Geospatial intelligence for multi-hazard assessment in coastal areas of the hellenic volcanic arc

Abstract

Coastal zones are treasured globally for their natural attractiveness as well as the possible financial opportunities that derive from coastal industries offering numerous economic advantages and business investments. Communities that are living nearby or within coastal environment are susceptible to potential life loss, property damage due to the potential occurrence of a wide variety of hydrometeorological and geo-hazards. In addition, coastal areas have been designated as physically dynamic buffer zones between the land and the water acting as transition zones. Greece as part of the southern European countries and eastern Mediterranean basin, is a country with numerous populated islands with an extensive coastline. Climate change, growth in tourism, and constant coastal urban sprawl in places, result in ever-increasing risk in the islands of the Hellenic Volcanic Arc (HVA) or South Aegean Volcanic Arc (SAVA) and particularly in the South Aegean region, necessitating thoughtful planning and sustainable decision-making. This thesis has focused on the islands of Milos and Thira (Santorini Island), which are prone to natural hazards due to their unique volcano-tectonic setting, the high number of tourist visits annually and increasing population, as long as the unplanned expansion of urban fabric accompanied with limited transportation network within the boundaries of the coastal zone. In accordance with hazards analysis, each hazard has been assessed individually as a dynamic and iterative process that takes into account natural and manmade criteria. On the other hand, the processing and the management of multiple hazards or multi-hazards in the same location constitute a challenge for coastal communities all over the globe. Multi-hazards correspond to events that could produce greater disaster consequences, for example, the tsunami and their impact on buildings and public networks after a strong earthquake or a volcanic eruption, the potential landslide or subsidence that can affect structures and surface near coastal zone activities. Hazards can also arise from long-lasting conditions with accumulative effects over time, such as a continuous soil erosion due to rainfall erosivity or extreme weather events, land cover changes and other variables affecting the natural and economic value of the region. Under this context, this research, tries to introduce holistic GEOspatial INTelligence (GEOINT) framework in order to combine various geospatial workflows, geosprocessing tools and technologies harnessing open source geospatial and Earth Observation data. GEOINT results can play a crucial role in the depiction and analysis of the natural and human environment, offering valuable information such as the identification of vulnerable areas to hazards and the forecasting of urbanization rates on coastal regions. Further objectives of this thesis were the delineation of the coastal zone boundaries, semi-automatization of Satellite Derived Bathymetry (SDB) approach, and urban mapping implementing a Machine Learning (ML) algorithm in Geographic Information System (GIS) environment. Summarizing, this thesis is illustrating a holistic geospatial framework, according to the Sendai Framework using temporal spatial and satellite data within the onshore coastal boundaries on the two islands. Particularly, the main goal of this research was to analyze the onshore coastal terrain’s susceptibility to specific hazards, identifying regions that are vulnerable to soil erosion, torrential flooding, landslides and tsunamis. Consequently, findings have been visualized through digital story web-based application that allows users to better understand, interact with, and share results using 2D, 3D web-maps accompanied with narrative text and other multimedia content. For that purpose, a multi-hazard platform featuring an informative dashboard has been designed and produced to monitor real-time seismicity and meteorological conditions, combined with static data-driven multi-hazard results on the low-lying coastal regions of Milos and Thira islands.

