Τηλεπισκόπιση και ανάλυση του αστικού και περιαστικού χώρου: Παραδείγματα και εφαρμογές

#ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΜΑΣΤΟΡΙΔΟΥ, Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ. Περιβαλλοντολόγος Α.Π.Θ.

#ΑΓΓΕΛΙΝΑ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ, Αρχιτέκτων Μηχανικός Π.Θ. Πολεοδόμος - Χωροτάκτης Ε.Μ.Π.

#ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΣΤΑΜΟΥΛΙΔΗΣ, Αρχιτέκτων Μηχανικός Π.Θ

Το αστικό περιβάλλον αποτελεί ένα περίπλοκο σύστημα του οποίου η κατανόηση, η ανάλυση και η μέτρηση, μέσα από τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις, τις μόνιμες μεταβολές και τις χωρικές πληροφορίες, είναι ζωτικής σημασίας. Η αστική παρακολούθηση μέσα από τη συγκέντρωση, ανάλυση και μελέτη των εξ αποστάσεως χωρικών πληροφοριών συνιστά τη πολυχρονική παρατήρηση και μέτρηση των μετασχηματισμών των πόλεων. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα αποτελούν μία πηγή δεδομένων για τη παροχή πληροφοριών σχετικά με τα χαρακτηριστικά κάλυψης αστικής γης και τις μεταβολές τους σε διάφορες χωρικές και χρονικές κλίμακες.

Τα αστικά κέντρα αντιμετωπίζουν σήμερα σοβαρά προβλήματα, όπως ο υπερπληθυσμός, η ρύπανση κ.α. Προκειμένου να γίνει δυνατή η προσέγγιση των παραμέτρων των προβλημάτων σε τοπικό ή περιφερειακό επίπεδο απαιτούνται κατάλληλα συστήματα χαρτογράφησης και χωρικής παρακολούθησης των αστικών κέντρων, τα οποία χρησιμοποιούν στατιστικά και γεωγραφικά στοιχεία ως δεδομένα. Η χαρτογράφηση αστικών περιοχών αποτελεί μια εξαιρετικά σημαντική εφαρμογή της τηλεπισκόπισης με προοπτικές εξέλιξης χάρη στη δυνατότητα λήψης απεικονίσεων πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας. Επίσης, καινοτόμες τεχνικές προσφέρουν τη δυνατότητα να βελτιωθεί σημαντικά η διαθεσιμότητα των χωρικών δεδομένων, η ικανότητα για ανάλυση, κατανόηση και μοντελοποίηση των αστικών περιοχών. Έτσι, η τηλεπισκόπιση μπορεί να αποτελέσει σε συστηματική βάση ένα σημαντικό εργαλείο για την ικανοποίηση των αναγκών και των απαιτήσεων του σχεδιασμού σε αστική, πολεοδομική και χωροταξική κλίμακα.

Η δυνατότητες της τηλεπισκόπισης είναι πολλαπλές και πολυδιάστατες από φυσική, δημογραφική, κοινωνική, οικονομική και περιβαλλοντική άποψη επιτρέποντας την ανάλυση σε τοπικό, περιφερειακό, εθνικό ή διεθνές επίπεδο. Η συνεχώς αυξανόμενη διαθεσιμότητα και προσβασιμότητα σε σύγχρονες τεχνολογίες της εξ αποστάσεως ανίχνευσης παρέχουν τη δυνατότητα νέων ευκαιριών για την αστική παρακολούθηση μέσα από χωρικά ποσοτικά στοιχεία και πληροφορίες. Επίσης, δεδομένα ολοκλήρωσης και εναρμόνισης από διαφορετικούς τύπους πηγών δεδομένων και πληροφοριών θα προσφέρουν μια περισσότερο ολοκληρωμένη προσέγγιση του σύνθετου αστικού περιβάλλοντος. Οι συσχετίσεις και συγκρίσεις των διαφορετικού τύπου πληροφοριών και δεδομένων προσφέρουν πλεονεκτήματα και ευκαιρίες σε διεπιστημονικά πλαίσια αποτελώντας σημαντικό μέσο για την ανάπτυξη στρατηγικών προτάσεων και μέτρων βιώσιμης αστικής διαχείρισης.

Στη παρούσα εργασία, θα παρουσιασθούν η έννοια της τηλεπισκόπισης και η σύγχρονη μεθοδολογία επεξεργασίας και ανάλυσης τηλεπισκοπικών δεδομένων μέσα από τα οποία καταδεικνύονται οι δυνατότητες και οι περιορισμοί της τηλεπισκόπισης για τη μελέτη, παρακολούθηση και διαχείριση του αστικού και περιαστικού χώρου. Επίσης, θα συζητηθεί η σύνδεση της τηλεπισκόπισης με τον αστικό, πολεοδομικό και χωροταξικό σχεδιασμό μέσα από συγκριτικά παραδείγματα και εφαρμογές πόλεων της Ευρώπης, της Ασίας και της Αμερικής.

