Εκτίμηση της κατανομής της αδιαπέραστης επιφάνειας με συνδυασμό φασματικής ανάλυσης

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση και Αστικός Χώρος

Πρωτότυπος Τίτλος: « Estimating impervious surface distribution by spectral mixture analysis »

Συγγραφείς: Changshan Wu, Alan T. Murray

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing of Environment, Volume 84, Issue 4, 10 April 2003, Pages 493-505

Πηγή: [14]

Λέξεις Κλειδιά: V-I-S, ανάλυση φασματικού μίγματος, αδιαπέραστη επιφάνεια, αστική κάλυψη γης.

Περίληψη

Η εκτίμηση της κατανομής της αδιαπέραστης επιφάνειας (μοντέλο βλάστησης - αδιαπέραστης επιφάνειας - έδαφος (V-I-S)), είναι σημαντική για την παρακολούθηση των αστικών περιοχών και των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, αλλά και για την εκτίμηση των κοινωνικοοικονομικών παραγόντων (π.χ. πυκνότητα πληθυσμού). Η κατανομή αδιαπέραστης επιφάνειας υπολογίστηκε μέσω ενός μοντέλου γραμμικού φασματικού μίγματος (SMA) χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat ΕΤΜ+, εντός της μητροπολιτικής περιοχής Columbus των ΗΠΑ. Οι συντελεστές, χαμηλής ανακλαστικότητας, υψηλής ανακλαστικότητας, βλάστησης, και εδάφους επιλέχθηκαν για να μοντελοποιήσουν ετερογενή αστική κάλυψη γης. Το κλάσμα της αδιαπέραστης επιφάνειας υπολογίστηκε με ανάλυση των τελικής χαμηλής και υψηλής ανακλαστικότητας. Η ακρίβεια εκτίμησης για την αδιαπέραστη επιφάνεια αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας εικόνες Digital Orthophoto Quarterquadrangle (DOQQ). Η κατανομή αδιαπέραστης επιφάνειας ήταν πολύ μεγάλης ακρίβειας.

Εισαγωγή

Η αστικοποίηση συνεχίζει να επιταχύνεται, όσον αφορά την αύξηση του παγκόσμιου ανθρώπινου πληθυσμού (Ηνωμένα Έθνη, 1997) και αποτελεί προϋπόθεση για την αντιμετώπιση της βιωσιμότητας, ένα όλο και πιο σημαντικό θέμα σε μια σειρά επιστημονικών κλάδων (Newman και Kenworthy, 1999). Σε αντίθεση με τα χονδροειδή δεδομένα της απογραφής, οι τεχνολογίες τηλεπισκόπησης προσφέρουν σταθερή και επιστημονική βάση για την ανάλυση των αλλαγών στην κοινωνία και στη γη. Ο Ridd (1995) πρότεινε το μοντέλο (V-I-S) με το οποίο, οι τάξεις αστικής χρήσης γης και κάλυψης γης μπορούν να μοντελοποιηθούν από το κλάσμα της βλάστησης, την αδιαπέραστη επιφάνεια και το έδαφος. Βέβαια, θεωρείται ένα μοντέλο εννοιολογικό, με περιορισμένες εφαρμογές εξαιτίας των δυσκολιών στην εκτίμηση της αδιαπέραστης επιφάνειας.

Περιοχή μελέτης

Η μητροπολιτική περιοχή Columbus, έκτασης 81 km2 είναι μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες περιοχές στις μεσοδυτικές ΗΠΑ (Horner και Grubesic, 2001). Περιλαμβάνει τις περισσότερες αντιπροσωπευτικές κατηγορίες κάλυψης εδάφους (εικ. 1). Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκε μια σκηνή Landsat 7 ETM + του 1999. Οκτώ DOQQ για την περιοχή αυτή λήφθηκαν από το πρόγραμμα γεωγραφικών αναφορών του Οχάιο (OGRIP, 1999).

Εικόνα 1: Μητροπολιτική περιοχή Columbus στην περιφέρεια Franklin, Ohio. Η κάτω δεξιά γωνία δείχνει μια εικόνα ETM + που αποκτήθηκε στις 8 Ιουλίου 1999 για την περιοχή μελέτης. Πηγή: [1]

Δεδομένα, Μετρήσεις και Μέθοδοι

Με ψηφιακούς αριθμούς (DNs) υπολογίστηκαν ομοιόμορφες ατμοσφαιρικές συνθήκες μέσα στην εικόνα. Ένα δείγμα βαθμονομημένης ανάκλασης για αντιπροσωπευτικούς τύπους κάλυψης εδάφους παρουσιάζεται στην εικόνα 2.

