Εξαγωγή χαρακτηριστικών με χρήση δείκτη κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI): μια μελέτη περίπτωσης της πόλης Jabalpur

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος "Feature Extraction using Normalized Difference Vegetation Index (NDVI): a Case Study of Jabalpur City"

Συγγραφείς: A. K. Bhandaria, A. Kumara, and G. K. Singhb Πηγή:[[1]]

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Αυτή η μελέτη διερευνά τη χρήση πολυφασματικών εικόνων για την ανάλυση της περιοχής Jabalpur, με στόχο την εξαγωγή χαρακτηριστικών όπως βλάστηση, υδάτινα σώματα, κάλυψη γης και αστικές περιοχές για δημόσια χρήση και πρόληψη καταστροφών, ιδιαίτερα πλημμύρες. Η μελέτη χρησιμοποιεί πολυφασματικές εικόνες INSAT με κανάλια στο εγγύς υπέρυθρο, στο κόκκινο και στο πράσσινο. Η ψηφιακή επεξεργασία εικόνας περιλαμβάνει αλγόριθμους και NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) για την επισήμανση της βλάστησης. Το NDVI βρίσκει εφαρμογές στην παρακολούθηση της βλάστησης, στην αξιολόγηση της κάλυψης των καλλιεργειών και στην παρακολούθηση της ξηρασίας. Διάφορες τεχνικές όπως το NDVI, το Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο (ANN) και μέθοδοι όπως ο Διακριτής Μετασχηματισμός Κυματιδίων (DWT) και η Αποσύνθεση Ενιαίας Τιμής (SVD) χρησιμοποιούνται για την ανάλυση δορυφορικών εικόνων. Ο στόχος είναι η εξαγωγή χαρακτηριστικών από δεδομένα πολλαπλών ζωνών, παρουσιάζοντας διαφορετικές μεθοδολογίες για εξαγωγή και ανάλυση χαρακτηριστικών.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Η έρευνα επικεντρώθηκε σε μια μελέτη περίπτωσης που πραγματοποιήθηκε στο κεντρικό τμήμα της Ινδίας, συγκεκριμένα στην περιοχή Jabalpur. Τοποθετημένο εντός της Madhya Pradesh της Ινδίας, το Jabalpur βρίσκεται περίπου σε 23° 10' 0" βόρειο γεωγραφικό πλάτος και 79° 57' 0" ανατολικό γεωγραφικό μήκος, όπως απεικονίζεται στο Fig 1α.

ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΟΥ NDVI

Ο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την αξιολόγηση της υγείας των καλλιεργειών σε γεωργικά πλαίσια. Λόγω των διαφορών στις ιδιότητες του εδάφους μεταξύ των χωραφιών, η γεωργία ακριβείας βασίζεται σε γεωστατιστικές για την ανάλυση των επιφανειών χωρικής συνέχειας που παράγονται από πληροφορίες σημείου NDVI. Οι εικόνες που ανιχνεύονται από απόσταση, που χαρακτηρίζονται από χωρικές και φασματικές αναλύσεις, παίζουν καθοριστικό ρόλο. Οι χωρικές και φασματικές αναλύσεις αναφέρονται στη γεωμετρική σχέση μεταξύ των εικονοστοιχείων και των παραλλαγών εντός των εικονοστοιχείων με βάση το μήκος κύματος. Το NDVI, που προέρχεται από πολυφασματικές εικόνες τηλεπισκόπησης, χρησιμοποιεί αυτές τις αναλύσεις για να διακρίνει τη βλάστηση από άλλα υλικά, βασιζόμενο κυρίως στα μοναδικά μοτίβα ανακλαστικότητας σε διαφορετικές φασματικές ζώνες. Το NDVI χρησιμεύει ως κοινός και αποτελεσματικός δείκτης για την ανάδειξη περιοχών βλάστησης σε εικόνες τηλεπισκόπησης.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΟΝ ΔΕΙΚΤΗ NDVI

Αυτή η ενότητα χρησιμοποιεί την τεχνική NDVI για την εξαγωγή διαφόρων χαρακτηριστικών από τη δορυφορική εικόνα 3 ζωνών της περιοχής Jabalpur. Η βλάστηση είναι ένας κρίσιμος βιοφυσικός δείκτης για τη διάβρωση του εδάφους και οι δείκτες βλάστησης που προέρχονται από δορυφορικές εικόνες βοηθούν στην αξιολόγηση της κατανομής της. Το NDVI, ένας αριθμητικός δείκτης, βασίζεται στη διαφορά μεταξύ των ζωνών Near-Infrared (NIR) και των κόκκινων ζωνών, παρέχοντας πληροφορίες για τη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Ομαλοποιεί αυτή τη διαφορά για να μετριάσει τον αντίκτυπο του ανομοιόμορφου φωτισμού, όπως οι σκιές ή τα σύννεφα. Οι τιμές NDVI αντιστοιχούν σε διαφορετικούς τύπους κάλυψης γης, με τις χαμηλές τιμές να υποδεικνύουν άγονες περιοχές, τις μέτριες τιμές να αντιπροσωπεύουν θάμνους και λιβάδια και οι υψηλές τιμές να υποδηλώνουν εύκρατα και τροπικά δάση. Η εξαγωγή των χαρακτηριστικών εκτελείται χρησιμοποιώντας τρεις ορατές ζώνες: κοντά στο υπέρυθρο, ορατό κόκκινο και ορατό πράσινο. Ο βαθμός πρασίνου συνδέεται με τη συγκέντρωση χλωροφύλλης, επηρεάζοντας τις τιμές NDVI μέσω της απορρόφησης του κόκκινου φωτός από τη χλωροφύλλη και της ανάκλασης της υπέρυθρης ακτινοβολίας από τα γεμάτα νερό κύτταρα φύλλων. Το διάγραμμα ροής στο Fig.3 περιγράφει τα βήματα της προτεινόμενης μεθοδολογίας, δίνοντας έμφαση στην εφαρμογή του NDVI για εξαγωγή χαρακτηριστικών σε διαφορετικές φασματικές ζώνες.

1. Εύρεση βλάστησης σε πολυφασματική δορυφορική εικόνα

Για την ανίχνευση του δείκτη βλάστησης σε μια πολυφασματική εικόνα, η διαδικασία NDVI περιλαμβάνει τον διαχωρισμό κάθε ζώνης που υπάρχει στη δορυφορική εικόνα. Μετά από αυτόν τον διαχωρισμό, η μέθοδος NDVI εφαρμόζεται χρησιμοποιώντας διαφορετικές τιμές κατωφλίου, όπως 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,3, 0,35, 0,4 και 0,5. Αυτές οι διάφορες τιμές κατωφλίου χρησιμοποιούνται για την επίτευξη βέλτιστων αποτελεσμάτων στην εξαγωγή πληροφοριών βλάστησης από τη δορυφορική εικόνα της περιοχής Jabalpur.

2. Δημιουργία εικόνων FCC (False Color Composite)

Η διαδικασία αλλαγής των χρωμάτων σε μια εικόνα, όπως η αντικατάσταση του κόκκινου με μπλε, του πράσινου με κόκκινο και του μπλε με πράσινο, είναι γνωστή ως ψευδής έγχρωμη εικόνα ή Σύνθετο ψευδών χρωμάτων (FCC). Ο σκοπός της δημιουργίας μιας σύνθεσης ψευδών χρωμάτων είναι να επισημανθούν και να εντοπιστούν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά μέσα στην εικόνα με την ανάθεση διαφορετικών χρωμάτων σε αυτά.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ

