Ανάλυση των χαρακτηριστικών σχηματισμού των κατηγοριών χρήσεων γης της τηλεπισκοπικής εικόνας

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση και Αστικός Χώρος

Πρωτότυπος Τίτλος: « Analyzing the shape characteristics of land use classes in remote sensing imagery »

Συγγραφείς: Limin Jiao, Yaolin Liu

Δημοσιεύθηκε: EISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume I-7, 2012, XXII ISPRS Congress, 25 August – 01 September 2012, Melbourne, Australia

Πηγή: [6]

Λέξεις Κλειδιά: χρήση γης, κατάτμηση εικόνας, μετρήσεις τοπίου, μετρήσεις σχήματος, ταξινόμηση εικόνας.

Περίληψη

Το σχήμα είναι μια σημαντική πτυχή των χωρικών χαρακτηριστικών των χρήσεων γης, αλλά σπάνια χρησιμοποιείται ως στοιχείο στην ταξινόμηση ή την ανάλυσή τους. Αυτή η μελέτη στοχεύει στον ποσοτικό χαρακτηρισμό των τάξεων χρήσεων γης χρησιμοποιώντας μετρήσεις σχήματος, με περίπτωση μελέτης περιοχή στη νότια Κίνα, με σκηνές εικόνων SPOT-5. Για την ανάλυση, υπολογίστηκαν μετρικά χαρακτηριστικά, όπως η κυρτότητα (CONV), η σταθερότητα (SOLI), η επιμήκυνση (ELONG), η στρογγυλότητα (ROUND), η ορθογώνια τοποθέτηση (RECT), η σύσταση (COMP), το στοιχείο μορφής (FORM), τα τετραγωνικά εικονοστοιχεία (SqP), η μορφοκλασματική διάσταση (FD) και ο δείκτης σχήματος (SI). Επιλέχθηκαν έξι μετρήσεις σχήματος για τον προσδιορισμό των "Μετρητικών υπογραφών σχήματος" (SMS) (Herold et al., 2002), για τη διερεύνηση των δρόμων, καλλιεργούμενων εκτάσεων, οικισμών, ποτάμιων, λιμνών, δασικών εκτάσεων, δεξαμενών και φραγμάτων. Σκοπός αυτής της έρευνας είναι η διερεύνηση των επιδόσεων των μετρήσεων σχήματος ως τεχνική χαρακτηρισμού των τμημάτων χρήσεων γης, από την τηλεπισκόπηση υψηλής ανάλυσης.

Εισαγωγή

Η έγκαιρη παρακολούθηση των Αλλαγών Χρήσεων και Κάλυψης Γης (LUCC), ιδιαίτερα σε πυκνοκατοικημένες και ταχέως αναπτυσσόμενες χώρες, με εικόνες τηλεπισκόπησης γίνεται ολοένα και πιο σημαντική για τη ρύθμιση τους. Ο ποσοτικός χαρακτηρισμός των κατηγοριών χρήσεων γης σε εικόνες θα στηρίξει την ταξινόμηση χρήσεων γης και την ανάλυση LUCC, με χρήση γεωμετρικών παραμέτρων, κάτι που σε λίγες μελέτες μέχρι στιγμής έχει γίνει, καθώς πιστεύεται πως δεν είναι καθόλου σαφής. Ο Frohn (2006) εφάρμοσε το SI σε τμήματα εικόνας χαμηλού επιπέδου για να βοηθήσουν στην ταξινόμηση αυτών των αντικειμένων σε κατηγορίες χρήσεων γης και το SqP για να διακρίνει αντικείμενα εικόνας μεταξύ κατηγοριών κάλυψης γης που είχαν παρόμοιες φασματικές ιδιότητες αλλά διαφορετικές τιμές πολυπλοκότητας σχήματος (φυσικοί και ανθρωπογενείς βοσκότοποι). Συμπερασματικά, διάφορες κατηγορίες χρήσεων γης έχουν συχνά συγκεκριμένα χαρακτηριστικά σχήματος.