1. Εισαγωγή

Η εναέρια χωρική παρατήρηση αποτελεί ένα υποσχόμενο εργαλείο για να παράσχει ενημερωμένες γεωπληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά των δομημένων περιοχών στις πολλαπλές χωρικές και χρονικές διαστάσεις. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα αντιπροσωπεύουν μια ανεξάρτητη πηγή δεδομένων από την οποία διάφορα επίπεδα πληροφοριών μπορούν να αντληθούν με έναν ευέλικτο επαναληπτικό ρυθμό και σε διάφορες κλίμακες οι οποίες κυμαίνονται από τη λεπτομερή χωρική ανάλυση (κλίμακα κτηρίου) μέχρι την ανάλυση σε ηπειρωτική ή παγκόσμια κλίμακα. Σε συνδυασμό με τις αυτοματοποιημένες μεθόδους επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας με τις ακριβείς και ενημερωμένες γεωπληροφορίες, η τηλεπισκόπιση παρέχει πολλαπλές δυνατότητες για την υποστήριξη έρευνας, μελέτης και σχεδιασμού από επιστημονικές ειδικότητες όπως οι πολεοδόμοι, οι περιβαλλοντολόγοι, οι οικονομολόγοι.

Η συνεχής ανάπτυξη των αστικών περιοχών είναι στενά συνδεδεμένη με την αύξηση του αστικού πληθυσμού. Σήμερα παραπάνω από το ήμισυ του παγκόσμιου πληθυσμού ζει σε αστικά κέντρα που αποτελούν οικονομικά, πολιτικά, κοινωνικά και πολιτιστικά κέντρα. Η συνεχής ταχεία αστικοποίηση και οι αλλαγές στο αστικό περιβάλλον περιλαμβάνουν σημαντικές προκλήσεις όσον αφορά την παρατήρηση, την ανάλυση και την τεχνική κατανόηση των περίπλοκων διαδικασιών που επηρεάζουν και συγκροτούν τις μητροπολιτικές περιοχές. Κατά συνέπεια, η αποτελεσματική βιώσιμη αστική διαχείριση απαιτεί νέες καινοτόμες ιδέες και τεχνικές για να εξασφαλίσει τις σύγχρονες και διευρυμένες πληροφορίες που αφορούν τα χαρακτηριστικά του αστικού και περιαστικού χώρου σε περιφερειακό επίπεδο, αλλά και παγκοσμίως. Προς το παρόν, το μεγαλύτερο μέρος των πληροφοριών συλλέγονται μέσω στατιστικών στοιχείων, ερευνών και εναέριας χαρτογράφησης ή ψηφιοποίησης αεροφωτογραφιών. Ωστόσο, οι στατιστικές πληροφορίες συχνά αποδεικνύονται συγκριτικά χονδροειδείς όσον αφορά τη χωρική και χρονική ανάλυση, ενώ η αποτύπωση και χαρτογράφηση είναι χρονοβόρα και δαπανηρή, πράγμα που περιορίζει σημαντικά τις περιφερειακές, εθνικές ή παγκόσμιες αναλύσεις των δεδομένων.

Η τηλεπισκόπηση μέσω των δορυφορικών απεικονίσεων, των αεροφωτογραφιών κ.λπ. μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικότατο εργαλείο για την ικανοποίηση των αναγκών και των απαιτήσεων ενός βιώσιμου στρατηγικού αστικού και πολεοδομικού σχεδιασμού. Προς το παρόν, όμως, από το μεγάλο φάσμα των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων χρησιμοποιούνται οι αναλογικές αεροφωτογραφίες. Αν και τα τελευταία χρόνια οι ψηφιακές ορθοφωτογραφίες χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο, η χρήση απεικονίσεων από δέκτες, που μεταφέρονται από δορυφόρους, για τη μελέτη και διαχείριση προβλημάτων αστικών περιοχών, αναμένεται να καθυστερήσει. Παρόλα αυτά, η χαρτογράφηση και μελέτη αστικών και περιαστικών περιοχών αποτελεί μια εξαιρετικά σημαντική εφαρμογή της τηλεπισκόπησης, με σοβαρές προοπτικές εξέλιξης στο μέλλον, κυρίως χάρη στη δυνατότητα λήψης απεικονίσεων με πολύ υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα.

2. Τηλεπισκόπιση: εφαρμογές, τεχνικές και μέθοδοι επεξεργασίας

Με τον όρο τηλεπισκόπιση νοείται η επιστήμη και η τεχνολογία παρατήρησης και μελέτης των χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας από απόσταση, βάσει της αλληλεπίδρασης των υλικών που βρίσκονται επάνω σε αυτή με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η τηλεπισκόπιση χρησιμοποιεί καταγραφείς διαφόρων τεχνολογιών (δέκτες) μέσω των οποίων συλλέγεται και στη συνέχεια αναλύεται πληροφορία που αφορά αντικείμενα ή περιοχές. Έτσι, η τηλεπισκόπηση μπορεί να θεωρηθεί ότι καλύπτει τεράστιο εύρος εφαρμογών τόσο στις γεωεπιστήμες, όσο και σε άλλες επιστήμες (αστροφυσική, αστρονομία, ιατρική, βιολογία, φυσική κ.α.). Οι αεροφωτογραφίες, οι κατασκοπευτικοί και εμπορικοί δορυφόροι, καθώς και τα τηλεσκόπια, τα ραντάρ, τα σόναρ, οι μαγνητικοί τομογράφοι και οι ακτινογραφίες αποτελούν τεχνικές της τηλεπισκόπησης.

Ειδικότερα στις γεωεπιστήμες, η τηλεπισκόπιση είναι πιο διαδεδομένη και οι εφαρμογές της έχουν μεγαλύτερο εύρος από κάθε άλλο επιστημονικό πεδίο. Η τηλεπισκόπηση δίνει τη δυνατότητα της έρευνας και μελέτης μέσω της παρατήρησης φαινόμενων όπως ο καιρός, η ατμόσφαιρα, οι ωκεανοί, η βλάστηση, η γεωλογία των εδαφών, η γεωργία, οι φυσικές καταστροφές (πυρκαγιές, πλημμύρες, σεισμούς, κατολισθήσεις, ξηρασία, καταιγίδες, ανεμοστρόβιλους, παγετώνες κλπ), τις ανθρωπογενείς παρεμβάσεις στο φυσικό περιβάλλον, το αστικό περιβάλλον, τη ρύπανση των πόλεων κ.α. Η δυνατότητα της τηλεπισκόπησης να παρέχει πληροφορίες χωρίς την ανάγκη επιτόπιας έρευνας αποτελεί ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματά της έναντι άλλων μεθόδων συλλογής πληροφορίας.

Τα τηλεπισκοπικά συστήματα διακρίνονται, βάσει της πηγής της ενέργειας, σε παθητικά και ενεργητικά συστήματα. Τα παθητικά τηλεπισκοπικά συστήματα παρατηρούν την ακτινοβολία που ανακλάται από το αντικείμενο ενδιαφέροντος. Η πηγή ενέργειας ενός τέτοιου συστήματος συνήθως είναι ο ήλιος. Παραδείγματα παθητικών τηλεπισκοπικών συστημάτων είναι οι αισθητήρες που μεταφέρονται από τους δορυφόρους Landsat και SPOT. Τα ενεργητικά τηλεπισκοπικά συστήματα συνδυάζουν την πηγή ενέργειας και τον αισθητήρα. Η τεχνητή πηγή ενέργειας εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε ορισμένα μήκη κύματος προς το αντικείμενο και ο αισθητήρας καταγράφει την ανακλώμενη ακτινοβολία. Ειδικά συστήματα ραντάρ, όπως τα SLAR (Side Looking Airborne Radar) και τα SAR (Synthetic Aperture Radar) είναι τα πιο συνήθη ενεργητικά συστήματα.

Οι ανιχνευτές μπορούν να διακριθούν ανάλογα με τον αριθμό και το φασματικό εύρος των καναλιών που ανιχνεύουν. Οι μονοφασματικοί ανιχνευτές καταγράφουν σε μία φασματική ζώνη και μπορούν να ανιχνεύουν τη φασματική αντανάκλαση σε ένα μικρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ή σε μια ευρύτερη περιοχή. Οι παγχρωματικοί ανιχνευτές είναι μονοφασματικοί ανιχνευτές που καταγράφουν σε ολόκληρο το ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο τμήμα του φάσματος και δίνουν δεδομένα (εικόνες). Οι πολυφασματικοί ανιχνευτές καταγράφουν δεδομένα σε περισσότερες από μία φασματικές ζώνες, ενώ οι υπερφασματικοί ανιχνευτές καταγράφουν την αντανάκλαση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε πολλές φασματικές ζώνες στενού εύρους.

Η ορθή αξιοποίηση των τηλεπισκοπικών δεδομένων προϋποθέτει την κατάλληλη προεπεξεργασία τους, ώστε να απαλειφθεί μια σειρά σφαλμάτων, αλλοιώσεων και μεταβολών που μπορεί να υποβαθμίσουν την ποιότητα της τελικής πληροφορίας και να οδηγήσουν αντίστοιχα σε εσφαλμένα συμπεράσματα. Για το λόγο αυτό, πρέπει να γίνονται γεωμετρικές, ραδιομετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις. Οι γεωμετρικές διορθώσεις σχετίζονται με την αναγωγή της καμπύλης γεωμετρίας της εικόνας σε επίπεδη γεωμετρία απαλείφοντας τα σφάλματα που προέρχονται από την επιφάνεια του γήινου ελλειψοειδούς, της κίνησης της γης και του τεχνητού δορυφόρου, του έντονου αναγλύφου μιας περιοχής (ορθοδιόρθωση ή ορθοαναγωγή). Οι ραδιομετρικές διορθώσεις σχετίζονται με την απαλοιφή σφαλμάτων που οφείλονται σε αλλοιώσεις που προέρχονται από τα τεχνικά στοιχεία της διαδικασίας καταγραφής και μετάδοσης. Οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις σχετίζονται με την απαλοιφή σφαλμάτων που προέρχονται από την επίδραση των συστατικών της ατμόσφαιρας.

3. Τηλεπισκόπιση και αστικός - περιαστικός χώρος

Οι μητροπολιτικές περιοχές, τα αστικά κέντρα, καθώς και οι περιαστικές περιοχές αντιμετωπίζουν σήμερα σοβαρά προβλήματα όπως ο υπερπληθυσμός, η ατμοσφαιρική ρύπανση, ο κατακερματισμός της γης, η έλλειψη πρασίνου και ελεύθερων χώρων, η ασυμβατότητα στις χρήσεις γης, η υποβάθμιση του περιβάλλοντος κ.α. Επίσης, παρουσιάζουν τις περισσότερες και γρηγορότερες αλλαγές σε επίπεδο κάλυψης της γης από οποιαδήποτε άλλη κατηγορία χωρικού συστήματος αν και αποτελούν ένα πολύ χαμηλό ποσοστό της συνολικής φυσικής επιφάνειας της γης. Η καταγραφή τους είναι ένα από τα ζητήματα που αφορούν στην αξιολόγηση του αντίκτυπου που έχει η ανθρώπινη δραστηριότητα στο φυσικό περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, το πεδίο της οπτικής τηλεπισκόπισης παρέχει μία γρήγορη και συνοπτική απεικόνιση των αστικών κατηγοριών γης ως εργαλείο καταγραφής των μεταβολών στο αστικό πεδίο.

Η ανάλυση τηλεπισκοπικών δεδομένων αστικών περιοχών είναι πολύπλοκη για διάφορους λόγους: α) κάποιες κατηγορίες αστικών επιφανειών δεν είναι φασματικά διακριτές μεταξύ τους, β) η φυσική δομή πολλών ειδών χρήσεων γης διαφέρει από περιοχή σε περιοχή, λόγω διαφορετικών υλικών στην κατασκευή ταρατσών και πεζοδρομίων, όπως επίσης και των διαφορετικών τύπων κτιρίων, γ) οι αστικές περιοχές είναι κατά βάση ετερογενείς, και τα περισσότερα εικονοστοιχεία από απεικονίσεις αισθητήρων με χωρική ανάλυση περί τα 30m/pixel φαίνονται να περιλαμβάνουν αρκετές κατηγορίες αντικειμένων, ενώ η χαμηλή χωρική διακριτική ικανότητα των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων δεν επέτρεπε μέχρι πρόσφατα τη συλλογή δεδομένων κατάλληλων για εφαρμογές στον αστικό χώρο, δ) οι σκιασμένες περιοχές μέσα σε μια αστική σκηνή είναι συχνό φαινόμενο, γεγονός που αποτελεί κάποιες φορές περιοριστικό παράγοντα για τη διάκριση πολλών κατηγοριών.

Η τηλεπισκόπιση μπορεί να συμβάλλει σε συστηματική βάση ως ένα σημαντικό εργαλείο για την ικανοποίηση των αναγκών και των απαιτήσεων του σχεδιασμού σε αστική, πολεοδομική και χωροταξική κλίμακα, την αντιμετώπιση των προβλημάτων των αστικών κέντρων και τη συνολική βιώσιμη διαχείριση του αστικού και περιαστικού χώρου.

3.1 Το παράδειγμα της Μανίλα

Η Μανίλα αποτελεί πόλη της Ασίας και πρωτεύουσα των Φιλιππίνων με πληθυσμό που ξεπερνά τα 10.000.000 κατοίκους. Η αστική της ανάπτυξη έχει μελετηθεί με τη χρήση τηλεπισκοπικών μεθόδων. Αρχικά, τα δεδομένα από το δορυφόρο Landsat MSS του 1975 και Landsat TM το 1990 ταξινομήθηκαν χρησιμοποιώντας αντικειμενοστραφή προσέγγιση. Ταξινόμηση βασισμένη σε ένα εικονοστοιχείο εφαρμόστηκε προκειμένου να εντοπιστεί το αστικό αποτύπωμα από δεδομένα του TerraSAR-X για το 2010 (Abelen et al., 2011). Το αποτέλεσμα της χωρικής ανάλυσης αφορά την ανάπτυξη του πληθυσμού από το 1975 μέχρι το 2010 (Esch et al., 2010).

Εικόνα 1: Πολυαισθητήρες αστικής ανάλυσης της ανάπτυξης της πόλης της Μανίλα.

Πηγή: www.dlr.de

Η χωρική αστική ανάπτυξη μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας ανίχνευση αλλαγών με βάση την ταξινόμηση απεικόνισης pixel κι έτσι δίνεται η δυνατότητα να ανιχνευτεί η χωρική διάσταση της εξάπλωσης και η δυναμική της σε εξάρτηση από το χρόνο. Από εκεί και πέρα, οι διαδικασίες όπως η εκ νέου πύκνωση, η αλματώδης ανάπτυξη, καθώς και οι τρόποι ανάπτυξης, όπως η αξονική ανάπτυξη, οι πολυκεντρικές δομές ή η δορυφορική εξέλιξη της πόλης, μπορούν να καταγραφούν και να αναλυθούν. Με την έλευση της υψηλής ανάλυσης δορυφορικών αισθητήρων κατά την τελευταία δεκαετία, οι αστικές προσεγγίσεις παρακολούθησης επιτρέπονται σε μεγαλύτερο θεματικό και γεωμετρικό επίπεδο. Καθώς τα pixel γίνονται ολοένα και μικρότερα από τα απεικονιζόμενα αντικείμενα, έρχονται στο προσκήνιο αντικειμενοστραφείς μεθοδολογίες ταξινόμησης. Η αυτόματη ταξινόμηση ενισχύθηκε με τεχνικές τμηματοποίησης που χρησιμοποιούσαν ένα σύνολο από φασματικά χαρακτηριστικά, όπως σχήμα, υφή, ιεραρχικές και συναφείς πληροφορίες (Haralick and Shapiro, 1985).

