Πρωτότυπος Τίτλος:
Διαχρονική παρατήρηση των μεταβολών των αδιαπέρατων επιφανειών (ISA), σε ελληνικό περιβάλλον, με χρήση εικόνων Landsat και μηχανικής μάθησης στην πλατφόρμα Google Earth Engine: η περίπτωση της Αττικής
Συγγραφέας:
Δερμοσίνογλου, Αικατερίνη, Πρόδρομος
Επιβλέπων καθηγητής:
Χαλκιάς, Χρίστος
Περίληψη:
Η γρήγορη ανάπτυξη και εξάπλωση των πόλεων θέτουν σημαντικές προκλήσεις για τον βιώσιμο αστικό σχεδιασμό και την περιβαλλοντική διαχείριση. Οι ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τις αδιαπέρατες επιφάνειες (ISA) είναι απαραίτητες για πληθώρα μελετών που αφορούν το αστικό περιβάλλον καθώς η συνεχής ανάπτυξη τους είναι αποτέλεσμα της αστικοποίησης, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για μεγάλα αστικά κέντρα. Η συνεχής ανάπτυξη της επιστήμης της γεωπληροφορικής έχει φέρει καινοτόμες μεθοδολογίες έρευνας στον τομέα της παρατήρησης των χρήσεων γης, και ιδιαίτερα στην χαρτογράφηση των αδιαπέρατων επιφανειών. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης αναδεικνύονται ως η βέλτιστη επιλογή για τη μελέτη τους λόγω της ικανότητας τους να παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα σε συνδυασμό με την ευρεία διαθεσιμότητα των πόρων αυτών.
Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διαχρονική παρακολούθηση των αλλαγών στις αδιαπέρατες επιφάνειες, στο νομό Αττικής, από το 1984 έως το 2022 χρησιμοποιώντας δεδομένα του δορυφόρου Landsat και σύγχρονες μεθόδους ταξινόμησης μηχανικής μάθησης όπως η Support Vector Machines (SVM) και Random Forests (RF). Ολόκληρη η διαδικασία επεξεργασίας των εικόνων, η ταξινόμηση αλλά και η διαδικασία του εντοπισμού των μεταβολών υλοποιείται στην πλατφόρμα υπολογιστικού νέφους Google Earth Engine, η χαρτογραφική οπτικοποίηση γίνεται στο λογισμικό ArcGIS Pro ενώ τα αποτελέσματα παρουσιάζονται και σε περιβάλλον WebGIS. Οι ταξινομητές SVM και RF ελέγχονται για τέσσερις μεμονωμένες ημερομηνίες (1984, 1999, 2013 και 2022) ενώ παραμετροποιήθηκαν με σκοπό την βελτίωση της απόδοσης τους. Ο έλεγχος της ακρίβειας των ταξινομήσεων πραγματοποιήθηκε μέσω του confusion matrix ενώ στη συνέχεια διεξήχθη στατιστικός έλεγχος σημαντικότητας McNemar με σκοπό την ανάδειξη υπεροχής μιας μεθόδου.
Τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης των αδιαπέρατων επιφανειών από τους δύο ταξινομητές αποδίδουν πολύ ακριβή αποτελέσματα, με τιμές συνολικής ακρίβειας (ΟΑ) μεγαλύτερες από 0,9 και τιμές του συντελεστή κάπα (kappa) μεγαλύτερες από 0,8 για όλες τις χρονολογίες ταξινόμησης. Για τις περιπτώσεις του 1984 και 2022 η SVM παρουσιάζει υψηλότερες τιμές συνολικής ακρίβειας και συντελεστή κάπα, ενώ στην αντίστοιχη του 1999 και οι δύο ταξινομητές απέδωσαν ισοδύναμα αποτελέσματα. Ωστόσο για το έτος 2013 η RF ξεπέρασε την SVM. Στα στοιχεία αυτά προστέθηκε και ο έλεγχος McNemar σύμφωνα με τον οποίο οι δύο ταξινομητές έχουν παρόμοια απόδοση στην συγκεκριμένη μελέτη. Τα αποτελέσματα των μεταβολών των αδιαπέρατων επιφανειών ανέδειξαν την ευρεία διάδοση του αστικού ιστού, ιδιαίτερα στις περιαστικές περιοχές, η οποία σχετίζεται άμεσα με την αύξηση του πληθυσμού και την ανάπτυξη βιομηχανικών και οικιστικών περιοχών.
Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια καινοτόμο προσέγγιση στην χαρτογράφηση των ISA καθώς συνδυάζει της εφαρμογή τεχνικών μηχανικής μάθησης με ανοιχτά δεδομένα τηλεπισκόπησης, σε μια αυτοματοποιημένη διαδικασία ανάλυσης. Μελλοντικές μελέτες μπορούν να επικεντρωθούν στην σχέση των περιοχών αυτών με φαινόμενα της κλιματικής αλλαγής, όπως η αστική θερμική νησίδα ή τα flash floods, ενώ επίσης μπορεί να αποτελεί την αρχή για την ανάπτυξη μιας εμπορικής πλατφόρμας σχετική με διαδικασίες σχεδιασμού στον ιδιωτικό και δημόσιο τομέα.
Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διαχρονική παρακολούθηση των αλλαγών στις αδιαπέρατες επιφάνειες, στο νομό Αττικής, από το 1984 έως το 2022 χρησιμοποιώντας δεδομένα του δορυφόρου Landsat και σύγχρονες μεθόδους ταξινόμησης μηχανικής μάθησης όπως η Support Vector Machines (SVM) και Random Forests (RF). Ολόκληρη η διαδικασία επεξεργασίας των εικόνων, η ταξινόμηση αλλά και η διαδικασία του εντοπισμού των μεταβολών υλοποιείται στην πλατφόρμα υπολογιστικού νέφους Google Earth Engine, η χαρτογραφική οπτικοποίηση γίνεται στο λογισμικό ArcGIS Pro ενώ τα αποτελέσματα παρουσιάζονται και σε περιβάλλον WebGIS. Οι ταξινομητές SVM και RF ελέγχονται για τέσσερις μεμονωμένες ημερομηνίες (1984, 1999, 2013 και 2022) ενώ παραμετροποιήθηκαν με σκοπό την βελτίωση της απόδοσης τους. Ο έλεγχος της ακρίβειας των ταξινομήσεων πραγματοποιήθηκε μέσω του confusion matrix ενώ στη συνέχεια διεξήχθη στατιστικός έλεγχος σημαντικότητας McNemar με σκοπό την ανάδειξη υπεροχής μιας μεθόδου.
Τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης των αδιαπέρατων επιφανειών από τους δύο ταξινομητές αποδίδουν πολύ ακριβή αποτελέσματα, με τιμές συνολικής ακρίβειας (ΟΑ) μεγαλύτερες από 0,9 και τιμές του συντελεστή κάπα (kappa) μεγαλύτερες από 0,8 για όλες τις χρονολογίες ταξινόμησης. Για τις περιπτώσεις του 1984 και 2022 η SVM παρουσιάζει υψηλότερες τιμές συνολικής ακρίβειας και συντελεστή κάπα, ενώ στην αντίστοιχη του 1999 και οι δύο ταξινομητές απέδωσαν ισοδύναμα αποτελέσματα. Ωστόσο για το έτος 2013 η RF ξεπέρασε την SVM. Στα στοιχεία αυτά προστέθηκε και ο έλεγχος McNemar σύμφωνα με τον οποίο οι δύο ταξινομητές έχουν παρόμοια απόδοση στην συγκεκριμένη μελέτη. Τα αποτελέσματα των μεταβολών των αδιαπέρατων επιφανειών ανέδειξαν την ευρεία διάδοση του αστικού ιστού, ιδιαίτερα στις περιαστικές περιοχές, η οποία σχετίζεται άμεσα με την αύξηση του πληθυσμού και την ανάπτυξη βιομηχανικών και οικιστικών περιοχών.
Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια καινοτόμο προσέγγιση στην χαρτογράφηση των ISA καθώς συνδυάζει της εφαρμογή τεχνικών μηχανικής μάθησης με ανοιχτά δεδομένα τηλεπισκόπησης, σε μια αυτοματοποιημένη διαδικασία ανάλυσης. Μελλοντικές μελέτες μπορούν να επικεντρωθούν στην σχέση των περιοχών αυτών με φαινόμενα της κλιματικής αλλαγής, όπως η αστική θερμική νησίδα ή τα flash floods, ενώ επίσης μπορεί να αποτελεί την αρχή για την ανάπτυξη μιας εμπορικής πλατφόρμας σχετική με διαδικασίες σχεδιασμού στον ιδιωτικό και δημόσιο τομέα.
Ημερομηνία κατάθεσης:
2023-10-23
Γλώσσες Τεκμηρίου:
Αγγλικά
Θεματικές Κατηγορίες:
Γεωγραφία (Γενικά)
Λοιπά Θέματα:
Γεωπληροφορική
Ψηφιακή χαρτογράφηση
Ψηφιακή χαρτογράφηση
Λέξεις-κλειδιά:
αδιαπέρατες επιφάνειες, δορυφορικά δεδομένα, τηλεπισκόπηση, Μηχανική Μάθηση, αστική διάχυση
Περιγραφή:
70 σ.,εικ.,πίν.,διαγρ.,χάρτες,σχ.
Άδεια χρήσης:
Αναφορά Δημιουργού – Μη Εμπορική Χρήση – Όχι Παράγωγα Έργα 4.0
