Land cover and crop type mapping at national scale from multitemporal high resolution satellite data
Authors: Καρακίζη Χριστίνα 
Published: June 2022

Η τακτική παραγωγή αξιόπιστων χαρτών κάλυψης γης και καλλιεργειών θεωρείται ιδιαίτερης σημασίας για πληθώρα επιστημονικών κοινοτήτων αλλά και για δημόσιους και ιδιωτικούς φορείς, με στόχο την υποστήριξη των δράσεων για τη μελέτη της κλιματικής αλλαγής, την αντιμετώπιση των επισιτιστικών κρίσεων, τη λήψη αποφάσεων, τη χάραξη περιβαλλοντικών στρατηγικών, τον αειφόρο σχεδιασμό και την ορθή διαχείριση των φυσικών πόρων. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση προσφέρει τη δυνατότητα για παρακολούθηση της γης σε πολλαπλές χρονικές και χωρικές κλίμακες ενώ την τελευταία δεκαετία οι πολιτικές ανοιχτής διάθεσης δορυφορικών δεδομένων έχουν δώσει τη δυνατότητα ελεύθερης πρόσβασης σε έναν τεράστιο όγκο δεδομένων υψηλής χωρικής, χρονικής και φασματικής ανάλυσης. Για να αξιοποιηθεί αυτός ο τεράστιος όγκος δεδομένων προς την παραγωγή αναλυτικών και αξιόπιστων χαρτών, απαιτούνται αποτελεσματικά και κατά το δυνατόν αυτόματα μεθοδολογικά πλαίσια προ-επεξεργασίας, ταξινόμησης και χαρτογράφησης. Προς την κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται και αναλύεται διεξοδικά το αντικείμενο της χαρτογράφησης καλύψεων γης και τύπων καλλιεργειών με χρήση διαχρονικών πολυφασματικών δορυφορικών δεδομένων υψηλής χωρικής ανάλυσης. Η βασική συνεισφορά της διατριβής συνοψίζεται στη σχεδίαση, ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση ενός μεθοδολογικού πλαισίου για την παραγωγή αξιόπιστων χαρτών κάλυψης γης και καλλιεργειών με υψηλή θεματική και χωρική ανάλυση σε επίπεδο χώρας, για την Ελλάδα. Για το σκοπό αυτό αξιοποιήθηκαν τα ελεύθερα διαθέσιμα πολυφασματικά δορυφορικά δεδομένα Sentinel-2. Η προ-επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων αποτελεί το πρώτο στάδιο της προτεινόμενης μεθοδολογίας και συνίσταται σε μια μεθοδολογική διαδικασία για την παραγωγή ραδιομετρικά, γεωμετρικά και χρονικά συνεκτικών πολυφασματικών χρονοσειρών δορυφορικών εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης για εκτεταμένες γεωγραφικά περιοχές. Παράλληλα μελετήθηκε η συνεισφορά διαφορετικών τεχνικών και μεθόδων προ-επεξεργασίας στην τελική ακρίβεια χαρτογράφησης. Στο δεύτερο στάδιο της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναπτύσσεται ένα πλαίσιο ταξινόμησης και χαρτογράφησης με βασικά δεδομένα εισόδου τις εναρμονισμένες χρονοσειρές εικόνων που προέκυψαν από το πρώτο στάδιο. Ποικίλες πτυχές του πλαισίου ταξινόμησης και χαρτογράφησης, δηλ. διαφορετικοί αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης, χαρακτηριστικά ταξινόμησης, προσεγγίσεις χωρικής διαστρωμάτωσης και αποτίμησης της ακρίβειας, εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν πειραματικά για την οριστικοποίηση του προτεινόμενου σχήματος. Το τελικό προτεινόμενο σχήμα αξιοποιεί τον ταξινομητή Τυχαίων Δασών με επιλεγμένα φασματικά και βοηθητικά χαρακτηριστικά ταξινόμησης, σε συνδυασμό με ένα εξαιρετικά αξιόπιστο σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης, που δημιουργήθηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής για 42 κατηγορίες, ειδικά σχεδιασμένες για το ελληνικό τοπίο. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας παρήγαγε ένα χάρτη σε χωρική ανάλυση 10 μέτρων που αποτυπώνει τις επίγειες και παράκτιες εκτάσεις όλης της Ελληνικής Επικράτειας για το έτος 2019, σε θεματική ανάλυση 42 κατηγοριών, συμπεριλαμβανομένων 25 διαφορετικών τύπων καλλιεργειών. Ο παραγόμενος χάρτης αξιολογήθηκε από μια ανεξάρτητη αυστηρή διαδικασία εκτίμησης της ακρίβειας που αποτίμησε τα επίπεδα συνολικής ακρίβειας και μέσης αξιοπιστίας στο 82%. Σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε δεν υπάρχει άλλος χάρτης που αποτυπώνει την Ελλάδα σε αντίστοιχα επίπεδα θεματικής και χωρικής ανάλυσης, με τόσο υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία. Συνολικά, η συνδυαστική ανάλυση των αποτελεσμάτων με τη σχετική βιβλιογραφία, η ενδελεχής αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και η ανάπτυξη προτάσεων προς την επέκταση της, γεννά υψηλές προσδοκίες για τη δημιουργία ενός επιχειρησιακού πλαισίου παραγωγής αξιόπιστων χαρτών σε υψηλή χωρική και θεματική ανάλυση για όλη τη χώρα, σε τακτικά χρονικά διαστήματα.