3.2 Το παράδειγμα του Μονάχου και της Δρέσδης

Το Μόναχο και η Δρέσδη αποτελούν δύο μεγάλα αστικά κέντρα της Γερμανίας, πρωτεύουσες πόλεις ομόσπονδων κρατών. Το Μόναχο έχει πληθυσμό 1.500.000 κατοίκους περίπου, ενώ η Δρέσδη έχει πληθυσμό 500.000 κατοίκους περίπου. Με τη χρήση εικόνων από τον δορυφόρο Landsat από το 1972, έγινε μελέτη της αστικής ανάπτυξης και των αλλαγών στο αστικό περιβάλλον του Μονάχου και της Δρέσδης των τελευταίων 40 ετών. Επίσης, παράχθηκε και χρησιμοποιήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο πόλης για τη χωρική ανάλυση των εικόνων και ποσοτικοποιήθηκαν οι αστικές δομές. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν η μελέτη της πυκνότητας δόμησης, ο τύπος των κατοικιών και ο διαχωρισμός σε μονοκατοικίες ή ψηλά κτήρια (Taubenbock and Dech, 2010).

Εικόνα 2 : Φυσικές παράμετροι και τύποι αστικών δομών από πολυαισθητηριακή ανάλυση τηλεπισκοπικών δεδομένων.

Πηγή: Taubenbock H. and Dech S. (2010). 3.3 Το παράδειγμα της Βαρσοβίας

Η Βαρσοβία είναι η πρωτεύουσα της Πολωνίας και η μητροπολιτική της περιοχή διαθέτει πληθυσμό περίπου 2.500.00 κατοίκων. Ο εντοπισμός των περιοχών αστικοποίησης στη Βαρσοβία μελετήθηκε ως ανίχνευση αλλαγών με την ταξινόμηση απεικόνισης που επιτρέπει ακρίβεια της τάξεως του 80%.

Οι εικόνες 3c και 3d δείχνουν δύο αποτελέσματα αντικειμενοστραφούς ανάλυσης . Στην αρχική εικόνα, εφαρμόζονται διαδικασίες κατάτμησης, με τις οποίες η εικόνα μετατρέπεται σε ένα σύνολο πρωτογενών αντικειμένων με βάση τις σχετικές πολυχρονικές απεικονίσεις Ikonos από τα έτη 2002 και 2008, που παρουσιάζονται στις εικόνες 3a και 3b. Οι εικόνες 3e και 3f δείχνουν μια διαφορετική προσέγγιση για τον εντοπισμό των μεταβολών, όπου χρησιμοποιείται μια τεχνητά χωρισμένη σε τμήματα σκακιέρα για να καθορίσει τη χωρική αναφορά. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ένα σχέδιο πλέγματος των 100 μέτρων. Το μέτρο της υφής «ομοιογένεια» των φασματικών τιμών σε αυτό το τεχνητό κουτί υπολογίζεται για το 2002 και το 2008. Σε περίπτωση σημαντικής διαφοράς, η πολύ-χρονική σύγκριση (multi-temporal comparison) σχετικά με το μέτρο της υφής επιτρέπει να εντοπίζονται περιοχές που έχουν τάση για αλλαγές (εικόνα 3e). Η πολυ-χρονική σύγκριση έχει εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας το λόγο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Αμφότερες οι προσεγγίσεις ταυτοποιούν και εντοπίζουν περιοχές υψηλής πιθανότητας χρονικών μεταβολών. Επίσης, η τεχνητή σκακιέρα δείχνει προβλήματα σχετικά με οριακές αλλαγές σε σχέση με το μέγεθος του πλέγματος.

Ωστόσο, είναι αισιόδοξο να θεωρηθεί ότι από έναν μόνο αισθητήρα μπορεί να γίνει λήψη όλων των πληροφοριών που απαιτούνται για τη μελέτη του αστικού περιβάλλοντος συνολικά (Gamba et al, 2005). Για την ταξινόμηση και μοντελοποίηση των πόλεων σε τρισδιάστατες απεικονίσεις έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ψηφιακά μοντέλα επιφανειών από LIDAR (Light Detection and Ranging) ή στερεοσκοπικών εικόνων σε συνδυασμό με την υψηλή ανάλυση οπτικών εικόνων τηλεπισκόπισης. Επίσης, τα υπερφασματικά δεδομένα δίνουν τη δυνατότητα πληροφοριών σχετικά με τα υλικά επιφάνειας (Heiden et al., 2007).

