Διαχρονική έρευνα των μεταβολών καλύψεων/χρήσεων γης για τη διαχείριση και διοίκηση γαιών και φυσικών οικοσυστημάτων υδρολογικής λεκάνης απορροής της Μυγδονίας με χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και Τηλεπισκόπησης

Abstract

Land use/land cover assessment and monitoring through time series satellite imagery remains a challenge for the scientific community. This dissertation focus on the evaluation of methods for land use/land cover change detection and assessment over a decade. The selected study area exhibits a heterogeneous landscape and high diversity of natural and man-made ecosystems. Various high-quality geospatial datasets from multiple sources (satellite and aerial imagery, cadastral data, LPIS, forest maps and habitat types of Natura2000) were used for land use/land cover detection and monitoring in the context of a statistical sound framework. Inter-annual and seasonal spectral variability of major land cover types was investigated through Landsat -5 TM and 8 OLI spectral transformations (NDVI, EVI, MNDWI, NDMI, SAVI and MSAVI). The presented examples refer to stable or change characteristics of specific land cover types. They document their relationship with seasonal and inter-annual Landsat data reflectance values. Moreover, multiple land classification scenarios were developed and evaluated against different input data and algorithms. Three different algorithms (RF, ML and Κ-ΝΝ) were applied and compared at each scenario. The scenarios were applied at watershed level or per subarea after zoning (forestlands, wetlands and the rest cover types) to investigate heterogeneity. At watershed level, 8 land cover types were detected on Landsat imagery. The best performed algorithm was K-NN with an overall accuracy of 93,02% based on multi-date Landsat-8 OLI data input (channels 12: 2-7, EVI and NDMI). At the subarea level, more land cover types were detected while overall accuracy increased considerably in forestlands (RF: 95,58%) and wetlands (RF: 98,94%). In contrast, 12 land cover types were detected in Sentinel-2a MSI single-date imagery classification (channels 10: 2-8, 8A, 11 και 12) but overall accuracy degraded to 90,91% (RF). In general, scattered land parcel changes were detected mainly due to crop rotation across the study area. Major changes (water surface shift and habitats succession) were detected at wetlands due to water supply of lake Koronia.

Η γεωχωρική καταγραφή και παρακολούθηση των μορφών κάλυψη γης/χρήσεων γης μέσω χρονικών σειρών δορυφορικών δεδομένων αποτελεί πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Η διατριβή αυτή εστιάζει στην αξιολόγηση μεθόδων για την γεωχωρική αναγνώριση και καταγραφή των μορφών κάλυψης/χρήσεων γης και την ανίχνευση μεταβολών τους σε βάθος δεκαετίας. Με βάση την προτεινόμενη μεθοδολογία, ερευνήθηκε σε βάθος η διαχρονική αναγνώριση και καταγραφή των μορφών κάλυψης γης και οικοσυστημάτων της λεκάνης απορροής με την επεξεργασία και αντιπαραβολή διαθέσιμων γεωχωρικών δεδομένων από διάφορες πηγές (δορυφορικά δεδομένα, χαρτογραφικά υπόβαθρα ΕΚ, LPIS, δεδομένα κτηματογράφησης, δασικών χαρτών και τύπων οικοτόπων του δικτύου «Natura2000»). Διαπιστώθηκε μεγάλη ετερογένεια τοπίου και χωρική εναλλαγή των οικοσυστημάτων. Με βάση χρονικές σειρές εικόνων Landsat-5 TM και 8 OLI εξετάστηκαν οι διεποχιακές και διαχρονικές διακυμάνσεις της αντανάκλασης των υφιστάμενων μορφών κάλυψης γης μέσω φασματικών μετασχηματισμών (NDVI, EVI, MNDWI, NDMI, SAVI και MSAVI). Τα παραδείγματα που παρουσιάζονται είτε αφορούν αμετάβλητα στο χρόνο χαρακτηριστικά είτε μεταβολές αυτών, τεκμηριώνουν τη συσχέτισή τους με τις καταγραμμένες τιμές αντανάκλασής τους σε εικόνες Landsat ανά εποχή και σε βάθος χρόνου. Αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν διάφορα σενάρια ταξινόμησης μορφών κάλυψης γης με διαφορετικούς αλγόριθμους (RF, ML και Κ-ΝΝ) σε επίπεδο περιοχής έρευνας αλλά και ανά υποπεριοχή (δάση, υγρότοποι, λοιπές περιοχές) για τη διερεύνηση της ετερογένειας τοπίου. Ως προς την ταξινόμηση εικόνων Landsat, αναγνωρίστηκαν 8 κατηγορίες γης και η μεγαλύτερη ολική ακρίβεια (93,02%) επιτεύχθηκε με τον αλγόριθμο Κ-ΝΝ, με βάση διεποχιακές εικόνες Landsat 8 OLI (κανάλια 12: 2-7, EVI και NDMI). Σε επίπεδο ταξινόμησης ανά υποπεριοχή, αναγνωρίστηκαν περισσότερες κατηγορίες γης ενώ η ολική ακρίβεια αυξήθηκε σημαντικά στα δάση (RF: 95,58%) και στους υγροτόπους (RF: 98,94%). Συγκριτικά, στην ταξινόμηση εικόνων Sentinel-2a MSI λήψης θέρους (κανάλια 10: 2-8, 8A, 11 και 12) αναγνωρίστηκαν περισσότερες κατηγορίες γης (12) και η ολική ακρίβεια ανήλθε σε 90,91% (RF). Συνολικά, σε επίπεδο λεκάνης απορροής, ανιχνεύθηκαν διάσπαρτες μεταβολές μικρής επιφάνειας, κυρίως λόγω αλλαγής καλλιεργειών. Οι μεγαλύτερες μεταβολές στο χρόνο παρατηρήθηκαν στις υγροτοπική περιοχή, με τη διαδοχική εναλλαγή τύπων οικοτόπων, οι οποίες οφείλονται στις μετακινήσεις των υδάτων της λίμνης Κορώνειας.