Του Γιώργου Ηλιόπουλου Οι ακριβείς και αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με τις αλλαγές στην κάλυψη γης σε αστικές και παράκτιες περιοχές είναι απαραίτητες για την αποτελεσματική διαχείριση της αστικής γης, την παρακολούθηση των οικοσυστημάτων και τον πολεοδομικό σχεδιασμό. Οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης έχουν αλλάξει ριζικά την ικανότητά μας να συλλέγουμε πληροφορίες σχετικά με την επιφάνεια της Γης, επιτρέποντας την παρακολούθηση και την ταξινόμηση της κάλυψης γης και της χρήσης γης σε μια ποικιλία σεναρίων. Στο παρόν άρθρο δίνονται πληροφορίες σχετικά με τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών σε επίπεδο εικονοστοιχείου (pixel), αξιοποιώντας αεροφωτογραφίες της Βασιλικής Πολεμικής Αεροπορίας (RAF) του 1945 και πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες WorldView-2 πολύ υψηλής ανάλυσης (VHR) του 2011 από την ευρύτερη περιοχή της Πάτρας. Η προσοχή μας επικεντρώνεται κυρίως στις αλλαγές στην ακτογραμμή από την πόλη της Πάτρας προς τη βορειοανατολική κατεύθυνση και τους δύο ποταμούς Χάραδρο και Σέλεμνο. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει βήματα προεπεξεργασίας όπως προσαρμογή εικόνων, αποθορυβοποίηση και προσαρμογές ανάλυσης για να καταστεί εφικτή τόσο η διαδικασία ανίχνευσης αλλαγών στις παράκτιες περιοχές όσο και στην κοίτη των ποταμών. Για να προσδιορίσουμε τις διαφορές στην ακτογραμμή μεταξύ 1945 και 2011, πραγματοποιούμε «αφαίρεση» της εικόνα του 1945 από την εικόνα του 2011. Για την ανίχνευση αλλαγών στην κοίτη των ποταμών εφαρμόστηκε η εξαγωγή χαρακτηριστικών χρησιμοποιώντας τον Πίνακα Συνεμφάνισης Τιμών Εικονοστοιχείου (Co-occurrence matrix). Χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο ταξινόμησης SVM (Μηχανή υποστήριξης διανυσμάτων) για να διακρίνει τα pixel ποταμών. Η επιτυχία στην αναγνώριση αλλαγών στις κοίτες των ποταμών ξεπέρασε σε ακρίβεια το 92%. Παρουσιάζεται οπτικοποίηση των ανιχνευόμενων αλλαγών. Περιοχή Μελέτης, Υλικό, Προσαρμογή Εικόνων Η τοποθεσία της περιοχής μελέτης απεικονίζεται στην Εικόνα 1. Αυτή η περιοχή περιλαμβάνει διάφορους τύπους κάλυψης γης. Ωστόσο, η ανάλυσή μας επικεντρώνεται στην δυαδική ταξινόμηση δύο κατηγοριών: θαλάσσια ή μη θαλάσσια και ποτάμια ή μη ποτάμια. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, χρησιμοποιήθηκαν η παγχρωματική ζώνη του δορυφόρου WorldView-2 με ανάλυση 0,4 m. και μια αεροφωτογραφία αρχείου από τη Βασιλική Πολεμική Αεροπορία (RAF) (Εικόνα 2). Δεδομένου ότι αυτές οι δύο πηγές δεδομένων δεν μοιράζονται την ίδια ανάλυση, ήταν απαραίτητος ένας μετασχηματισμός για τη διόρθωση πιθανών παραμορφώσεων με προσαρμογή, περιστροφή και κλιμάκωση. Αυτό το βήμα διασφαλίζει ότι τα εικονοστοιχεία από τις εικόνες του δορυφόρου θα αντιστοιχηθούν με ακρίβεια στα αντίστοιχα εικονοστοιχεία στην αεροφωτογραφία. Διάβρωση ακτής Ο πρωταρχικός στόχος είναι η ανίχνευση αλλαγών στην ακτογραμμή με την πάροδο του χρόνου. Για να το πετύχουμε αυτό, πραγματοποιήσαμε μια σειρά από βήματα προεπεξεργασίας σε συνδυασμό με τον υπολογισμό του δείκτη κανονικοποιημένης διαφοράς νερού (NDWI) για τα δεδομένα WorldView-2, δημιουργώντας τελικά δύο δυαδικούς χάρτες που αντιπροσωπεύουν θαλάσσιες και μη θαλάσσιες περιοχές από τα δύο σύνολα δεδομένων. Οι αλλαγές εντοπίστηκαν στη συνέχεια αφαιρώντας τον έναν δυαδικό χάρτη από τον άλλο. Τέλος, τα αποτελέσματα απεικονίστηκαν χρησιμοποιώντας έναν χρωματικό χάρτη για να βελτιωθεί η ερμηνεία και να παρασχεθεί μια σαφέστερη κατανόηση των ανιχνευμένων αλλαγών. Σύγκριση Ακτών – Αποτελέσματα Για να αξιολογήσουμε τις αλλαγές στην ακτογραμμή, εστιάσαμε σε ορισμένες περιοχές στις οποίες έχουν συμβεί σημαντικές τροποποιήσεις με την πάροδο του χρόνου. Αρχικά, εξετάσαμε τις αλλαγές