Φυσική Ωκεανογραφία, Υδρογραφία και Θαλάσσια Τηλεπισκόπηση Βασικές Αρχές Ωκεανογραφίας και Εφαρμογές Τηλεπισκόπησης Διάλεξη 12η

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Τα οπτικά συστήματα Τηλεπισκόπησης (Remote Sensing Optical systems) με εφαρμογή στον υπολογισμό βυθομετρίας, βασίζονται στην αρχή ότι το συνολικό ποσό της ακτινοβολίας που αντανακλάται από μια στήλη νερού είναι μία συνάρτηση του βάθους του νερού. Τα οπτικά αυτά συστήματα εκμεταλλεύονται την ακτινοβολία ορατού μήκους κύματος, κυρίως στο μπλε και πράσινο φάσμα, που διαθέτει ισχυρές δυνατότητες διείσδυσης στην θάλασσα. Η ενέργεια που λαμβάνεται από τον αισθητήρα. Μετά τις απαραίτητες διορθώσεις για την αφαίρεση της συνεισφοράς της ατμόσφαιρας, είναι αντιστρόφως ανάλογη με το βάθος του νερού.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Ένα αναλυτικό μοντέλο βαθυμετρίας χρησιμοποιεί αριθμό οπτικών ιδιοτήτων του νερού, όπως ο συντελεστής εξασθένησης και οπισθοσκέδασης, οι οποίοι απαιτούνται ως παράμετροι εισόδου στο μοντέλο. Για παράδειγμα το μοντέλο μεταφοράς ροής ακτινοβολίας είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο αναλυτικό μοντέλο και απαιτεί την εισαγωγή των φασματικών υπογραφών των αιωρούμενων και διαλυμένων υλικών, και της ανάκλασης του πυθμένα. Στην περίπτωση των εμπειρικών μοντέλων, η μαθηματική σχέση μεταξύ της ακτινοβολίας του νερού και του βάθους του πραγματοποιείται εμπειρικά, σε μερικά σημεία όπου υφίστανται επίγειες μετρήσεις βάθους, και η όλη διαδικασία παραμένει ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά διαπερατότητας του φωτός στο νερό.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Μοντέλα υπολογισμού βαθυμετρίας Μοντέλο Γραμμικής αναλογίας του Stumpf (Linear ratio Model) Μοντέλο Βάθους Διείσδυσης Ζώνης του Jupp (DOP Model) Γραμμικό μοντέλο Lyzenga (Linear Band Model)

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Μοντέλο Γραμμικής αναλογίας του Stumpf (Linear ratio Model) Το μοντέλο βασίζεται στη θεωρία ότι το φως εξασθενεί εκθετικά με το βάθος, και πρότειναν ότι οι επιπτώσεις της ανακλαστικότητας του υποστρώματος ελαχιστοποιούνται με την χρήση δύο φασματικών ζωνών προκειμένου να εξαχθεί το βάθος. Η αρχή αυτή εξηγείται μαθηματικά ως ακολούθως: Ζ = βάθος g = συνάρτηση των συντελεστών εξασθένησης της διάχυσης τόσο για την κατερχόμενη όσο και για την ανερχόμενη ακτινοβολία Αb = Το albedo του πυθμένα = η ανάκλαση του νερού, εάν το νερό ήταν οπτικά βαθύ Rw = η παρατηρούμενη ανάκλαση.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Μοντέλο Γραμμικής αναλογίας του Stumpf (Linear ratio Model) Η συγκεκριμένη μέθοδος υιοθετεί την παραδοχή ότι μέχρι ορισμένα βάθη, συνήθως 20-25 μέτρα, η αναλογία στις παρατηρούμενες τιμές της αντανάκλασης μεταξύ δύο φασματικών ζωνών i και j παραμείνει σταθερή και σχετίζεται με το βάθος του νερού ως εξής: Ζ = βάθος Rw (λi) = η παρατηρούμενη ανάκλαση στο μήκος λi m1 = σταθερά n = σταθερά που εξασφαλίζει ώστε οι λογάριθμοι Rw (λi) της εξίσωσης να παραμένουν θετικοί υπό όλες τις τιμές m0 = σταθερά.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Το Μοντέλο Βάθους Διείσδυσης Ζώνης του Jupp (DOP Model) Το συγκεκριμένο μοντέλο βρίσκει μεγάλη χρήση κυρίως στις παράκτιες ζώνες για την εξαγωγή βυθομετρίας από πολυφασματικές εικόνες και το πρότεινε ο Jupp (1988) με δύο βασικές διαδικασίες : ο υπολογισμός των ζωνών διείσδυσης (DOP – Depth of Penetration) η παρεμβολή υπολογισμού βάθους εντός των ζωνών. Η μέθοδος έχει τρεις κρίσιμες παραδοχές: η εξασθένηση του φωτός είναι μια εκθετική συνάρτηση του βάθους η ποιότητα του νερού δεν μεταβάλλεται μέσα σε μια εικόνα οι ανακλαστικές ιδιότητες του υποστρώματος είναι σταθερές. Ουσιαστικά η δεύτερη και η τρίτη παραδοχή είναι η αδυναμία του μοντέλου.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Το Μοντέλο Βάθους Διείσδυσης Ζώνης του Jupp (DOP Model) Le η ακτινοβολία που μετράται στον ανιχνευτή Lb είναι η ακτινοβολία αναδυόμενη από τον βυθό Lw είναι η ακτινοβολία αναδυόμενη από διαφορετικά στρώματα του νερού z είναι το βάθος και k είναι ο συντελεστής απορρόφησης.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Το Μοντέλο Βάθους Διείσδυσης Ζώνης του Jupp (DOP Model) Αν ο όρος Lw θεωρηθεί αμελητέος και σχετίζεται άμεσα με την ποιότητα του νερού (αιωρούμενα ιζήματα) και με μικρές αλλαγές στον βυθό, τότε, μεταξύ του βάθους της υδάτινης στήλης και της ακτινοβολίας που μετράται από τον αισθητήρα θα υφίσταται μια γραμμική σχέση. Υπό αυτές τις συνθήκες, έχουμε την εξίσωση για τον προσδιορισμό βάθος του νερού: όπου Ν είναι ο αριθμός των φασματικών ζωνών. Στην πράξη, προκειμένου να διασφαλιστεί η ομοιογένεια, το μοντέλο υποθέτει έναν σταθερό συντελεστή απορρόφησης σε όλα τα στρώματα, γεγονός που είναι η κύρια αιτία της αποτυχίας του αλγορίθμου σε ορισμένες περιοχές, όπου υφίσταται μεγάλη ανομοιογένεια μεταξύ διαφορετικών μαζών νερού.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Γραμμικό μοντέλο Lyzenga (Linear Band Model) Γραμμική λύση υπολογισμού του βάθους του νερού χρησιμοποιώντας διαφορετικά κανάλια: Z = βάθος a0, a1,a2,…an είναι σταθεροί συντελεστές R’’i = ln (R’i-min(R’i)) R’i = Ri-bi [RNIR-min(RNIR)], για το κανάλι i bi = συντελεστής γραμμικής συσχέτισης μεταξύ του καναλιού i και του υπέρυθρου καναλιού NIR Ri = τιμή εικονοστοιχείου στο κανάλι i RNIR = τιμή εικονοστοιχείου στο υπέρυθρο κανάλι NIR min(RNIR)=ελάχιστη τιμή στο υπέρυθρο κανάλι NIR σε επιλεγμένο τμήμα της εικόνας πάνω από βαθειά ύδατα όπου εμφανίζεται έντονη αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Γραμμικό μοντέλο Lyzenga (Linear Band Model) Ουσιαστικά, η επιτυχία εφαρμογής του μοντέλου Lyzenga εξαρτάται από τη σωστή επιλογή δείγματος περιοχής της εικόνας που εμφανίζει αντηλιά (έντονη αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας).