Οι παράκτιες ζώνες είναι σημαντικές σε παγκόσμια κλίμακα, καθώς αποτελούν περιοχές που προσφέρουν δυνατότητες για ανάπτυξη τόσο σε κοινωνικό όσο και σε οικονομικό επίπεδο. Παράλληλα, συγκεντρώνουν μοναδικά φυσικά και πολιτιστικά χαρακτηριστικά, δίνοντας έμφαση στην ανάγκη για σωστή διαχείριση και ανάπτυξη, ιδιαίτερα όταν συνδέονται με την ανάπτυξη του αστικού ιστού αλλά και λόγω της ιδιότητας τους ως δυναμικές μεταβατικές ζώνες μεταξύ χερσαίου και υδάτινου περιβάλλοντος. Επιπρόσθετα το παράκτιο περιβάλλον είναι ευάλωτο σε πιθανούς υδρομετεωρολογικούς και γεωλογικούς κινδύνους, απειλώντας την ανθρώπινη ζωή, τα φυσικά οικοσυστήματα, αλλά και τις υποδομές. Η Ελλάδα, ως τμήμα της Νοτιανατολικής Ευρώπης αλλά και της Ανατολικής Μεσογείου, διαθέτει πολύ μεγάλη ακτογραμμή με πολυάριθμα νησιά. Στα πλαίσια της κλιματικής αλλαγής, η ανάπτυξη του τουρισμού και η συνεχής επέκταση του αστικού ιστού, οδηγούν σε αυξανόμενο κίνδυνο τα νησιά του Ελληνικού Ηφαιστειακού Τόξου και ιδιαίτερα τις περιοχές του Νοτίου Αιγαίου, απαιτώντας προσεκτικό σχεδιασμό και βιώσιμη λήψη αποφάσεων. Αυτή η διατριβή επικεντρώθηκε στα νησιά της Μήλου και της Θήρας, τα οποία είναι ευάλωτα σε φυσικούς κινδύνους λόγω της μοναδικής γεωλογικής δομής, του υψηλού αριθμού επισκεπτών, του αυξανόμενου μόνιμου πληθυσμού, καθώς και της επέκτασης του αστικού ιστού σε συνδυασμό με το περιορισμένο οδικό δίκτυο, εντός της παράκτιας ζώνης. Με βάση με τα αποτελέσματα της διατριβής έχει μελετηθεί κάθε κίνδυνος ξεχωριστά ως μία δυναμική και επαναληπτική διαδικασία, λαμβάνοντάς υπόψη φυσικά και ανθρωπογενή κριτήρια. Επόμενο στάδιο αφορούσε η ανάλυση και η διαχείριση πολλαπλών κινδύνων στην ίδια γεωγραφική τοποθεσία, το οποίο αποτελεί μία πρόκληση, ιδιαίτερα στις παράκτιες περιοχές. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι πολλαπλοί κίνδυνοι όταν λαμβάνουν χώρα στο ίδιο χωροχρονικό περιθώριο μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες καταστροφές, όπως για παράδειγμα, η εκδήλωση τσουνάμι μετά από ένα ισχυρό σεισμό ή μία ηφαιστειακή έκρηξη, τα συνοδά κατολισθητικά γεγονότα αλλά και η εκδήλωση μίας έντονης βροχόπτωσης μπορούν να επηρεάσουν σε ανυποψίαστο και μικρό χρονικό διάστημα, ανθρώπινες ζωές, υποδομές και δραστηριότητες που εμπεριέχονται στα ίδια γεωγραφικά όρια. Οι επιπτώσεις αυτών των κινδύνων μπορούν όμως να προκληθούν και συνδυαστικά λόγω μακροχρόνιων επιδράσεων όπως η συνεχή απώλεια του φυσικού εδάφους λόγω αντικατάστασης του με τεχνητό ιστό, μεγεθύνοντάς τις αρνητικές συνέπειές από πιθανά έντονα καιρικά φαινόμενα, όπως οι αστραπιαίες πλημμύρες προκαλώντας σημαντικές αλλαγές στην επιφάνεια του εδάφους αλλά και στο περιβάλλον και την οικονομία μίας περιοχής. Σε αυτό το πλαίσιο, αυτή η έρευνα, προσπαθεί να παρουσιάσει ένα πλαίσιο εργασίας Γεωχωρικής Νοημοσύνης (Geospatial Intelligence) με βάση το Πλαίσιο Σεντάι για την Μείωση του Κινδύνου Καταστροφών με σκοπό να συνδυάσει διαφορετικές γεωχωρικές τεχνολογίες, εργαλεία γεωεπεξεργασίας, γεωχωρικά και δορυφορικά δεδομένα διαφορετικών πηγών για την χαρτογράφηση και την οπτικοποίηση της επιδεκτικότητας της αλληλεπίδρασης πολλαπλών κινδύνων των παράκτιων ζωνών της Μήλου και της Θήρας. Συνοψίζοντας τα κύρια αντικείμενα της διατριβής ήταν η προσπάθεια καθορισμού των ορίων της παράκτιας ζώνης, η ημι-αυτόματη προσέγγιση της αβαθούς βαθυμετρίας, η χαρτογράφηση της επέκτασης του αστικού ιστού εφαρμόζοντας αλγόριθμο Μηχανικής Μάθησης σε περιβάλλον Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών (ΓΣΠ), η ανάλυση της επιδεκτικότητας του παράκτιου χερσαίου τμήματος σε συγκεκριμένους κινδύνους, όπως η απώλεια τους εδάφους, οι αιφνίδιες πλημμύρες, οι κατολισθήσεις και η εκδήλωση τσουνάμι. Τέλος, τα ευρήματα έχουν απεικονιστεί μέσω ψηφιακής διαδικτυακής και διαδραστικής πλατφόρμας προβολής γεωχωρικών δεδομένων (WebGIS) που επιτρέπει στους χρήστες να κατανοούν καλύτερα, να αλληλοεπιδρούν και να μοιράζονται τα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας χάρτες 2D, 3D συνοδευόμενους από αφηγηματικό κείμενο και άλλο πολυμεσικό περιεχόμενο. Για αυτόν τον σκοπό, έχει σχεδιαστεί μια πληροφοριακή πλατφόρμα πολλαπλών κινδύνων που διαθέτει ένα ενημερωτικό πίνακα ελέγχου (dashboard) για την παρακολούθηση της σεισμικότητας και των μετεωρολογικών συνθηκών σε πραγματικό χρόνο (real time), σε συνδυασμό με την απεικόνιση των στατικών αποτελεσμάτων των κινδύνων ξεχωριστά αλλά και της συνολικής επιδεκτικότητας της αλληλεπίδρασης πολλαπλών κινδύνων με έμφαση στις παράκτιες ζώνες χαμηλού υψομέτρου της Μήλου και της Θήρας.