Σύγκριση/αξιολόγηση της θεματικής χαρτογραφικής ικανότητας του OLI και του ETM+

Abstract

H σειρά των δορυφόρων Landsat ξεκίνησε την θεματική χαρτογράφηση του πλανήτη το 1972 και συνεχίζει μέχρι σήμερα με μια διαδοχική σειρά πολυφασματικών σαρωτών που παρουσιάζουν όλο και καλύτερα τεχνικά χαρακτηριστικά επιτρέποντας την σύνθεση λεπτομερέστερων διαχρονικά θεματικών χαρτών. Το 2013 τέθηκε σε υπηρεσία ο Landsat 8 (Landsat Data Continuity Mission (LDCM) ) εξοπλισμένος με τον φασματικό σαρωτή Operational Land Imager (OLI) που αντικατέστησε τον Landsat 7, και παρουσιάζει μεγαλύτερη φασματική και ραδιομετρική διακριτική ικανότητα από τον προκάτοχο του. Ο δορυφόρος Landsat 8 φέρει δύο όργανα: Το OLI, έναν αισθητήρας περιλαμβάνει τρεις ζώνες: μία ζώνη στο βαθύ μπλε για μελέτες παράκτια / αεροζόλ, μια ζώνη μικρού μήκους κύματος υπερύθρων για την ανίχνευση νεφών cirrus, και ένα θεματικό πλεγματικό επίπεδο πληροφορίας για Quality Assessment. Ο θερμικός υπέρυθρος αισθητήρας TIRS παρέχει δύο θερμικές ζώνες (high and low gain). Και οι δύο αισθητήρες παρέχουν βελτιωμένο σήμα-προς-θόρυβο (SNRι). Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η σύγκριση της θεματικής χαρτογραφικής ικανότητας των δύο σαρωτών (ETM+ και OLI) στην ίδια περιοχή. Πιο συγκεκριμένα έγινε αξιολόγηση της θεματικής χαρτογραφικής ικανότητας του OLI σε σύγκριση με τον ΕΤΜ+ στην διάκριση θεματικών τάξεων, χωρικών στοιχείων και ενεργειακών διαβαθμίσεων. Η θεματική χαρτογράφηση πραγματοποιήθηκε με την υλοποίηση τεχνικών ψηφιακής ανάλυσης εικόνας στο Ρέθυμνο της Κρήτης. Οι κύριες βελτιώσεις που επιφέρει ο φασματικός σαρωτής OLI και TIR του Landsat 8, συνοψίζονται:  Στην βελτιωμένη ραδιομετρία των εικόνων Landsat 8 αφού το ελάχιστο κλάσμα ενέργειας που καταγράφεται είναι από 4 έως και 13 φορές μικρότερο (ανάλογα με το κανάλι) από τον Landsat 7, επιτρέποντας την χαρτογράφηση μικρότερων μεταβολών της ενέργειας στο εύρος καταγραφής μήκους κύματος του κάθε φασματικού καναλιού.  Στην βελτιωμένη φασματική δειγματοληψία που περιλαμβάνει δύο νέες φασματικές ζώνες. Η ζώνη για την ανίχνευση των νεφών αποδείχθηκε ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θεματική χαρτογράφηση λόγω της μικρής αντίθεσης φωτεινότητας, όμως είναι πολύ ευαίσθητη στο εντοπισμό χαμηλής-αραιής νέφωσης μικρού πάχους. Η φασματική ζώνη για το εντοπισμό των coastal aerosols αν και είναι στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος στο οποίο παρατηρείται μεγάλη διάχυση (Rayleigh diffusion) είναι vii εξαιρετικά πολύτιμη για χώρες όπως η Ελλάδα και η Κύπρος αφού βοηθά στον εντοπισμό λεπτής σκόνης που έρχεται με μεταφορά από την Σαχάρα προκαλώντας προβλήματα στην δορυφορική παρατήρηση του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Οι ζώνες στο μέσο υπέρυθρο δεν είναι άμεσα συγκρίσιμες αφού παρατηρείται μικρή διαφοροποίηση στο εύρος μήκους κύματος. Σε σχέση με την θεματική χαρτογράφηση καλύψεων γης, τα εύρη μήκους κύματος στο μέσο υπέρυθρο έχουν μετατοπισθεί λίγο στο Landsat 8 προκειμένου να μεγιστοποιείται η αντίθεση φασματικών υπογραφών καλύψεων γης. Στο εγγύς υπέρυθρο παρατηρείται μεγαλύτερη διαφοροποίηση στο εύρος μήκους κύματος αφού κάτω όριο του καναλιού στον Landsat 8, μετατοπίστηκε προς μεγαλύτερο κατώφλι έτσι ώστε καταγράφεται καλύτερα το μέγιστο της ανακλαστικότητας της χλωροφύλλης. Στο ορατό τμήμα του φάσματος τα κανάλια σχεδόν ταυτίζονται.  Ο αισθητήρας TIRS του Landsat 8 έχει την δυνατότητα συλλογής στοιχείων σε δύο πιο στενές φασματικές ζώνες στην θερμική περιοχή, που στους προγενέστερους δορυφόρους (Landsat 7) καλύπτονταν από μία ευρεία φασματική ζώνη. Δηλαδή ο Landsat 7 έχει δύο καταγραφές στο θερμικό κανάλι που έχουν την ίδια φασματική δειγματοληψία αλλά διαφορετική ραδιομετρική διακριτική ικανότητα. Αντίθετα ο Landsat 8 χωρίζει το φασματικό εύρος 10.40 -12.50 μm σε δυο κανάλια όμως οι θερμικές εικόνες του Landsat 8 έχουν μικρότερη χωρική διακριτική ικανότητα (100 μέτρα) από τις θερμικές καταγραφές του Landsat 7 (60 μέτρα). Κατά αυτό τον τρόπο ο Landsat 8 έχει βελτιωμένη φασματική δειγματοληψία και στο θερμικό αν και υστερεί σε αυτό το τμήμα του φάσματος ως προς την χωρική διακριτική ικανότητα που είναι κατά 40% μικρότερη από τις θερμικές καταγραφές του Landsat 7. Η γενική εκτίμηση είναι ότι η αναγνώριση των παράκτιων περιοχών ως προς τα αιωρούμενα σωματίδια και ο καλύτερος εντοπισμός της χαμηλής νέφωσης προσφέρει καλύτερο προγραμματισμό λήψεων και επιλογής δορυφορικών εικόνων έτσι ώστε να μεγιστοποιηθούν τα αποτελέσματα-προϊόντα της ψηφιακής δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Σε συνδυασμό με τον επαναπροσδιορισμό της φασματικής δειγματοληψίας και τη εξαιρετικά βελτιωμένη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα, έχουμε πολύ καλύτερη θεματική διακριτική ικανότητα σε εφαρμογές χαρτογράφησης καλύψεων γης. Στο θερμικό παρουσιάζεται μειωμένη χωρική διακριτική ικανότητα, που αντισταθμίζεται σε ένα βαθμό από την βελτιωμένη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και την βελτιωμένη φασματική δειγματοληψία (αφού στο ίδιο φασματικό εύρος στο Landsat 8 έχουμε δυο θερμικές καταγραφές).