Η ανάλυση φασματικών μιγμάτων (SMA) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των κλασμάτων της γης σε ένα εικονοστοιχείο και περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση ενός μικτού φάσματος ως συνδυασμό φάσματος για καθαρούς τύπους εδαφικής κάλυψης, που ονομάζονται συντελεστές (Roberts κ.ά., 1998). Σε αυτή την εργασία, θεωρήσαμε τα φασματικά μίγματα ως γραμμικά και είναι: Rb=∑(i=1)fiRi1b+eb.

Μέσω της επιλογής αντιπροσωπευτικών ομοιογενών εικονοστοιχείων από δορυφορικές εικόνες οπτικής απεικόνισης των φασματικών γραφικών σκεδασμένων συνδυασμών καναλιών (Rashed κ.ά., 2001), διεξήχθησαν κλιμακωτοί μετασχηματισμών PC και αποκτήθηκαν οι συνιστώσες κλάσματος θορύβου (MNF) από τις εικόνες ανάκλασης ΕΤΜ+ (εικ. 3). Τα δύο πρώτα στοιχεία MNF απεικονίζουν χωρικά συνεκτικές αντιθέσεις που διαφοροποιούν τις κατοικημένες περιοχές, τη βλάστηση και το νερό και το τρίτο στοιχείο MNF είναι απαραίτητο για την αναγνώριση του εδάφους μεταξύ άλλων τύπων κάλυψης γης (εικ. 4). Επιλέχθηκε επίσης, ο συντελεστής ανακλαστικότητας στην CBD, διότι η στεγανή επιφάνεια είναι πιο σημαντική σε αυτή τη μελέτη. Τα φάσματα των συντελεστών φαίνονται στην εικόνα 5.

Τα κλάσματα των συντελεστών (εικ. 6) υπολογίσθηκαν με το παραπάνω γραμμικό μοντέλο. Το κλάσμα της βλάστησης είναι σχεδόν μηδενικό στην CBD και 100% σε περιοχές με βλάστηση (εικ. 6γ). Επιπλέον, η εικόνα του κλάσματος του εδάφους είναι επίσης συνεπής με την κατανομή του εδάφους (εικ. 6δ). Το RMS για κάθε εικονοστοιχείο εικόνας υπολογίστηκε για να εκτιμηθεί η απόδοση αυτού του μοντέλου (εικ. 7). Αυτό το μοντέλο αντιπροσωπεύει πολύ καλά τις κατοικίες, τη βλάστηση, το έδαφος και το νερό.

Οι πιο αδιαπέραστες επιφάνειες θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύονται από συντελεστές χαμηλής και ψηλής ανακλαστικότητας, ως εξής: R(imp,b)=flow R(low,b)+fhigh R(high,b)+eb (3). Προκειμένου να ελεγχθεί η εγκυρότητα αυτού του μοντέλου, η CBD (εικ. 8α), η οποία αποτελείται από σχετικά ομοιογενείς αδιαπέραστες επιφάνειες, επιλέχθηκε από την εικόνα ΕΤΜ+ ανάκλασης. Ένα μεικτό γραμμικό μοντέλο με δύο συντελεστές διεξήχθη στο CBD και το RMS και ήταν σχετικά μικρό (με μέσο όρο 0,02) πάνω από όλα τα αδιαπέραστα εικονοστοιχεία επιφάνειας (εικ. 8β). Η καταλληλότητα αυτού του μεικτού γραμμικού μοντέλου δύο συντελεστών μπορεί επίσης να φανεί από το χαρακτηριστικό αραιό διάγραμμα (εικ. 9). Το κλάσμα αδιαπέραστης επιφάνειας παρουσιάζει μια χωρική συνοχή στην εικόνα (εικ. 11).

Προκειμένου να εκτιμηθεί η ακρίβεια των αδιαπέραστων επιφανειών, εφαρμόστηκε μια τυχαία μέθοδος δειγματοληψίας. Για την εκτίμηση της ακρίβειας της ταξινόμησης, υπάρχει συναίνεση μεταξύ των ερευνητών ότι τουλάχιστον 50 δείγματα για κάθε κατηγορία είναι λογικά, τόσο στατιστικά όσο και πρακτικά, χρησιμοποιώντας τυχαία ή διαστρωματωμένα συστήματα τυχαίας δειγματοληψίας (Congalton, 1991). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στις εικόνες 12.