Εικ. 1. Παραδείγματα επιφανειών χρήσης γης στην εικόνα τηλεπισκόπησης (α. Δρόμοι, β. Καλλιεργούμενες εκτάσεις, γ. Τόποι οικισμών, δ. Ποταμοί, ε. Λίμνες, στ. Δασικές και χορτολιβαδικές εκτάσεις, ζ. Δεξαμενές, η. φράγματα. Πηγή: [1]

Πίν. 1. Μετρήσεις σχήματος. Πηγή: [2]

Δεδομένα και Μέθοδοι

Περιοχή μελέτης αποτελεί η επαρχία Hainan, στην Κίνα (12 σκηνές SPOT-5, κάλυψης 360km^2). Χαρακτηρίζεται από λοφώδες τοπίο και τροπική/ημιτροπική γεωργική περιοχή με πολλές κατηγορίες χρήσεων γης. Δεδομένα αποτελούν οι εικόνες SPOT-5 του 2009 και ο χάρτης χρήσεων γης του 2009 σε κλίμακα 1:10.000. Έγινε η κατάτμηση εικόνων με λογισμικό ENVI 4.5, σε επίπεδο κλίμακας 50 και επίπεδο συγχώνευσης 95, για τη δημιουργία αντικειμένων χρήσεων γης από εικόνες τηλεπισκόπησης της περιοχής μελέτης. Τα δείγματα των κατηγοριών χρήσεων γης (504) επιλέχθηκαν τμήματα εικόνας με στρωματοποιημένο τυχαίο τρόπο. Κάθε κατηγορία χρήσης γης, από όπου πάρθηκαν και τα δείγματα, αποτελείται από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, τα οποία εμφανίζονται στην εικόνα 1. Σε κάθε μια από αυτές η ανθρώπινη δραστηριότητα είναι διαφορετική, ενώ κάθε τάξη κάλυψης γης μπορεί να αποτελείται από διαφορετικές χρήσεις. Όταν όμως λαμβάνονται υπόψη τα χαρακτηριστικά του σχήματος και το χωρικό πλαίσιο, επιβεβαιώνεται ότι στην πραγματικότητα ανήκουν σε διαφορετική τάξη. Τα μετρητικά χαρακτηριστικά που χρησιμοποιήθηκαν, αλλά και η διακύμανση των τιμών τους ανάλογα με την πολυπλοκότητα του σχήματος, παρουσιάζονται στον πίνακα 1.

Εικ. 2. Μέγιστες, μέσες και ελάχιστες τιμές για τις πέντε μετρήσεις που χαρακτηρίζουν τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά των τμημάτων χρήσης γης (α. CONV, β. SOLI, γ. ELONG, δ. ROUND, ε. RECT). Πηγή: [3]

Εικ. 3. Μέγιστες, μέσες και ελάχιστες τιμές για τις πέντε μετρήσεις που χαρακτηρίζουν την πολυπλοκότητα του σχήματος των τμημάτων χρήσης γης (α. COMP, β. FORM, γ. SqP, δ. FD, ε. SI). Πηγή: [4]

Πίν. 2. Ποσοτικός χαρακτηρισμός τάξεων χρήσης γης με μετρήσεις σχήματος. Πηγή: [5]

