. 399-416. Guy R. Cochrane & Kevin D. Lafferty, 2001 Use of acoustic classification of sidescan sonar data for mapping benthic habitat in the Northern Channel Islands, California. Continental Shelf Research 22, 683-690. Pasqualini, V., Pergent-Martini, C. & Pergent, G., 1999, Environmental impact along the Corsican coast (Mediterranean Sea) using image processing. Aquatic Botany, 65, 311-320. Pasqualini V. et.al., 2004, Use of SPOT 5 for mapping seagrasses: An application to Posidonia oceanica., Remote Sensing of Environment 94, 39-45. Zacharias Ι. & Fakiris Ε., 2005, Application of Landsat imagery, to verify near shore water circulation of Saronikos gulf, as resulted from numerical modeling, Appl. Num. Anal. Comp. Math. 2, No. 2, 281 290. -133-