Αναγνώριση προτύπων και ανάλυση παραδοσιακού χωριού με τη χρήση χαμηλού υψομέτρου μη επανδρωμένων αεροσκαφών

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος:Pattern identification and analysis for the traditional village using low altitude UAV-borne remote sensing: multifeatured geospatial data to support rural landscape investigation, documentation and management

Πηγή: [5]8

Συγγραφείς: Chun Liu, Yujie Cao, Chen Yangb, Yuan Zhouc, Mengchi Aia

Λέξεις κλειδιά: χωρικά πρότυπα, Pattern identification ,αντικειμενοστραφής ανάλυση, OBIA,μη επανδρωμένα αεροσκάφη

Σύνοψη

Τα χωρικά μοτίβα των τοπίων θεωρούνται ως η δομή των παραδοσιακών χωριών. Στο πλαίσιο αυτό, ο ακριβής εντοπισμός και η ανάλυση τους αποτελεί θεμέλιο λίθο στην κατανόηση της σχέσης μεταξύ ανθρώπου και περιβάλλοντος. Ήδη έχουν διενεργηθεί μελέτες με τεχνικές τηλεπισκόπησης στο πεδίο της προστασίας πολιτισμικής κληρονομιάς, ωστόσο τα αποτελέσματα αν και επιτυχημένα τείνουν να παρουσιάζουν περιορισμούς. Ο σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας, με περιοχή μελέτης το αρχαίο χωριό Baojiatun στην Κίνα αποσκοπεί στον εντοπισμό και την ανάλυση μοτίβων ενός παραδοσιακού χωριού με γεωχωρικά δεδομένα από χαμηλού υψομέτρου μη επανδρωμένου αεροσκάφους.

Εισαγωγή

Η ανάλυση των χωρικών προτύπων αρχέγονων οικισμών μπορεί να δώσει φως σε εξαιρετικά χρήσιμες πληροφορίες για την ζωή τότε, άγνωστες έως σήμερα. Μέχρι πρότινος οι έρευνες βασίζονταν κυρίως στην ανάλυση των γεωγραφικών και περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών των περιοχών αυτών. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές περιορίζονται λόγω έλλειψης ικανού αριθμού δεδομένων , αναγκαιότητας πολύ χρόνου κ.α. Διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούν δορυφορικά δεδομένα για την ανάλυση προϊστορικών προτύπων είναι ευρέως διαδεδομένες ,ωστόσο και αυτές εμφανίζουν περιορισμούς από παράγοντες όπως η χωρική ακρίβεια, η νεφοκάλυψη κ.α. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιούνται πολυφασματικές εικόνες από μη επανδρωμένα αεροσκάφη σε συνδυασμό και παρουσιάζεται η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στην αναγνώριση και ανάλυση των χωρικών προτύπων, τοπίων πολιτισμικής κληρονομιάς, μελετώντας ως παράδειγμα το αρχαίο κάστρο Baojiatun. Για την απόκτηση των δεδομένων αναπτύχθηκε ένα σύστημα χαμηλού υψομέτρου εναέριας έρευνας. Είχαν προηγηθεί μετρήσεις στο πεδίο για τις τιμές ανακλαστικότητας συγκεκριμένων επιφανειών και τα δεδομένα που συλλέχθηκαν χρησιμοποιήθηκαν για την προσαρμογή του εναέριου συστήματος. Τα τελικό αποτέλεσμα αξιολογήθηκε με τη σταυρωτή αξιολόγηση(cross validation), ενώ πραγματοποιήθηκε και περαιτέρω ανάλυση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο k-means.

Σκοπός της εργασίας

Η εργασία επικεντρώνεται στις τεχνικές απόκτησης γεοχωρικής πληροφορίας μέσω μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV ), στη μέθοδο διενέργειας κατάτμησης και ταξινόμησης εικόνων με ποικίλα χαρακτηριστικά και στην στατιστική ανάλυση της χωρικής κατανομής πολιτισμικών μνημείων.

