Πολυκριτήρια ανάλυση καταλληλότητας περιοχών με τη συνέργεια μοντέλων χωρικής παρεμβολής και μηχανικής μάθησης
Authors: Σωτηροπούλου Καλλιόπη 
Published: October 2023

Η ανάλυση καταλληλότητας περιοχών αποτελεί ένα σύνθετο πολυκριτήριο χωρικό πρόβλημα, που απαιτεί τη συνέργεια των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών με μεθόδους Πολυκριτήριας Ανάλυσης Αποφάσεων, για την αξιολόγηση, την κατάταξη και τη διαβαθμισμένη χαρτογράφηση του δείκτη μεικτής καταλληλότητας των περιοχών. Η διδακτορική διατριβή εστιάζει στην πολυκριτήρια μέθοδο σχέσεων υπεροχής PROMETHEE II στην ψηφιδωτή ανάλυση καταλληλότητας, καθώς στην επιστημονική βιβλιογραφία εντοπίζεται περιορισμένη η χρήση της και αφορά κυρίως μικρό αριθμό υποψήφιων περιοχών. Η διδακτορική διατριβή διερευνά, προτείνει και υλοποιεί μεθοδολογικές προσεγγίσεις άρσης του υπολογιστικού φόρτου της μεθόδου PROMETHEE στην ανάλυση καταλληλότητας με ΓΣΠ σε μεγάλο αριθμό περιοχών. Συγκεκριμένα, αναπτύσσονται μεθοδολογικά χωρικά πλαίσια λήψης αποφάσεων με στόχο την κατάταξη και τον προσδιορισμό θέσεων εγκατάστασης για την υλοποίηση επενδύσεων στον ενεργειακό τομέα. Η καινοτομία των προτεινόμενων πλαισίων προκύπτει από την εφαρμογή της μεθόδου PROMETHEE II σε δείγμα περιοχών εγκατάστασης για τον υπολογισμό δεικτών καταλληλότητας και στη γενίκευση αυτών στην περιοχή ενδιαφέροντος με εκτιμήσεις που βασίζονται σε μοντέλα χωρικής παρεμβολής και μηχανικής μάθησης. Στη διατριβή, ως μελέτη περίπτωσης ανάλυσης καταλληλότητας, επιλέχθηκε η χωροθέτηση χερσαίων αιολικών πάρκων στην περιοχή της Θράκης. Τα αποτελέσματα της μεικτής καταλληλότητας δείχνουν ότι υπάρχει ένας σημαντικός αριθμός περιοχών που μπορούν να φιλοξενήσουν αιολικά πάρκα. Τα προτεινόμενα πλαίσια συνέργειας στο χωρικό επίπεδο εκμεταλλεύονται την ικανότητα της μεθόδου PROMETHEE να υποδεικνύει περιοχές με θετικές και αρνητικές ροές κατάταξης και βοηθούν τους υπεύθυνους σχεδιασμού έργων αιολικής ενέργειας στον προσδιορισμό αποδοτικών περιοχών υλοποίησης αναπτυξιακών έργων. Περιληπτικά, η διατριβή οργανώνεται σε έξι (6) κεφάλαια με το ακόλουθο περιεχόμενό τους: Στο Κεφάλαιο 1, παρουσιάζονται βασικοί ορισμοί για την ανάλυση καταλληλότητας περιοχών και χρήσεων γης και αναδεικνύονται τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών ως εξ ορισμού εργαλείο διεξαγωγής της. Περιγράφονται τα είδη χωρικών δεδομένων, οι λειτουργίες επεξεργασίας ψηφιδωτών δεδομένων και αναδεικνύεται η αναγκαιότητα συνέργειας με μεθόδους της Πολυκριτήριας Ανάλυσης Αποφάσεων (ΠΚΑΑ). Πραγματοποιείται ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με την εφαρμογή της πολυκριτήριας μεθόδου PROMETHEE σε περιβάλλον ΓΣΠ. Στο Κεφάλαιο 2, παρουσιάζεται εκτενώς η πολυκριτήρια μέθοδος ανάλυσης αποφάσεων PROMETHEE II και η εκδοχή της που αφορά στο προφίλ των εναλλακτικών σεναρίων. Προτείνεται η συνέργειά της με την πολυκριτήρια μέθοδο της Αναλυτικής Ιεραρχικής Διαδικασίας (AHP), όπου και παρουσιάζεται με ένα εκπαιδευτικό παράδειγμα για τον προσδιορισμό της βαρύτητας των κριτηρίων της ανάλυσης. Το Κεφάλαιο 3, εστιάζει σε χωρικά μοντέλα πρόβλεψης για την εκτίμηση δεικτών καταλληλότητας. Παρουσιάζεται η μέθοδος χωρικής παρεμβολής της Στάθμισης Αντίστροφης Απόστασης (IDW) και ένα εκπαιδευτικό παράδειγμα για τη δημιουργία επιφάνειας παρεμβολής. Γίνεται εισαγωγή στην επιβλεπόμενη μηχανική μάθηση, αναλύεται το γενικό πλαίσιο τεχνικών προβλεπτικής μοντελοποίησης, όπως η κατηγοριοποίηση και η παλινδρόμηση και περιγράφονται οι μετρικές εκτίμησης απόδοσης μοντέλων. Αναλύονται ο αλγόριθμος μηχανικής μάθησης των k Πλησιέστερων Γειτόνων (kNN) και ο kNN σταθμισμένων αποστάσεων (DWKNN) στα προβλήματα κατηγοριοποίησης και παλινδρόμησης. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης (SVM) για γραμμικά και μη γραμμικά διαχωρίσιμα προβλήματα κατηγοριοποίησης. Παρουσιάζεται επέκταση των SVM για προβλήματα πολλαπλών κλάσεων, όπως επιπρόσθετα και η Παλινδρόμηση Διανυσμάτων Υποστήριξης (SVR) για την πρόβλεψη αριθμητικών τιμών. Στο Κεφάλαιο 4, προτείνονται μεθοδολογικά πλαίσια για την άρση των υπολογιστικών περιορισμών της μεθόδου PROMETHEE στην ψηφιδωτή ανάλυση καταλληλότητας με ΓΣΠ. Το πρώτο μεθοδολογικό πλαίσιο συνδυάζει τη μέθοδο PROMETHEE II με τη μέθοδο της Στάθμισης Αντίστροφης Απόστασης, IDW, για την εκτίμηση του δείκτη καταλληλότητας στη χωροθέτηση χερσαίων αιολικών πάρκων στην περιοχή της Θράκης. Το δεύτερο μεθοδολογικό πλαίσιο παρουσιάζει τη συνέργεια της Αναλυτικής Ιεραρχικής Διαδικασίας (AHP) με τη μέθοδο PROMETHEE II και την IDW, καθώς και μια ποικιλία εκτιμήσεων καθαρών ροών κατάταξης, χρησιμοποιώντας τόσο τις συνολικές όσο και τις ανά κριτήριο καθαρές ροές κατάταξης. Το χωρικό πλαίσιο απεικονίζεται με ένα ενδεικτικό υποθετικό παράδειγμα σε συγκεκριμένο τμήμα της περιοχής της Θράκης. Η έρευνα έδειξε ότι η πρόβλεψη με τη χρήση της μεθόδου χωρικής παρεμβολής υπόκειται επίσης στο φαινόμενο της απώλειας πληροφορίας, καθώς η γενίκευση διαμορφώνεται από τις συντεταγμένες και μόνο των εικονοστοιχείων. Το τρίτο μεθοδολογικό πλαίσιο συνδυάζει τη μέθοδο PROMETHEE II με εργασίες πρόβλεψης της επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης με τη χρήση του αλγορίθμου των k Πλησιέστερων Γειτόνων (kNN). Το προτεινόμενο πλαίσιο προσφέρει δυο παραλλαγές στη συνέργεια των ΓΣΠ, της PROMETHEE και του kNN, σύμφωνα με την οποία η καταλληλότητα χρήσης γης αντιμετωπίζεται είτε ως πρόβλημα κατηγοριοποίησης είτε ως πρόβλημα παλινδρόμησης. Στο Κεφάλαιο 5, με έμφαση στην αιολική ενέργεια παρουσιάζονται τα τυπικά χαρακτηριστικά χερσαίων και υπεράκτιων ανεμογεννητριών και η πρόοδος στον σχεδιασμό τους για την ανάπτυξη επενδύσεων. Αναλύεται η διαδικασία αδειοδότησης αιολικών πάρκων στην Ελλάδα. Περιγράφονται τα κριτήρια και οι περιοχές αποκλεισμού στη χωροθέτηση χερσαίων αιολικών πάρκων, σύμφωνα με το εθνικό θεσμικό χωροταξικό πλαίσιο. Υλοποιείται μελέτη περίπτωσης ανάλυσης καταλληλότητας για τη χωροθέτηση χερσαίων αιολικών πάρκων στην περιοχή της Θράκης. Παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα υλοποίησης του πρώτου μεθοδολογικού πλαισίου (PROMETHEE IDW). Παρουσιάζεται το τέταρτο μεθοδολογικό πλαίσιο με τη συνέργεια της μεθόδου PROMETHEE, της AHP και μοντέλων παλινδρόμησης της μηχανικής μάθησης. Σε αυτό αναπτύσσονται και αξιολογούνται μοντέλα χρησιμοποιώντας τους αλγόριθμους των k Πλησιέστερων Γειτόνων (kNN) και Παλινδρόμησης Διανυσμάτων Υποστήριξης (SVR), για την πρόβλεψη και χαρτογράφηση του δείκτη καταλληλότητας προς επιλογή τοποθεσίας εγκατάστασης χερσαίων αιολικών πάρκων στη Θράκη. Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από το προτεινόμενο πλαίσιο. Το Κεφάλαιο 6 περιέχει τα συμπεράσματα και ζητήματα για περαιτέρω έρευνα.