Εξαγωγή των αρχαιολογικών χαρακτηριστικών με το Ikonos-2 στο Hisar (νοτιοδυτική Τουρκία)
Από RemoteSensing Wiki
Authors: V. De Laet, E. Paulissen, M. Waelkens
Εισαγωγή
Η αρχαιολογική έρευνα στην περιοχή της Sagalassos, Hisar(νοτιοδυτική Τουρκία) είναι ένα διεπιστημονικό πρόγραμμα στο οποίο συμμετέχουν πέραν των επιστημόνων που σχετίζονται με την αρχαιολογία, επιστήμονες νέων τεχνολογιών όπως η τηλεπισκόπηση με μεγάλη διακριτική ικανότητα (2.5m). Αυτή η μελέτη εστιάζει στην αξιολόγηση των εικονοστοιχείων και στην αυτόματη εξαγωγή αρχαιολογικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων από το δορυφόρο Ikonos-2 με σκοπό την ερμηνεία αρχαίων δομών. Διάφορα τοπία, συμπεριλαμβανομένου αρχαιολογικών ερειπίων, μπορούν αυτόματα να ταξινομηθούν όταν οι ψηφιακές υπογραφές τους είναι διαφορετικές. Παρατηρούνται σημαντικές δυσκολίες κατά την εξαγωγή και την ταξινόμηση αρχαιολογικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων όταν τα υλικά τους με αυτά του περιβάλλοντος τους ταυτίζονται. Πολλές φορές η οπτική ερμηνεία είναι αποδοτικότερη σε σχέση με τις αυτόματες μεθόδους.
Τι γινόταν
Το να δεις αρχαιολογικά μνημεία από το επίπεδο του εδάφους δυσκολεύει τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων και άλλες φορές δε φαίνονται. Από την αρχή του 20ού αιώνα, χρησιμοποιήθηκε η αεροφωτογραφία στην αρχαιολογία.. Με την εκτόξευση του πρώτου δορυφόρου Landsat το 1972, η δορυφορική τηλεπισκόπηση έγινε επίσης προσιτή στην αρχαιολογία. Πολλές από τις εικόνες αυτές δεν παρείχαν περισσότερες πληροφορίες από την αεροφωτογραφία για αυτό το 1999 εκτοξεύθηκε ο Ikonos. Αυτός ο δορυφόρος παρέχει παγχρωματικές φωτογραφίες με χωρική διακριτική ικανότητα 1m. Σε αυτή την μελέτη για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν εικόνες από τρεις δορυφόρους (ASTER, SPOT, Ikonos-2).
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης είναι το Hisar στην νοτιοδυτική Τουρκία. Επελέγη λόγω των μεγάλων και εμφανών του αρχαιολογικών του δομών. Η περιοχή Hisar είναι σε έναν απομονωμένο λόφο με ασβεστολιθικά πετρώματα με απότομες πλαγιές μεταξύ 1050 και 1200 μέτρων. Περιβάλλεται από βαριά τείχη που χρονολογούνται από την εποχή του σιδήρου και την Ελληνιστική περίοδο. Δυτικά βρίσκεται η εύφορη λεκάνη της Canakli γεμάτη με αλλουβιακές αποθέσεις. Στην εικόνα 1 φαίνεται η περιοχή Hisar μέσω του ASTER και τα περίχωρά του.
Ο ASΤER καταγράφει δεδομένα με 14 φασματικά κανάλια. 3 στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο (VNIR) με χωρική διακριτική ικανότητα 15 m, 6 στo υπέρυθρο (SWIR) με 30 m, και 5 στο θερμικό (TIR) με 90m. O SPOT5 έχει υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα 2.5 m για τo παγχρωματικό κανάλι, 10 m για τα κανάλια VNIR και 20 m για τα SWIR. Ο Ikonos -2 έχει ένα παγχρωματικό κανάλι με χωρική διακριτική ικανότητα 1 m και 4 πολυφασματικά κανάλια με χωρική διακριτική 4 m. Πριν την ολοκλήρωση της εξαγωγής των αρχαιολογικών χαρακτηριστικών από τον ikonos-2 γίνεται ένας συγκερασμός των στοιχείων του παγχρωματικού και των πολυφασματικών καναλιών χρησιμοποιώντας την μετατροπή IHS (Φωτεινότητα, Χροιά, Κορεσμός) με σκοπό την δημιουργία μιας έγχρωμης εικόνας υψηλής διακριτικής ικανότητας (pan-sharpened). Ο συγκερασμός αυτός δημιουργεί επιπτώσεις στην βασισμένη στα εικονοστοιχεία ταξινόμηση με αποτέλεσμα στην περίπτωση του Ikonos να προέρχεται από εικόνες χωρικής διακριτικής ικανότητας 4 m. Στη συνέχεια η pan-sharpened εικόνα διορθώνεται (rectify) με το PCI Geomatics χρησιμοποιώντας σημεία ελέγχου προερχόμενα από τοπογραφικό χάρτη 1: 25000. Κατά τη διαδικασία αποκτήσεως των δορυφορικών στοιχείων, οι πληροφορίες μετατρέπονται σε ψηφιακούς αριθμούς. Έτσι τα στοιχεία διαφορετικών δεκτών ή διαφορετικού χρόνου λήψεως πρέπει να συγκριθούν, και να προεπεξεργαστούν ραδιομετρικά.