Εικόνα 2: Κανονικοποιημένες εξω-ατμοσφαιρικές ανακλάσεις για αντιπροσωπευτικούς τύπους κάλυψης γης που έχουν βαθμονομηθεί με μεθόδους που προτείνονται από τους Markham και Barker (1987). Πηγή: [2]

Εικόνα 3: Στοιχεία MNF της εικόνας ΕΤΜ +. Τα δύο πρώτα στοιχεία MNF απεικονίζουν χωρικά συνεκτικές αντιθέσεις που διαφοροποιούν την CBD, τις κατοικημένες περιοχές, τη βλάστηση και το νερό. Το τρίτο στοιχείο MNF είναι απαραίτητο για την αναγνώριση του εδάφους μεταξύ άλλων τύπων κάλυψης γης. Πηγή: [3]

Εικόνα 4: Παρουσίαση χωρικής εμφάνισης των τριών πρώτων συνιστωσών MNF. Οι ακραίες συστάδες εικονοστοιχείων που συγκόλλησαν σχεδόν όλα τα άλλα εικονοστοιχεία στους τρεις αυτούς χώρους χαρακτηρίστηκαν ως στοιχεία. Τέσσερα στοιχεία, υψηλό albedo (π.χ. σκυρόδεμα, σύννεφα και άμμος), χαμηλή albedo (π.χ. νερό και άσφαλτος), βλάστηση (π.χ. γρασίδι και δέντρα) και έδαφος, αναγνωρίστηκαν σύμφωνα με αυτούς τους χώρους χαρακτηριστικών και τις σχετικές ερμηνείες που προέκυψαν από το αρχικό ανακλαστικά δεδομένα. Πηγή: [4]

Εικόνα 5: Φασματοσκοπία ανακλαστικότητας στο τέλος. Αυτά τα φάσματα, τα οποία προσδιορίζονται μέσω της ανάλυσης των χώρων χαρακτηριστικών, είναι οι είσοδοι του μοντέλου γραμμικού φασματικού μίγματος. Πηγή: [5]

Εικόνα 6: Εικόνα κλασμάτων κάθε τερματικού μέλους: (α) υψηλό albedo; (b) χαμηλή περιεκτικότητα σε αλδεΰδη. γ) βλάστηση · δ) το έδαφος. Αυτά τα κλάσματα στοιχείων υπολογίστηκαν με επίλυση ενός πλήρως περιορισμένου μοντέλου γραμμικής ανάμιξης τεσσάρων μελών με χρήση των δεδομένων ανάκλασης Landsat ETM +. Οι εικόνες της βλάστησης και του εδάφους είναι σύμφωνες με τις γνωστές κατανομές της βλάστησης και του εδάφους στην περιοχή μελέτης. Ωστόσο, οι εικόνες κλάσματος υψηλού albedo και χαμηλού albedo δεν μπορούν να ερμηνευθούν άμεσα από την εικόνα και χρειάζονται περαιτέρω εξερεύνηση. Πηγή: [6]

Εικόνα 7: Ανάλυση φασματικού μίγματος RMS. Η μέση τιμή RMS στην εικόνα είναι 0,0057, πράγμα που υποδηλώνει γενικά καλή προσαρμογή (μικρότερη από 0,02). Δείχνει επίσης ότι το μοντέλο αυτό αντιπροσωπεύει πολύ καλά τα είδη κατοικίας, βλάστησης, εδάφους και νερού. Ωστόσο, η απόδοση δεν είναι τόσο καλή για τη μοντελοποίηση ορισμένων υλικών υψηλού albedo, όπως οροφές υψηλής αντανάκλασης, σύννεφα και σκόνη. Πηγή: [7]

Εικόνα 8: Ανάλυση γραμμικού μείγματος δύο συστατικών στο CBD του Columbus, OH: (α) εικόνα ανάκλασης ΕΤΜ + στην CBD, (β) RMS για μοντέλο γραμμικής ανάμειξης δύο μελών στη CBD. Δείχνει ότι το RMS είναι σχετικά μικρό (με μέσο όρο 0,02) πάνω από όλα τα αδιαπέραστα εικονοστοιχεία επιφάνειας στην περιοχή CBD. Πηγή: [8]