Συλλογή δεδομένων και προετοιμασία

Το υπό μελέτη χωριό βρίσκεται εντός μιας ορεινής περιοχής της Κίνας, περίπου 100 χιλιόμετρα μακριά από την κοντινότερη αστική περιοχή. Προκειμένου να εντοπιστούν τα τοπία που συνδέονται με το αρχαίο χωριό, τοπογραφήθηκε ένα εκτεταμένο τμήμα της περιοχής που καλύπτει περίπου 4.02 τετραγωνικά χιλιόμετρα(εικόνα 1). Σε ότι αφορά τις μετρήσεις πεδίου, η ανακλαστικότητα των επιφανειών μετρήθηκε με φασματοραδιόμετρο FieldSpec 4 Standard-Res. Μεταξύ των αντικειμένων που μετρήθηκαν ήταν δρόμοι, ποτάμια, αγροτική γη, τα οποία δείγματα επιλέχθηκαν τυχαία. Αναφορικά με το εναέριο σύστημα που τέθηκε σε εφαρμογή (εικόνα 2) χρησιμοποιήθηκε ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος 6 πτερυγίων με ένα πολυφασματικό σύστημα εντοπισμού. Στο αεροσκάφος εγκαταστάθηκε επίσης GPS τοπογραφικής ακρίβειας. Το πολυφασματικό σύστημα περιέχει 4 οπτικούς αισθητήρες μεγέθους 23.2 επί15.4 χιλιοστά. Οι αισθητήρες προσαρμόστηκαν με ένα μικτό RGB ορατό κανάλι και τρία υπέρυθρα ξεχωριστά κανάλια (600nm, 701 και 750nm). Οι απαραίτητες γεωμετρικές και ραδιομετρικές διορθώσεις πραγματοποιήθηκαν προτού ξεκινήσει η μελέτη. Τα εναέρια δεδομένα συλλέχθηκαν μεταξύ 18 και 20 Αυγούστου του 2016 μεταξύ των ωρών 9.00 και 11.00. Τελικά συλλέχθηκαν 1574 αεροφωτογραφίες οι οποίος γεωαναφέρθηκαν με τη βοήθεια του εγκατεστημένου GPS. Στη συνέχεια οι αεροφωτογραφίες επεξεργάστηκαν και παράχθηκε το ορθο-μωσαϊκό σε λογισμικό PIX4D. Τα τελικά δεδομένα περιλαμβάνουν ένα πολυφασματικό ορθο μωσαϊκό το οποίο περιέχει έξι κανάλια(κόκκινο, πράσινο, μπλε ,600nm 701nm, 760nm) με χωρική ανάλυση 3.56 cm/pix. και ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους.

Μεθοδολογία

Χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας(OBIA). Στην εικόνα 3 φαίνεται το διάγραμμα ροής της τεχνικής αυτής, το οποίο χωρίζεται σε δύο τμήματα, την παραγωγή των κατατμήσεων και την πολυπεπίπεδη ταξινόμηση. Το κομμάτι της κατάτμησης αφορά στη δημιουργία εικόνας από αντικείμενα που αναγνωρίζονται βάση φασματικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών, καθώς και χαρακτηριστικών υφής. Στην παρούσα εργασία το κριτήριο για την εξαγωγή των αντικειμένων ενδιαφέροντος(οι επιφάνειες πολιτισμικής κληρονομιάς) είναι h ρύθμιση της ταξινόμησης. Στην εικόνα παρουσιάζεται μία ταξινόμηση τριών επιπέδων η οποία χωρίζεται σε φυσικό και τεχνητό περιβάλλον. Βάση αυτού του μοντέλου σχεδιάστηκε ένα σύστημα τεσσάρων ταξινομήσεων. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει 5 ξεχωριστές ενότητες κατατμήσεων και ταξινομήσεων. Στην πρώτη ενότητα χρησιμοποιείται ο δείκτης NDVI για το διαχωρισμό περιοχών βλάστησης και μη, στη δεύτερη εξάγονται τα βουνά βάση τιμών του γκρι στο ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Στην τρίτη ενότητα χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης νερού NDWI για το διαχωρισμό περιοχών δίχως βλάστησης. Οι δρόμοι και τα κτίρια διακρίνονται στην τέταρτη ενότητα βάση τιμών του ΨΜΕ και του δείκτη σχήματος. Τέλος τα αρχαία κτίρια και τα νέα διαφοροποιούνται βάση των μπλε και 600nm καναλιών.

Αποτελέσματα

Συνολικά 5 ταξινομήσεις δημιουργήθηκαν και αξιολογήθηκαν στο λογισμικό e-cognition. Στην αξιολόγηση έλαβε μέρος επιφάνεια 0.08 τετραγωνικών χιλιομέτρων η οποία περιλάμβανε 3069 αντικείμενα από την πρώτη κατάτμηση. Τα αντικείμενα αυτά αξιολογήθηκαν σύμφωνα με τα δεδομένα από τις μετρήσεις πεδίου. Στην εικόνα 4 φαίνονται τα αποτελέσματα της αξιολόγησης. Ο δείκτης συνολικής ακρίβειας (overall acuracy) και δείκτης συμφωνίας KAPPA χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση του αποτελέσματος. Όπως φαίνεται στην εικόνα 4 οι ακρίβειες κυμαίνονται μεταξύ των τιμών 0.843 και 0.961 με μέση τιμή το 0.913. Αντίστοιχα οι τιμές του KAPPA παρουσιάζουν διακυμάνσεις μεταξύ 0.915 και 0.763. Η ακρίβεια του οπτικού αποτελέσματος το οποίο φαίνεται στην εικόνα 4, ερευνήθηκε ποσοτικά υπολογίζοντας τον αριθμό των pixels που ταίριαζαν και στο εξαχθέν μοντέλο και στο τεχνητό μοντέλο που ερμηνεύτηκε. Η ακρίβειά των αρχαίων κτιρίων και των δρόμων έφτασε αντίστοιχα τις τιμές 0.792 και 0.803 ενώ για το ποτάμι και τη βλάστηση τι τιμές 0.852 και 0.904. Έπειτα και από τη χωρική ανάλυση συμπεραίνεται πως το χωριό και τα αρχαίο κτίρια ακολουθούν συγκεκριμένα μοτίβα κατανομής.