Μέθοδος
Αρχικά γίνεται μία οπτική ερμηνεία των εικόνων ikonos-2 ψηφιοποιώντας διάφορες αρχαιολογικές δομές βασισμένες στη μορφή, τον τόνο, τη γραμμικότητα και τα χωρικά πρότυπα. Ο αρχικός στόχος αυτής της έρευνας είναι να αξιολογηθεί η συμβολή μιας αυτόματης εξαγωγής αρχαιολογικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων έναντι μιας οπτικής ερμηνείας από τα πολύ υψηλής διακριτικής ικανότητας μέσα τηλεπισκόπησης. Επομένως, εξετάζονται τρεις διαφορετικές μέθοδοι:
- • GIS-based method (φιλτράρισμα με ενίσχυση ακμών)
Τονίζονται περιοχές απότομων αλλαγών σε συνεχείς επιφάνειες δημιουργώντας ένα νέο εικονοστοιχείο προερχόμενο από το αρχικό και τα περιβάλλοντα αυτό εικονοστοιχεία.
- • a pixel-based method (ταξινόμηση μέγιστης πιθανοφάνειας)
Λαμβάνονται υπόψιν τα φασματικά χαρακτηριστικά των εικονοστοιχείων της εικόνας. Τέτοιες μέθοδοι είναι SAM, Παραλληλεπιπέδου, Ελάχιστης Απόστασης, Μέγιστης Πιθανοφάνειας. Από αυτές επελέγη η ταξινόμηση μέγιστης πιθανοφάνειας λόγω της ενσωμάτωσης μεταβλητότητας και συμμεταβλητότητας των φασματικών κλάσεων. Αυτή η μέθοδος ταξινόμησης τοποθετεί ένα εικονοστοιχείο στην κατηγορία με την υψηλότερη πιθανότητα. Δεδομένου ότι οι αρχαιολογικές δομές του Hisar αποτελούνται κυρίως από τείχη ασβεστόλιθου ύψους 0.5-1 m, ανιχνεύονται από τις σκιές τους. Ως εκ τούτου, μόνο οι δύο κατηγορίες (τοίχοι και σκιές των τοίχων) επιλέγονται για την εξαγωγή των αρχαιολογικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων. Ο ασβεστόλιθος χαρακτηρίζεται από απορροφήσεις στα μήκη στην περιοχή 1.8-2.5 μm, με δύο ισχυρές απορροφήσεις σε 2.3-2.35 μm και 2.50-2.55 μm και τρεις πιο αδύναμες σε 1.85-1.97 μm, 1.97-2.00 μm και 2.12-2.16 μm. Περιοχές κάτω από σκιά τροποποιούν την ψηφιακή υπογραφή τους σημαντικά καθώς η σκιά μειώνει το συντελεστή ανάκλασης.
- • an object-based method (κατάτμηση ακολουθούμενη από ταξινόμηση εγγύτερης όμορης περιοχής)
H τεχνική αυτή eCognition αρχίζει με μια κατάτμηση: η εικόνα υποδιαιρείται σε ομοιογενείς περιοχές με βάση τα φασματικά χαρακτηριστικά τους, μορφή, κλίμακα (μέγιστη ετερογένεια) και επίπεδο ιεράρχησης. Η κατάτμηση ξεκινά σε επίπεδο εικονοστοιχείου όταν αυτό θεωρείται ξεχωριστό αντικείμενο (εικόνα 2). Ένα νέο επίπεδο παράγεται με βάση το προηγούμενο επίπεδο (επίπεδο 1 στην εικόνα 2 ). Στην κατάτμηση γίνεται η υπόθεση ότι οι ετερογενείς επιφάνειες εκτείνονται σ’ όλο και μεγαλύτερες περιοχές.
Το πρόβλημα στην περιοχή είναι ότι οι αρχαιολογικές δομές και το περιβάλλον τους αποτελούνται από λευκό ασβεστόλιθο κάνοντας την ταξινόμηση αρκετά δύσκολη. Επιπλέον τα αρχαία μνημεία πολλές φορές καλύπτονται από βρύα και λειχήνες με αποτέλεσμα να αλλάζει η ανάκλαση τους. Τα στοιχεία που φαίνονται στην εικόνα 3 είναι υπολείμματα ενός Βυζαντινού και προ- Ελληνιστικού τείχους και μερικέ προ- ρωμαϊκές οικίες. Η περίμετρος φαίνεται να υπολογίζεται στα 510m και τα σπίτια φαίνεται να καλύπτουν μία έκταση 3800 m2.
Αποτελέσματα
Το αρχικό αποτέλεσμα της αυτόματης εξαγωγής αρχαιολογικών χαρακτηριστικών από την ενίσχυση ακμών είναι μια εικόνα στην κλίμακα του γκρι (εικόνα 4a).Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια εικόνα με χαρακτηριστικά σκίασης και μη-σκίασης στο κόκκινο και κίτρινο (εικόνα 4d). Αυτό όμως δεν αρκεί.
Η εικόνα 5 παρουσιάζει τα αποτελέσματα της ταξινόμησης με μέγιστη πιθανοφάνεια στην οποία φαίνεται η μαλακή και σκληρή ταξινόμηση.
Παρόμοια με την ταξινόμηση μέγιστης πιθανοφάνειας τα ασβεστολιθικά στρώματα και οι σκιές των τειχών και άλλα χαρακτηριστικά γνωρίσματα τοπίων επιλέγονται για την ταξινόμηση των αρχαιολογικών δομών. Για περιοχές κάτω από σκιά, εφαρμόζεται ένα δεύτερο επίπεδο κατάτμησης επειδή είναι πιο ομοιογενείς. Η εικόνα 6 δείχνει τα αποτελέσματα της κατάτμησης και των ασβεστολιθικών στρωμάτων και των περιοχών κάτω από τη σκιά. Από την εικόνα φαίνεται ότι πολλές αρχαιολογικές δομές είναι καλώς τετμημένες και εμφανίζονται σαν χωριστά αντικείμενα. Με τη χρησιμοποίηση αυτής της ταξινόμησης, έχουμε ακρίβεια σε 80%.
