Using ArcMap to Extract Shorelines from Landsat TM ...

6 downloads 0 Views 988KB Size Report
A little bit about Landsat - Landsat Thematic Mapper (TM) is a multispectral scanning radiometer that was carried on board Landsats 4 and 5. The TM sensors ...
Using ArcMap to Extract Shorelines  from Landsat TM & ETM+ Data or “Remote Sensing for the Masses” Thirty‐second ESRI International Users Conference Proceedings, San Diego, CA

Richard C. Daniels, GISP Office of Information Technology Washington State Department of Transportation P.O. Box 47430 Olympia, WA 98504‐7430 Phone: (360) 705‐7654 FAX: (360) 705‐6817 [email protected]

Problem: Remote Sensing (RS) data is not being  used by the GIS community to its full extent to   support data creation. Why not? • Remote Sensing software & Data seen as  to expensive, • Large software packages are hard to  maintain and are only needed  occasionally, and • Converting raster data products to vector  information is difficult. ArcMap 10’s newly added Image  Window and raster analysis tools  now gives the GIS User ready access  to RS tools that have been “known”  for 30 years, but were not readily  available to the GIS user till now.

Goal To develop a rapid low cost methodology for extracting  shorelines and quantifying regional shoreline change  using Landsat TM and ETM+ data in ArcGIS.   The research tasks conducted were: 1. 2. 3. 4. 5.

Identify the best Landsat band/transform combination to use for shoreline  extraction;  Develop a Landsat Toolbox to automate the image classification and shoreline  extraction process; Create ocean shorelines for the years 1989, 1995, 1999, 2010, 2011, 2012 from  Landsat imagery; Calculate change rates for the period 1995 to 1999 and compare them to rates  calculated from shorelines previously digitized from orthophotography for the  same period; and  Conduct a shoreline change rate analysis at 1 km intervals along a 102 km long  section of coast

A little bit about Landsat ‐ Landsat Thematic Mapper (TM) is a multispectral  scanning radiometer that was carried on board Landsats 4 and 5. The TM  sensors have provided nearly continuous coverage from July 1982 to present.  The Landsat Enhanced Thematic Mapper (ETM+) was introduced with Landsat 7. TM and ETM+ data cover the visible, near‐infrared, shortwave, and thermal  infrared spectral bands of the electromagnetic spectrum.  The Landsat Project is a joint  initiative of the U.S. Geological  Survey (USGS) and the National  Aeronautics and Space  Administration (NASA).  For more information visit: http://landsat.gsfc.nasa.gov/

Bands/Transforms Evaluated Combination Name

Combination

Suitable for Shoreline  Extraction?

a. Band Slicing ‐ NDVI

NDVI 

No, breaking waves

b. Band Slicing – Band 5

Band 5 (Infrared)

No, breaking waves

c. 4‐Band Method

Band 1‐3, Band 6  (resampled)

No, Time Intensive, waves

d. 3‐Band and NDVI

Band 1‐3, NDVI

No, breaking waves

e. Tasseled Cap 

Brightness, Greenness,  Wetness, uses bands 1‐7

Yes, difficult to differentiate  clouds

f. Tasseled Cap, NDVI

Brightness, Greenness,  Wetness, NDVI

Yes

Comparison of the classification results for  Point Disappointment, Washington

Comparison of Classification Results between Years

Landsat Band Selection Best bands to use are actually transforms.  Transforms both normalize the data and  reduce variability between years. This  simplifies interpretation of the results of the  land cover classification.  The Tasseled Cap brightness, greenness,  wetness, and Normalized Difference  Vegetation Index (NDVI) were selected for  used in this study.

Data Processing – Landsat Toolbox Process  Step

Process Name

Automated?

0

Download and Extract Data

Partial, from USGS EROS Data  Center

1

Clip Multiple Rasters to AOI

Yes

2

Fix Landsat 7 ETM+ Scanline Errors

Yes

3

Landsat TM/ETM+ Tasseled Cap

Yes

4

Normalized Difference  Vegetation Index (NDVI)

Yes

5

Category Creation for Land and  Sea

Yes

6

Classify Land and Sea

Partial, manual review required

7

Create Shore Boundary

Yes

8

Manual Shoreline Review

No, manual editing required

0. USGS – Global Visualization Viewer & Data Ordering

1. Clip Multiple Rasters to Area of Interest

2. Fix Landsat 7 ETM+ Scanline Errors

3. Calculate Landsat TM/ETM+ Tasseled Cap

4. Calculate Normalized Difference Vegetation Index  (NDVI)

5. Category Creation (10 classes)

6. Reclassify into Land and Sea

7. Create Shore Boundary

8. Manually Review and Edit Shoreline

Shoreline Creation Shoreline creation  and extraction  following the  eight step process

