Τηλεπισκόπηση και έλεγχος συμμόρφωσης με την περιβαλλοντική νομοθεσία
Creators: name: Τασσοπούλου, Μαρία Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Τηλεπισκόπηση
Αλγόριθμοι γεωχωρικών δεδομένων
Συστήματα υπολογιστικού νέφους
Γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών – διαδικτυακές διεπαφές
Remote Sensing
Earth Observation algorithms
Cloud computing
Dashboards – Web GIS applications

description: Το φυσικό περιβάλλον και η εύρεση τρόπων για την προστασία του, αποτελούσε ανέκαθεν σημαντικό ζήτημα που απασχολούσε διαχρονικά την πλειοψηφία των Κρατών παγκοσμίως. Εστιάζοντας στο Ευρωπαϊκό δίκαιο, οι διαδικασίες για τη θέσπιση μίας ενιαίας ευρωπαϊκής περιβαλλοντικής πολιτικής ξεκίνησαν μόλις το 1972, ωστόσο σήμερα, η ευρωπαϊκή και κατ’ επέκταση η ελληνική περιβαλλοντική νομοθεσία, αποτελούν μια ξεχωριστή και ογκώδη ενότητα στο εθνικό δίκαιο. Παρά όμως το πλήθος των νομοθετημάτων, καταγράφονται σημαντικές δυσκολίες σύνδεσης της περιβαλλοντικής νομοθεσίας, και της επιβολής κυρώσεων σε περίπτωση παραβάσεων. Η Διεθνής Κοινότητα, έχοντας αναγνωρίσει αυτό το κενό, επικεντρώνει πλέον τις προσπάθειές της στην ανάπτυξη ελεγκτικών μηχανισμών και στην αξιοποίηση νέων επιστημονικών εργαλείων από συναφείς επιστήμες, και κυρίως από την επιστήμη της Τηλεπισκόπησης. Το ανωτέρω πλαίσιο αποτέλεσε και το έναυσμα για την ενασχόληση με το αντικείμενο της παρούσας διατριβής. Ειδικότερα, στόχος της μελέτης είναι η διερεύνηση μεθόδων αξιοποίησης δορυφορικών και λοιπών γεωχωρικών δεδομένων με την εφαρμογή σύγχρονων τηλεπισκοπικών τεχνικών, για τον έλεγχο περιβαλλοντικών παραβάσεων και τη διαχρονική παρακολούθηση περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών. Παράλληλα, η διατριβή εστιάζει και στην εύρεση βέλτιστων τρόπων οπτικοποίησης των παραγόμενων αποτελεσμάτων ώστε να είναι δυνατή η αξιοποίησή τους για την επιβολή κυρώσεων σε περιπτώσεις μη ορθών πρακτικών. Για την επιλογή των περιβαλλοντικών παραμέτρων προς παρακολούθηση και την ανάπτυξη των σχετικών αλγορίθμων, πραγματοποιήθηκε αρχικά έρευνα για την καταγραφή του ισχύοντος θεσμικού πλαισίου και της συχνότητας των περιβαλλοντικών παραβάσεων που καταγράφονται σήμερα στη χώρα. Κατά αυτόν τον τρόπο προέκυψαν τα βασικότερα περιβαλλοντικά ζητήματα που χρήζουν παρακολούθησης, από τα οποία στη συνέχεια εξετάστηκε το κατά πόσο οι παράμετροι που σχετίζονται με αυτά μπορούν να προσδιοριστούν τηλεπισκοπικά. Έχοντας υπόψη τα αποτελέσματα από τη μελέτη του περιβαλλοντικού δικαίου, επιλέχθηκε τελικά η ανάπτυξη πέντε επιμέρους βασικών αλγορίθμων εντοπισμού αλλαγών (change detection algorithms). Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι οργανώνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: στους αλγόριθμους εντοπισμού μεταβολών που συνδέονται με φαινόμενα διαχρονικής υποβάθμισης του φυσικού περιβάλλοντος (historical monitoring), και στους αλγόριθμους εντοπισμού μεταβολών που συνδέονται με την παρακολούθηση έκτακτων περιβαλλοντικών φαινομένων (alert/disaster monitoring). Στην πρώτη κατηγορία εντάσσεται ο αλγόριθμος παρακολούθησης των υδάτων εντός προστατευόμενων περιοχών, και η διαχρονική παρακολούθηση των μεταβολών στην κάλυψη του εδάφους εντός δασικών περιοχών για τον εντοπισμό παράνομων μεταλλευτικών δραστηριοτήτων. Αντίστοιχα, στη δεύτερη κατηγορία μελετώνται έκτακτα καταστροφικά φαινόμενα με άμεση επίπτωση στο φυσικό περιβάλλον, τα οποία και αφορούν στον προσδιορισμό και τη σφοδρότητα μίας πυρκαγιάς, και στον εντοπισμό και την παρακολούθηση φαινομένων θαλάσσιας ρύπανσης. Στην δεύτερη περίπτωση, η εφαρμογή των αλγορίθμων περιορίζεται χρονικά στον προσδιορισμό της κατάστασης του φυσικού περιβάλλοντος λίγο πριν και αμέσως μετά το εκάστοτε καταστροφικό συμβάν. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης για κάθε έναν από τους προτεινόμενους αλγόριθμους αξιοποιήθηκαν οπτικά πολυφασματικά δεδομένα από τους αισθητήρες Landsat-5, Landsat-8 και Sentinel-2 ενώ εξετάστηκε και η αξιοποίηση δεδομένων ραντάρ της αποστολής Sentinel-1. Για την εφαρμογή των προτεινόμενων μεθοδολογιών, επιλέχθηκαν επιμέρους προστατευόμενες περιοχές της χώρας, όπως η περιοχή NATURA2000 της λίμνης Κορώνειας, και οι ταμιευτήρες της ιστορικής λίμνης Κάρλα. Παράλληλα, εξετάστηκαν τέσσερις από τις μεγαλύτερες και πλέον καταστροφικές πυρκαγιές της Ελλάδας την τελευταία δεκαετία, συμπεριλαμβανομένης της πυρκαγιάς στο Μάτι Αττικής το 2018, και της πλέον πρόσφατης πυρκαγιάς στην Βόρεια Εύβοια τον Αύγουστο του 2021. Τα παραγόμενα αποτελέσματα από την εφαρμογή του συνόλου των αλγορίθμων κρίνονται ικανοποιητικά για τους σκοπούς της μελέτης, με την ακρίβεια προσδιορισμού των υδάτινων επιφανειών να αντιστοιχεί σε 92,9% και τον συντελεστή συσχέτισης Kappa σε 0,873. Αντίστοιχα, η παρακολούθηση των δασικών πυρκαγιών πραγματοποιήθηκε με ακρίβεια 96,95% και συντελεστή συσχέτισης Kappa 0,933. Τέλος, τα παραγόμενα αποτελέσματα συνδυάστηκαν με το ισχύον θεσμικό περιβαλλοντικό πλαίσιο και στη συνέχεια διαχύθηκαν ως πληροφορία σε ένα ευρύτερο κοινό, μη εξοικειωμένο με την επιστήμη της Τηλεπισκόπησης. Για τον σκοπό αυτό, υλοποιήθηκε μία διαδικτυακή διαδραστική διεπαφή (web GIS – Dashboard), στην οποία ο εκάστοτε χρήστης μπορεί να προβάλει τα αποτελέσματα από την ανάλυση των αλγορίθμων, ενώ η πλατφόρμα διαθέτει επιμέρους εργαλεία οπτικοποίησης πολλαπλών παραμέτρων για την παραγωγή ενημερωτικών διαγραμμάτων και διαδικτυακών χαρτών.