3.4 Το παράδειγμα του Παντάνγκ

Το Πατάνγκ είναι πόλη του νησιού Σουμάτρα που ανήκει στο νησιωτικό σύμπλεγμα του κράτους της Ινδονησίας και έχει πληθυσμό περίπου 1.000.000 κατοίκους. Η δημιουργία ενός τρισδιάστατου μοντέλου της πόλης από πολυαισθητηριακά τηλεπισκοπικά δεδομένα αποτέλεσε το στόχο της μελέτης. Με αντικειμενοστραφή ανάλυση δημιουργήθηκαν οι θεματικές και γεωμετρικές δυνατότητες της πόλης.

Με βάση ένα τέτοιο τρισδιάστατο μοντέλο πόλης, μπορούν να παραχθούν υψηλότερης ποιότητας προϊόντα, δείχνοντας τις δυνατότητες για την αστική παρακολούθηση σε κλίμακα. Παράμετροι των κτηρίων όπως το ισόγειο, το ύψος, ο τύπος οροφής ή ο αριθμός των σπιτιών, εκτός από τις διαρθρωτικές παραμέτρους, όπως το μέσο μέγεθος του κτηρίου, η πυκνότητα του κτηρίου, το ποσοστό των αδιαπέραστων επιφανειών, το τμήμα της βλάστησης, και τα βασικά υλικά της στέγης. Με τον τρόπο αυτό, η παραγωγή των αστικών δομικών μοντέλων - τύπων και η χαρτογράφηση των αστικών βιοτόπων καθίσταται δυνατή.

Εικόνα 4 : Τρισδιάστατο μοντέλο της παράκτιας πόλης του Παντάνγκ.

Εκτός από αυτά τα μοντέλα, οι αερομεταφερόμενες στερεοκάμερες, δίνουν τη δυνατότητα λήψης πληροφοριών σχετικά με το ανάγλυφο των πόλεων σε επίπεδο τριών διαστάσεων με ακρίβεια ανάλυσης μέχρι 5 εκατοστά. Έτσι, καθίσταται δυνατή η λήψη πληροφοριών σχετικά με τμήματα κτηρίων ή αντικείμενα του αστικού εξοπλισμού της πόλης, όπως τμήματα οροφών κτηρίων, οδική σήμανση κλπ που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση και την ενημέρωση του αστικού κτηματολογίου.

Οι εναέριοι αισθητήρες, επιτρέπουν σε πραγματικό χρόνο την παρακολούθηση της αστικής κινητικότητας, πράγμα που είναι απαραίτητο και σημαντικό για να μελετώνται οι πληθυσμιακές κινήσεις.

Εκτός των εναέριων και διαστημικών αισθητήρων, σημαντικό ρόλο στον έλεγχο και την παρακολούθηση των πόλεων διαδραματίζουν και οι επίγειοι αισθητήρες.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει δύο παραμέτρους: το μέσο μέγεθος των κτηρίων (κατά μέσο όρο) και της πυκνότητας ανά μπλοκ, που υπολογίζεται από το τρισδιάστατο μοντέλο της πόλης του Παντάνγκ (Setiadi et al., 2010).

Πηγή: www.dlr.de

Εικόνα 6 : Εκτίμηση και παρακολούθηση πληθυσμού σε διαφορετικές χρονικές στιγμές της ημέρας με βάση το τρισδιάστατο μοντέλο πόλης (οπτικοποίηση σε πλέγματα 100μ. X 100μ.).

Η κατανομή του πληθυσμού κατά τη διάρκεια της ημέρας, όπως απεικονίζεται παραπάνω, δείχνει ότι υπάρχει μία έντονη μεταβολή στη χωρική κατανομή του πληθυσμού το πρωί και το βράδυ, ενώ μικρότερη είναι κατά το απόγευμα στις περιοχές όπου αναπτύσσονται εμπορικές και οικονομικές δραστηριότητες. Οι δραστηριότητες αυτές συγκεντρώνονται στο κέντρο της πόλης κατά μήκος των κύριων οδικών αξόνων (Setiadi et al., 2010).

Εικόνα 7 : Επικάλυψη της έκτασης του μοντέλου - τσουνάμι και το ύψος της πλημμύρας με διαβαθμισμένα κτήρια στο Παντάνγκ.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει τη μοντελοποίηση της χωρικής έκτασης μιας πλημμύρας από ένα πιθανό τσουνάμι με διαρθρωτικές πληροφορίες για την πόλη, που προέρχεται από τηλεπισκοπικά δεδομένα. Εντοπισμός και ποσοτικοποίηση των πληγέντων κατασκευών, ο φυσικός τύπος τους, οι αποστάσεις σε ασφαλείς περιοχές ή η εκτίμηση του χρόνου μετακίνησης των πληγέντων ατόμων είναι αποτελέσματα του δείγματος που υποστηρίζουν τον αστικό σχεδιασμό για την πρόληψη του κινδύνου (Goseberg and Schlurmann, 2009).