Landsat Scene Selection Approximate  Tide Level at  Over flight  Toke Point,  Time WA*

Last High  Last  Tide  High  Time Tide

Lower  Low Tide  Lower  Time Low Tide

Sensor

Scene  Path/Row

Date

ETM+

047, 028

12‐May‐2012

9:44

1.41

5:24

6.85

12:06

TM

047, 028

25‐Oct‐2011

9:34

7.43

11:06

9.06

5:06

0.17 flooding

ETM+

047, 028

7‐May‐2010

9:44

4.16

7:18

5.48

13:48

0.81 ebbing

TM

047, 028

15‐Apr‐1999

9:34

4.04

12:36

7.93

6:18

‐1.27 flooding

TM

047, 028

22‐May‐1995

9:34

4.97

7:12

6.8

13:30

0.79 ebbing

TM

047, 028

10‐Sep‐1989

9:34

5.9

9:30

5.91

14:18

High Tide  4.23 ebbing

Tide Stage

‐0.65 ebbing

*The maximum difference between tide elevations in all scenes is 6.02 ft (2 m). On beaches  with 2‐3% slope this would translate into a 30‐50 m offset in shoreline position due to tide  elevation. This would need to be addressed or controlled for in annual or seasonal analyses.

Change Rate Calculation: Digital Shoreline Analysis System (DSAS) An ArcGIS extension for calculating shoreline change: U.S. Geological Survey The DSAS extension to ESRI’s ArcGIS v.10 was developed by USGS to enable a  user to calculate shoreline rate‐of‐change statistics from multiple historic shoreline  positions. The extensions requires a baseline for measurement  generates transects at user defined intervals.  Change rates are  then calculated for each transect.  DSAS provides 4 options for calculating shoreline rates :  (1) End point rate (EPR),  (2) linear regression,  (3) weighted linear regression, and  (4) least median of squares.  The standard error, correlation coefficient, and confidence intervals are also computed for  the simple and weighted linear‐regression methods.  The results of all rate calculations are output to a table that can be linked to the transect  file by a common attribute field for display.  For more information about DSAS U.S. Geological Survey Open File Report 2008‐1278. Available  online at http://woodshole.er.usgs.gov/project‐pages/DSAS/version4/.

Summary Statistics ‐1995 to 1999 Shoreline distances calculated with Landsat TM derived shorelines  compared to shorelines derived from orthorectified air  photography previously collected by the USGS Sponsored  Southwest Washington Coastal Erosion Study  Data Set

Horizontal Accuracy (m)

Within Pair Difference (m)

Between Pair Difference (m)

Landsat 5 TM 6/22/1995 1:12,000 Scale Othophotography 9/22/1995

30

Mean= 41.96 Minimum= 0.76 Maximum= 245.04 Corrected Max= 131.97

Landsat 1995 to 1999 Mean= 9.34 Minimum= -227.31 Maximum= 667.04

Mean= 34.70 Minimum= 2.56 Maximum= 94.73

Air Photo 1995 to 1999 Mean= -0.25 Minimum= -250.77 Maximum= 610.72

Landsat 5 TM 4/15/1999 1:24,000 Scale Othophotography 5/26/1999

28

30 23

Correlation Results – 1995 to 1999 The relatively high  correlation indicates that  when the standard error  and horizontal accuracy  of the data sources are  considered, that Landsat derived shorelines can be  used to obtain valid  shoreline change rates  and that these rates are  comparable to those  derived from air  photography. 

Decadal Change Analysis

Annual Analysis

Annual‐Seasonal Analysis

Conclusion 1. This study successfully demonstrated a low cost  methodology for extracting shorelines from  Landsat TM and ETM+ data using ArcGIS. 2. Change rates were calculated using these  shorelines in DSAS. The results correlate well (R2  of 0.79) with change rates previously derived for  the same period from shorelines manually  digitized from orthorectified air photography.  3. The near‐continues 29 year record of TM and  ETM+ data makes this a rich dataset for both  decadal, annual, and seasonal change analysis. 

Suggest Documents