Εικόνα 9: Παρουσίαση χωρικής αναπαράστασης των στοιχείων MNF 1 και 2 για αδιαπέραστες επιφάνειες στην περιοχή CBD. Αυτό το διάγραμμα χώρου χαρακτηριστικών δείχνει ότι η καταλληλότητα αυτού του μοντέλου γραμμικού μείγματος δύο συστατικών είναι σχετικά καλή. Συγκεκριμένα, τα περισσότερα από τα αδιαπέραστα εικονοστοιχεία επιφάνειας στο CBD είναι σε ή σε μικρή απόσταση από τη γραμμή που συνδέει χαμηλό και υψηλό albedo. Πηγή: [9]

Εικόνα 10: Αποτέλεσμα της μη επιτηρούμενης ταξινόμησης του νερού. Ένας αλγόριθμος με δεδομένα ISO εφαρμόστηκε και 20 τάξεις καθορίστηκαν στην ταξινόμηση. Η κατηγορία νερού ελήφθη συνδυάζοντας διάφορα συσσωματώματα νερού. Πηγή: [10]

Εικόνα 11: Εικόνα κλασμάτων αδιάβροχης επιφάνειας. Υπολογίστηκε με την προσθήκη της επεξεργασμένης εικόνας χαμηλού aldebo και υψηλού albedo. Η αδιαπέραστη κατανομή της επιφάνειας παρουσιάζει μια χωρική συνοχή στην εικόνα. Δηλαδή, τα αδιαπέραστα επιφανειακά κλάσματα είναι υψηλά (πάνω από 75%) στην CBD, μεσαία (50-75%) σε κατοικημένες περιοχές υψηλής πυκνότητας, χαμηλά (20-50%) σε κατοικημένες περιοχές χαμηλής πυκνότητας και κοντά στο μηδέν αγροτικές περιοχές. Πηγή: [11]

Εικόνα 12: Αποτελέσματα της αδιάκοπης εκτίμησης της ακρίβειας της εκτίμησης επιφανείας: (α) εκτίμηση ακρίβειας της αδιάφανης εκτίμησης της επιφάνειας, (β) υπολειμματική ανάλυση της αδιαπέρατης εκτίμησης της επιφάνειας. Το συνολικό εκτιμητικό RMS είναι 10,6% για όλα τα δείγματα. Η απόκλιση στην επάνω αριστερή γωνία στο (a) αντιπροσωπεύει μεγάλα σφάλματα εκτίμησης που σχετίζονται με την άμμο. Η υπολειμματική ανάλυση δείχνει ότι το μοντέλο αυτό φαίνεται να υπερεκτιμά ελαφρώς αδιαπέραστο κλάσμα επιφάνειας σε λιγότερο ανεπτυγμένες περιοχές (0-20%), ενώ υποτιμά το CBD (πάνω από 80%). Πηγή: [12]

Συμπέρασμα και μελλοντική έρευνα

Σε αυτή την εργασία, η κατανομή της αδιαπέραστης επιφάνειας, μαζί με τη βλάστηση και την κάλυψη του εδάφους, προέρχονται απευθείας από μια εικόνα ανάκλασης Landsat ETM+ με εφαρμογή ενός πλήρως περιορισμένου μεικτού γραμμικού μοντέλου. Το V-I-S, ειδικά ο άξονας του V-I (εικ. 13), δείχνει τη σύνδεση μεταξύ των συνθέσεων V-I-S και των τύπων αστικής χρήσης γης. Αυτό συμβαδίζει με την αναγνωρισμένη δυνατότητα εφαρμογής του μοντέλου V-I-S για την ανίχνευση των αστικών ζευγών θερμότητας, τη μοντελοποίηση των απορροών και την ανίχνευση περιβαλλοντικών αλλαγών.

Εικόνα 13: Σύνδεση των αδιαφανών τμημάτων της επιφάνειας και της βλάστησης με τους τύπους χρήσης γης (αναθεωρημένη από το Ridd, 1995). Η ποσοτικοποίηση της βλάστησης, η αδιαπέραστη επιφάνεια και το κλάσμα του εδάφους αποτελεί σημαντική επέκταση της παραδοσιακής αστικής χρήσης γης και της αντιστοίχισης της γης. Το τριπλό μοντέλο V-I -S, ειδικά ο άξονας του V-I, δείχνει τη σύνδεση μεταξύ των συνθέσεων V-I-S και των τύπων αστικών χρήσεων γης. Πηγή: [13]