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ του κόλπου του Λαγανά Ζακύνθου με ημερομηνία λήψης 22 Αυγούστου 2014 9:31 UT (Σχήμα 1). ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Εφαρμογή στον κόλπο Γέρακα Ζακύνθου Κόλπος Λαγανά Κόλπος Γέρακα

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εξαγωγή βαθυμετρίας από δορυφορικά δεδομένα Εφαρμογή στον κόλπο Γέρακα Ζακύνθου Πυκνή βαθυμετρική αποτύπωση

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εφαρμογή στον κόλπο Γέρακα Ζακύνθου α) Βαθυμετρική αποτύπωση (β) Μοντέλο Jupp (γ) Μοντέλο Lyzenga (δ) Μοντέλο Stumpf Εικόνα 4.3. (α) Βαθυμετρική αποτύπωση στον Κόλπο Γέρακα Ζακύνθου (σημ. χρησιμοποιείται η ίδια κλίμακα αντιστοίχισης χρωμάτων/βαθών όπως και στην εικόνα 4.2). (β) Μοντέλο Jupp (γ) Μοντέλο Lyzenga (δ) Μοντέλο Stumpf.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εφαρμογή στον κόλπο Γέρακα Ζακύνθου Σύγκριση μετρήσεων βαθυμετρίας στον Κόλπο Γέρακα Ζακύνθου (α) Μοντέλο Jupp (β) Μοντέλο Lyzenga. Εικόνα 4.3. (α) Βαθυμετρική αποτύπωση στον Κόλπο Γέρακα Ζακύνθου (σημ. χρησιμοποιείται η ίδια κλίμακα αντιστοίχισης χρωμάτων/βαθών όπως και στην εικόνα 4.2). (β) Μοντέλο Jupp (γ) Μοντέλο Lyzenga (δ) Μοντέλο Stumpf.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Εφαρμογή στον κόλπο Γέρακα Ζακύνθου Η εφαρμογή του μοντέλου Lyzenga αναπαράγει σχηματισμούς πυθμένα μικρο-κλίμακας. Εικόνα 4.3. (α) Βαθυμετρική αποτύπωση στον Κόλπο Γέρακα Ζακύνθου (σημ. χρησιμοποιείται η ίδια κλίμακα αντιστοίχισης χρωμάτων/βαθών όπως και στην εικόνα 4.2). (β) Μοντέλο Jupp (γ) Μοντέλο Lyzenga (δ) Μοντέλο Stumpf.

ΕΙΔΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Παρακολούθηση μεταβολών ακτογραμμής Πηνειού Γίνεται αρχικά ταξινόμηση δορυφορικών δεδομένων με την χρήση ασαφούς λογικής μέσω του λογισμικού eCognition όπου κριτήρια που σχετίζονται με τις φασματικές τιμές των αντικειμένων αλλά και των γεωμετρικών σχημάτων αποτέλεσαν δεδομένα εισαγωγής. α) Κομμάτι Εικόνας WordView2 β)Κατάτμηση εικόνας – δημιουργία αντικειμένων προς ταξινόμηση γ) Εστίαση σε περιοχή για καλύτερη κατανόηση αντικειμένων Δ) ταξινόμηση Εικόνα 4.3. (α) Βαθυμετρική αποτύπωση στον Κόλπο Γέρακα Ζακύνθου (σημ. χρησιμοποιείται η ίδια κλίμακα αντιστοίχισης χρωμάτων/βαθών όπως και στην εικόνα 4.2). (β) Μοντέλο Jupp (γ) Μοντέλο Lyzenga (δ) Μοντέλο Stumpf.