description: The need for establishing rules for the protection of the environment has always been a priority policy worldwide. Focusing on the European Union area, the establishment of a common environmental law policy for all the members of the European Union was adopted not earlier than 1972. Currently, the European Union’s environmental Law and hence the corresponding Greek Environmental law is a separate and quite complex body of law in the EU and the Greek Constitution. Despite the volume of environmental acts and legislation, there are still considerable challenges to implementing legislation in a timely and effective way to combat environmental crimes. The Global community has already realized the gap between the hundreds of legal documents and compliance with the Law, and it is now focusing its efforts on developing new enforcement mechanisms by utilizing advanced scientific tools from related sciences, and more specifically, Remote Sensing. The above framework was the main initiative of this dissertation. Namely, this thesis aims to investigate reliable remote-sensed-based methods for monitoring the environment and provide scientific evidence to support environmental law enforcement. Moreover, the research focuses on finding ready-to-access ways to disseminate the results of the analysis in order to be fully exploited by criminal justice mechanisms. An extensive study was conducted to identify the main environmental threats in Greece, based on the frequency of each environmental violation as reported on official records. This survey contributed to the selection of the EO algorithms developed within the context of this thesis. The final choice of the EO algorithms is based on which environmental parameters linked to these violations can be quantified using EO data and remote-sensed-based techniques. Finally, five change-detection EO algorithms were developed, organized into two main categories: “historical monitoring” and “alert/disaster EO algorithms” (i.e., EO algorithms to assess emergency environmental disasters). Namely, "historical monitoring" includes the long-term monitoring of water-extent fluctuations in lake ecosystems and the monitoring of forest changes within forest areas. More specifically, this EO algorithm focuses on monitoring mining activities in forest areas. Overall, “historical monitoring” is referring to the monitoring of protected ecosystems, which are subject to significant and often persistent environmental pressures. In addition, “alert/disaster algorithms” are referring to the monitoring of emergency environmental disasters with direct and even irreversible impacts on the natural environment. This category includes the short-term monitoring of devastating fires and marine pollution caused due to wrecks and other emergency issues in the sea. In these cases, monitoring requires monitoring an ecosystem’s state before and shortly after the incident. In both categories, for the implementation of the proposed methodology, optical multispectral satellite imagery from Landsat-5, Landsat-8, and Sentinel-2 missions were utilized. In addition, Sentinel-1 Radar Data were also supplementary used. The proposed EO algorithms were tested in different sites around Greece, and more specifically, on protected ecosystems and other fragile areas subject to environmental degradation. Namely, the EO algorithm for monitoring water-extent variations, was implemented in the NATURA2000 site of Lake “Koronia” and the reservoirs of the historical Lake “Karla”. Moreover, “alert/disaster” monitoring included four devastating fires in Greece within the last decade, including the fire in “Mati” Attica in July 2018, and the most recent fire in Northern Evia in August 2021. The results of the analysis were quite satisfying with slight commission and omission errors. The overall accuracy of the “water-extent” EO algorithm is 92.9% with a corresponding Kappa Coefficient 0.873. In addition, the overall accuracy of the “burn-severity” EO algorithm is 96.95% with a corresponding Kappa Coefficient 0.933. Finally, the thesis aims to the development of easy-to-access ways to disseminate the results of the study and support policymakers, stakeholders, the jurisdictional sector, and other end-users to combat environmental crime. Within that context, an interactive WEB-GIS and Dashboard application is developed in which the end-users can view the results of the analysis and acquire information on the existing environmental law. Finally, the application supports the acquisition of maps, and other information charts that can provide solid evidence in court and contribute to environmental impact assessment.