Αποτελέσματα και συζήτηση

Οι μετρήσεις σχήματος συγκρίθηκαν με τις μετρήσεις που χαρακτηρίζουν τα βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων χρήσης γης και παρουσιάζουν σαφή αναπαράσταση αυτών (εικ. 2) και με τις μετρήσεις για την πολυπλοκότητα του σχήματος (εικ. 3). Συγκρίνοντας τους CONV και SOLI, ο CONV παρουσιάζει μεγαλύτερες μεταβολή (βλάστηση), (εικ. 2α, 2β). Επίσης μεγάλες μετρήσεις ELONG έχουν οι δρόμοι και τα φράγματα (εικ. 2γ). Υψηλό ROUND και RECT έχουν οι καλλιέργειες και οι λίμνες. Παρουσιάζονται λοιπόν σημαντικές διαφορές μεταξύ των κατηγοριών χρήσεων γης. Οι διαφορές αυτές θα εξειδικευτούν με την αναλογία περιοχής προς την περίμετρο, συμπεριλαμβανομένης της COMP και της FORM, αλλά και στην αναλογία περιμέτρου προς την περιοχή, συμπεριλαμβανομένων των SqP, FD και SI. Για να φανούν πιο καθαρά οι διαφορές των χρήσεων γης χρησιμοποιούμε δύο ζεύγη τάξεων λόγω διαφορετικών φασματικών υπογραφών: α) καλλιέργειες και δάσος και β) ποτάμια λίμνες (εικ. 3). Ο δείκτης που χρησιμοποιήθηκε για να παρουσιαστεί ο βαθμός διάκρισης των ζευγών τάξεων των χρήσεων γης είναι ο εξής: kn=|vni-vnj|/vnrange (vni και vnj είναι οι μέσες τιμές του μετρικού σχήματος n για τη χρήση γης i και τη χρήση της γης j, με vnrange το παρατηρούμενο εύρος της μέτρησης του σχήματος n στην περιοχή μελέτης). Συμπερασματικά, οι καλλιέργειες και οι λίμνες με τα λιγότερο πολύπλοκα σχήματα εμφανίζουν υψηλότερες τιμές FORM και χαμηλότερες SqP.

Τα τυπικά χαρακτηριστικά του σχήματος των τάξεων χρήσης γης μπορούν να περιγραφούν ποσοτικά με τις αντίστοιχες σημαντικότερες μετρήσεις σχήματος (πίν. 2). Ο αριθμός των μετρήσεων ποικίλλει μεταξύ των τάξεων χρήσης γης. Οι μετρήσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαφοροποιηθεί μια κατηγορία χρήσεων γης από μία άλλη εξαρτώνται από τις κατηγορίες που συμμετέχουν στη σύγκριση. Οι κατηγορίες χρήσης γης μπορούν να διαφοροποιηθούν με μεγαλύτερη σαφήνεια μέσω των μετρήσεων.

Συμπεράσματα

Αυτή η μελέτη διερευνά τη χρήση μετρήσεων σχήματος για να χαρακτηρίσει τμήματα χρήσης γης σε εικόνες SPOT-5 σε μια περιοχή της νότιας Κίνας. Επιλέχθηκαν οι κατάλληλες μετρήσεις που χαρακτηρίζουν καλύτερα τις οκτώ κατηγορίες χρήσης γης που προαναφέρθηκαν. Όλες οι τυπικές ιδιότητες σχήματος των τμημάτων χρήσης γης μπορούν να περιγραφούν ποσοτικά με μετρήσεις σχήματος, με αυτές των FORM και SqP να είναι πιο αποτελεσματικές στη διαφοροποίηση των κατηγοριών χρήσης γης, ως προς την πολυπλοκότητα. Κατασκευάστηκε επίσης ο SMS ως ακριβής και προβλέψιμος διακριτικός χαρακτήρας των τάξεων χρήσης γης. Ο χαρακτηρισμός σχήματος των τάξεων χρήσης γης μπορεί να θεωρηθεί η μέτρηση των ανθρωπογενών επιδράσεων στα σχήματα αυτά. Μελλοντικό ερευνητικό στόχο αποτελεί η ενσωμάτωση των μετρήσεων σχήματος στη διαδικασία ταξινόμησης της χρήσης γης βασισμένης σε κανόνες, μαζί με φασματικές και πληροφορίες υφής. Με τον τρόπο αυτό θα βελτιωθεί τελικά η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση των τάξεων χρήσης γης.