Τηλεπισκοπικές και γεωπληροφοριακές μέθοδοι στη μελέτη περιβαλλοντικών θεμάτων
Authors: Κοταρίδης Ιωάννης 
Published: July 2022

Η επιστήμη της τηλεπισκόπησης αποτελεί σημαντικό «εργαλείο» για τη διερεύνηση των διαφόρων πεδίων των επιστημών της γης και του περιβάλλοντος, προσφέροντας τη δυνατότητα μελέτης εκτεταμένων εκτάσεων με οικονομικά αποδοτικό τρόπο, ενώ ταυτόχρονα καταγράφονται πολύτιμες πληροφορίες για την επιφάνεια τη γης. Η ενσωμάτωση των τηλεπισκοπικών δεδομένων σε ένα Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών (GIS), επιτρέπει τη συνεργιστική επεξεργασία χωρικών δεδομένων από πολλαπλές πηγές, μέσω διαδικασιών όπως η οπτική ερμηνεία, η μοντελοποίηση, η οπτικοποίηση, η ταξινόμηση της κάλυψης και χρήσης γης και η γεωχωρική ανάλυση, συμβάλλοντας στις διαδικασίες λήψης αποφάσεων. Η κοινότητα της Τηλεπισκόπησης, έπειτα από σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία των αισθητήρων, αντιμετώπισε την πρόκληση αναζήτησης νέων τεχνικών αξιοποίησης και ανάλυσης δεδομένων εικόνας. Στη βάση αυτή, προέκυψε ένα πλαίσιο που χρησιμοποιεί το αντικείμενο ως κύρια μονάδα για την ανάλυση και συνέβαλε στην εκμετάλλευση των νέων αυτών δεδομένων. Το πλαίσιο αυτό συνιστά την αντικειμενοστραφή ανάλυση εικόνας (object-based image analysis, OBIA). H OBIA βασίζεται στη διαίρεση μιας δορυφορικής εικόνας σε αντικείμενα που έχουν νόημα (και όχι μεμονωμένα εικονοστοιχεία). Συγκεκριμένα, αξιολογεί τα διακριτά χαρακτηριστικά τους μέσω φασματικής και χωρικής κλίμακας σε αντίθεση με τις παραδοσιακές τεχνικές που βασίζονται σε εικονοστοιχεία και εξετάζουν αποκλειστικά τις φασματικές υπογραφές των χαρακτηριστικών για να εξάγουν χρήσιμες θεματικές πληροφορίες. Η κατάτμηση εικόνας αποτελεί το αρχικό και αναπόσπαστο τμήμα στην παραγωγή των θεμελιωδών στοιχείων της ΟΒΙA. Πρόκειται για τη διαίρεση μιας εικόνας σε χωρικά συνδεδεμένες και ομοιογενείς (φασματικά) περιοχές (segments) που αποτελούν τη βάση για περαιτέρω ανάλυση. Στην παρούσα διατριβή γίνεται θεώρηση των περιβαλλοντικών προβλημάτων με βάση την επιφανειακή χωρική οντότητα, διευκολύνοντας το σαφή προσδιορισμό του εκάστοτε αντικειμένου ενδιαφέροντος. Ο καθορισμός της οντότητας αυτής είναι ιδιαίτερα σημαντικός για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη της κατάλληλης μεθοδολογίας ανίχνευσης των ορίων της. Η ενσωμάτωση της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας σε ένα τέτοιο μεθοδολογικό πλαίσιο στηρίχθηκε στο γεγονός ότι η OBIA βασίζεται στη διαίρεση μιας δορυφορικής εικόνας σε αντικείμενα που έχουν νόημα, τα οποία στην περίπτωσή μας είναι οι χωρικές οντότητες αναφοράς. Αρχικά, στο θεωρητικό υπόβαθρο της διατριβής παρατίθεται μια εκτενής βιβλιογραφική διερεύνηση που αφορά την αντικειμενοστραφή ανάλυση εικόνας και ειδικότερα τις μεθόδους κατάτμησης, από τις καθιερωμένες στις πιο σύγχρονες. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση και μια μετα-ανάλυση των σύγχρονων εφαρμογών των μεθόδων κατάτμησης εικόνας. Το θεωρητικό μέρος ολοκληρώνεται με τα βασικά δομικά στοιχεία της γλώσσας προγραμματισμού Python που αξιοποιήθηκε σημαντικά, κυρίως στο πειραματικό μέρος της διατριβής. Στη συνέχεια, παρατίθεται η διερεύνηση που υλοποιήθηκε μέσω των αρχικών πειραματικών προσεγγίσεων, η οποία οδήγησε στην ανάπτυξη ενός προσθέτου κατάτμησης εικόνας (Terminus) και την ενσωμάτωση του στο λογισμικό QGIS και τη σύνθεση μεθοδολογικών πλαισίων αντικειμενοστραφούς ανάλυσης δορυφορικών δεδομένων. Το πρόσθετο κατάτμησης εικόνας Terminus αναπτύχθηκε στη γλώσσα προγραμματισμού Python για να παρέχει ένα φιλικό προς το χρήστη και εύκολο στη χρήση εργαλείο για την κατάτμηση δορυφορικών εικόνων. Επιπλέον, παρέχει τη δυνατότητα στο χρήστη υπολογισμού διαφόρων περιγραφικών στατιστικών για κάθε περιοχή κατάτμησης, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν για τη μέτρηση ορισμένων ποσοτικών χαρακτηριστικών του αποτελέσματος της κατάτμησης εικόνας, καθώς και για το μετέπειτα στάδιο της ταξινόμησης εικόνας (εφόσον χρειαστεί). Ακόμη, πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε ένας από τους αλγόριθμους που περιλαμβάνονται στο πρόσθετο, παράγει δύο αποτελέσματα, με τη μορφή ενός διανυσματικού (vector) και ενός ψηφιδωτού αρχείου (raster). Το πρώτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση μιας αντικειμενοστραφούς ταξινόμησης, ενώ το δεύτερο για την απεικόνιση ένα χρωματικού συνθέτου επιλογής του χρήστη και την ενσωμάτωση σε μια μεθοδολογία σημασιολογικής κατάτμησης εικόνας. Στο πλαίσιο εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, σχεδιάστηκαν, αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν μεθοδολογίες και τεχνικές ανίχνευσης ορίων χωρικών οντοτήτων για τη μελέτη περιβαλλοντικών θεμάτων με βάση την αντικειμενοστραφή ανάλυση εικόνας. Τα αναπτυχθέντα μεθοδολογικά πλαίσια και οι αντίστοιχες πειραματικές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την ενσωμάτωση φασματικών δεικτών και γεωπληροφοριακών μεθόδων για την ανίχνευση ορίων επιφανειακών ορυχείων και περιοχής που έχει πληγεί από καταστροφικό φαινόμενο (πυρκαγιά) σε οπτικά δεδομένα και επιφανειακών υδάτινων σωμάτων με δεδομένα SAR. Ακόμη, συμπεριλαμβάνονται η αντικειμενοστραφής ανάλυση θερμικών δορυφορικών δεδομένων και μοντέλα συνελικτικών νευρωνικών δικτύων (CNN) για την ανίχνευση ορίων περιοχών κάλυψης γης και περιοχών επιδεκτικών στην πλημμύρα (πρόβλεψη).