3.5 Το παράδειγμα της Γιούτα

Η Γιούτα είναι μια πολιτεία στη δυτικό πλευρά των Η.Π.Α. με πληθυσμό περίπου 2.000.000 κατοίκους. Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ταχύτατη αστικοποίηση λόγω του περιορισμένου κατοικήσιμου χώρου σε αντίθεση με τις μεγάλες ορεινές ακατοίκητες εκτάσεις της πολιτείας. Οι πόλεις με τη μεγαλύτερη αύξηση πληθυσμού είναι οι West Jordan και South Jordan με αύξηση 34,2% και 92,5% αντίστοιχα.

Οι αλλαγές στις χρήσεις προκαλούν ήδη προβλήματα όσον αφορά τη διαχείριση των υδάτινων πόρων και των αγροτικών καλλιεργειών. Εικόνες από δορυφορικές λήψεις χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να μελετηθεί η αστική ανάπτυξη της περιοχής και να διατυπωθούν προτάσεις βιώσιμης στρατηγικής διαχείρισης.

Για τη μελέτη λοιπόν χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες από τους SPOT-P και Landsat TM. Οι εικόνες από τον SPOT-P έχουν χωρική ανάλυση 10 μέτρα, ενώ από τον Landsat TM χρησιμοποιήθηκε πολυφασματική ανάλυση 30 μέτρων για την μελέτη της κάλυψης γης. Στόχος ήταν ο διαχωρισμός των χτισμένων από τις μη χτισμένες περιοχές. Η λήψη των εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν έγιναν τον Ιούνιο 1990 για τον Landsat και τον Απρίλιο για τον SPOT-P ώστε να φαίνονται καλύτερα οι αστικές κατασκευές, ενώ για το έτος 1995, οι λήψεις έγιναν τον Ιούνιο και το Νοέμβριο αντίστοιχα. Επίσης για την ολοκλήρωση της συλλογής στοιχείων και πληροφοριών χρησιμοποιήθηκαν και αεροφωτογραφίες (Gluch R., 2002).

Σε πρώτο στάδιο, έγινε μετασχηματισμός των δεδομένων και αναγωγή στο παγκόσμιο σύστημα συντεταγμένων. Στην πορεία, χρησιμοποιήθηκαν φίλτρα για τον ομαλοποίηση των εικόνων.

Με τη διαδικασία της φωτοερμηνείας και τη μελέτη της υφής έγινε διαχωρισμός των χτισμένων από τις μη χτισμένες περιοχές. Χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι ανάλυσης της υφής. Η πρώτη έγινε με το λογισμικό Erdas Imagine, που μετράει τη συνεχή διαφοροποίηση στην υφή, ενώ η δεύτερη έγινε με τη χρήση αλγορίθμων και μετράει τη διαφοροποίηση των pixels. Στη συνέχεια, ακολούθησε η δημιουργία θεματικών χαρτών όπου φαίνονται οι χρήσεις γης με τη δυνητική αστικοποίηση περιοχών της πολιτείας (Gluch R., 2002).

Πηγή: Gluch, R. (2002). 4. Συμπεράσματα

Η επισκόπηση παραδειγμάτων, μεθοδολογιών και εφαρμογών της τηλεπισκόπισης χρησιμοποιώντας διαφορετικά τηλεπισκοπικά δεδομένα καταδεικνύει τις δυνατότητες της τηλεπισκόπισης για την παρακολούθηση των αστικών περιοχών. Οι νέες πηγές των χωρικών δεδομένων, καθώς και καινοτόμες τεχνικές προσφέρουν τη δυνατότητα να βελτιωθεί σημαντικά η διαθεσιμότητα των δεδομένων και η ικανότητα για ανάλυση, κατανόηση και μοντελοποίηση των αστικών περιοχών.

Οι δυνατότητες της τηλεπισκόπισης είναι πολυδιάστατες από φυσική, δημογραφική, κοινωνική, οικονομική και περιβαλλοντική άποψη. Η ανάλυση δεν περιορίζεται σε χωρικά επίγεια σύνορα, επιτρέποντας έτσι θεωρητικά την ανάλυση σε περιφερειακό, εθνικό ή διεθνές επίπεδο. Τα τηλεπισκοπικά προϊόντα μπορούν να παραχθούν σε επίπεδο πολλαπλής κοινότητας. Έτσι, ένα πλεονέκτημα που προκύπτει μέσα από τη διαδικασία σύγκρισης πόλεων -παραδειγμάτων αποτελεί η ανταλλαγή γνώσης και η ανάπτυξη βέλτιστων λύσεων και τεχνικών όχι μόνο για μια πόλη, αλλά ευρύτερα. Σε διεπιστημονικά έργα, υπάρχει η δυνατότητα της συσχέτισης της γνώσης της περιοχής με την ευρεία διαθεσιμότητα των εξ αποστάσεως προϊόντων ανίχνευσης, που επιτρέπει την προβολή των πληροφοριών.

Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί. Ένα σημαντικό εμπόδιο είναι το οικονομικό κόστος των δεδομένων, το οποίο είναι συχνά πολύ υψηλό για τους ενδιαφερόμενους. Παρόλο που τα δορυφορικά δεδομένα είναι σε σχετικά χαμηλές τιμές, κάποιες εφαρμογές απαιτούν υψηλά ποσοστά χρονικής επανάληψης με χρήση εναέριας ή επίγειας λήψης και έτσι το τελικό οικονομικό κόστος των τηλεπισκοπικών δεδομένων μπορεί να είναι μεγάλο. Επιπλέον, η επένδυση στον τομέα της μεταποίησης εξακολουθεί να είναι σε υψηλά επίπεδα, λόγω κυρίως της έλλειψης πλήρως αυτοματοποιημένων διαδικασιών ταξινόμησης. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, απαιτούνται προσαρμογές λόγω των διαφορετικών ατμοσφαιρικών συνθηκών, των τύπων κάλυψης γης ή των διαφορετικών απαιτήσεων των χρηστών. Επίσης, οι αλγόριθμοι βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο.

Παρόλα αυτά, η συνεχώς αυξανόμενη διαθεσιμότητα και προσβασιμότητα των σύγχρονων τεχνολογιών της εξ αποστάσεως ανίχνευσης ανοίγει ένα πεδίο νέων ευκαιριών και δυνατοτήτων στο πλαίσιο της αστικής ανάλυσης και παρακολούθησης. Έτσι, παρέχεται η δυνατότητα για την υποστήριξη λήψης αποφάσεων βιώσιμης διαχείρισης και σχεδιασμού του αστικού και περιαστικού χώρου. Στο πλαίσιο μιας αποτελεσματικής παρακολούθησης και ανάλυσης των αστικών περιοχών που υπόκεινται σε δυναμικούς μετασχηματισμούς, η τηλεπισκόπιση με αισθητήρες από τον αέρα ή από το διάστημα μπορεί να αποτελεί μόνο ένα είδος πηγής πληροφοριών. Δεδομένα ολοκλήρωσης και εναρμόνισης από διαφορετικές πηγές, όπως οι επίγειοι αισθητήρες (κάμερες, μικρόφωνα, θερμοστάτες), οι διαδικτυακές πληροφορίες και οι επιτόπιες παρατηρήσεις από τον άνθρωπο, επιτρέπουν μια σύγχρονη και ολοκληρωμένη αναλυτική προσέγγιση του σύνθετου αστικού περιβάλλοντος.

Βιβλιογραφία

Ξενόγλωσση

• Abelen, S., Taubenbock, H., Stilla, U. (2011), 'Interactive classification of urban areas using decision trees', στο: Stilla U., Gamba P., Juergens C., Maktav D. (Επιμ.), JURSE 2011 - Joint Urban Remote Sensing Event, 11 (13), pp. 373-376. 
• Donnay, J.-P., Barnsley, M. J., Longley, P. A. (2001), Remote Sensing and Urban Analysis, London: Taylors and Francis.
• Esch, T., Thiel, M., Schenk, A., Roth, A., Muller, A., Dech, S. (2010), 'Delineation of Urban Footprints from TerraSAR-X Data by Analyzing Speckle Characteristics and Intensity Information', IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 48 (2), pp. 905-916. 
• Gamba, P., Dell'Acqua, F., Dasarathy, B. (2005), 'Urban remote sensing using multiple data sets: past,present and future', Information Fusion, 6 (4), pp. 319-326. 
• Gluch, R. (2002), 'Urban Growth Detection Using Texture Analysis on Merged Landsat TM and SPOT-P Data', Journal of the American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 68 (12), pp. 1283¬1288.
• Goseberg, N. and Schlurmann, T. (2009), 'Enhanced hazard mapping on a medium-resolved numerical grid for the city of Padang, West Sumatra', Journal of ship technology 5, 2 (1), pp. 13-21. 
• Haralick, R. M. and Shapiro, L. G. (1985), 'Survey: image segmentation techniques', Computer Vision,Graphics and Image Processing, 29 (1), pp. 100-132. 
• Heiden, U., Segl, K., Roessner, S., Kaufmann, H. (2007), 'Determination of robust spectral features for identification of urban surface materials in hyperspectral remote sensing data', Remote Sensing of Environment, 111, pp. 537-552. 
• Maktav, D., Erbek, F.S., Jurgens, C. (2005), 'Remote sensing of urban areas', International Journal of Remote Sensing, 26 (4), pp. 655-659. 
• Setiadi Ν., Taubenbock Η., Raupp S., Birkmann J. (2010), 'Integrating Socio-Economic Data in Spatial Analysis: An Exposure Analysis Method for Planning Urban Risk Mitigation', Real Corp 2010: Cities for Everyone. Liveable, Healthy, Prosperous. pp.367-374. 
• Taubenbock H. and Dech S. (2010), 'Remote Sensing and Urban Planning: A Common Future?', διαθέσιμο    στο:    https://sensorsandsystems.com/article/features/13931-remote-sensing-and-urban-planning-a-common-future-.html [τελευταία επίσκεψη: 10-09-2015]. 
• Yinghui X. and Qingming Z. (2009), ' A review of remote sensing applications in urban planning and management in China', Urban Remote Sensing Event, 1 (5) pp. 1-5, Shangai, China.

Διαδικτυακές πηγές

• www.dlr.de [τελευταία επίσκεψη: 19-05-2015]. 
• www.earthzine.org [τελευταία επίσκεψη: 02-06-2015].