στο έδαφος που έχουν προκύψει από το 1945, συμπεριλαμβανομένων των παράκτιων επεκτάσεων που επηρεάστηκαν από φυσικές διεργασίες και ανθρώπινες παρεμβάσεις, όπως η κατασκευή των κυματοθραυστών στα λιμάνια της Πάτρας και η Γέφυρα Ρίου-Αντιρρίου. Η συνολική έκταση αυτών των νεοσχηματισμένων περιοχών ποσοτικοποιείται προσδιορίζοντας τον αριθμό των pixel στην εικόνα που αντιπροσωπεύει τις πρόσφατες περιοχές (κόκκινο χρώμα). Η συνολική νέα επιφάνεια που έχει δημιουργηθεί αντιστοιχεί σε πλήθος εικονοστοιχείων 3,271,929, που με ανάλυση: 0.4 m x 0.4 m = 0.16 m² ανά εικονοστοιχείο δίνει υπολογισμένη επιφάνεια 523 στρέμματα. Μια άλλη περιοχή που επιλέξαμε για περαιτέρω διερεύνηση και αποτελεί πόλο έλξης για τους κατοίκους, ειδικά κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, είναι η Πλαζ της Πάτρας. Πραγματοποιήθηκε ακριβής σύγκριση της μεθοδολογίας μας με το Google Earth Pro για αυτή την αστική παράκτια περιοχή (Εικόνα 5). Το πλήθος των εικονοστοιχείων που έχουν προστεθεί στην ξηρά (κόκκινη περιοχή) είναι 162.473 εικονοστοιχεία που με ανάλυση 0,4 m x 0,4 m = 0,16 m² ανά εικονοστοιχείο δίνει υπολογιζόμενη νέα επιφάνεια 26 στρεμμάτων. Μια άλλη περιοχή συνδέεται άμεσα με τις εκβολές των ποταμών και επηρεάζει δραστικά την ακτογραμμή. Σε αυτήν την περιοχή ο ποταμός Χάραδρος έχει απορρίψει ένα τεράστιο φορτίο άμμου, βράχων και άλλων υπολειμμάτων με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας μικρής παραλίας προς τη θάλασσα. Η νέα αυτή περιοχή που έχει δημιουργηθεί αντιστοιχεί σε 117.184 εικονοστοιχεία τα οποία με ανάλυση 0,4 m x 0,4 m = 0,16 m² ανά εικονοστοιχείο δίνουν συνολική επιφάνεια 19 περίπου στρεμμάτων. Τέλος, υπάρχουν πολλές περιοχές που υπήρχαν το 1945 αλλά έκτοτε έχουν διαβρωθεί ή βυθιστεί, με έμφαση στην υποχώρηση των ακτών από ανθρώπινες ή φυσικές παρεμβάσεις. Οι περιοχές αυτές που παρουσιάζονται με χρώμα μπλε στην Εικόνα 4, αντιστοιχούν σε συνολική επιφάνεια 137 στρεμμάτων. Χάραδρος και Σέλεμνος: Η Πάτρα μέσα από τις εικόνες του χρόνου Έγινε επίσης ανάλυση των αλλαγών στην κοίτη των δύο ποταμών Χάραδρου και Σέλεμνου. Στην παλιά φωτογραφία αρχείου του 1945 πραγματοποιήσαμε μια προσαρμοστική ισοστάθμιση ιστογράμματος για να επιτύχουμε καλύτερη αντίθεση επειδή έχει ξεθωριάσει με την πάροδο του χρόνου. Για την ανάλυση των αλλαγών στην κοίτη των ποταμών Χάραδρος και Σέλεμνος, χρησιμοποιήσαμε έναν συνδυασμό τεχνικών εξαγωγής και ταξινόμησης χαρακτηριστικών στις Εικόνες 7(α) και 7(β). Εξήχθησαν χαρακτηριστικά υφής χρησιμοποιώντας την προσέγγιση του Πίνακα Συνεμφάνισης Τιμών Εικονοστοιχείου (Co-occurrence matrix). Από αυτόν τον πίνακα προσδιορίσαμε την αντίθεση ως μέτρο που ποσοτικοποιεί τη διακύμανση της έντασης μεταξύ διαφορετικών εικονοστοιχείων. Μια υψηλή τιμή αντίθεσης υποδηλώνει σημαντική διακύμανση της έντασης, ενώ μια χαμηλή τιμή υποδηλώνει ελάχιστη διακύμανση. Περιοχές ενδιαφέροντος οι οποίες άλλαξαν δραστικά με τα χρόνια. Τα Δέλτα του Χάραδρου και του Σέλεμνου εμφανίζονται στα πάνω παραλληλόγραμμα ενώ τα κύρια σώματα των ποταμών στα κάτω. Οι περιοχές ενδιαφέροντος επιλέχθηκαν χειροκίνητα για να δημιουργηθεί ένα σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης. Συγκεκριμένα, 15000 εικονοστοιχεία από περιοχές ποταμών και μη ποταμών στην παλιά εικόνα και 5400 εικονοστοιχεία από τη νέα εικόνα επιλέχθηκαν για την εκπαίδευση ενός μοντέλου SVM. Μετά την εκπαίδευση, οι χάρτες χαρακτηριστικών ολόκληρης της εικόνας αναδιαμορφώθηκαν σε διανυσματική μορφή, επιτρέποντας στο εκπαιδευμένο μοντέλο ταξινόμησης SVM να προβλέψει κάθε εικονοστοιχείο είτε ως ποτάμι (1) είτε ως μη ποτάμι (0). Στη συνέχεια αυτές οι προβλέψεις αναδιαμορφώθηκαν ξανά στις αρχικές διαστάσεις της εικόνας, με αποτέλεσμα έναν χάρτη ταξινόμησης... Read More
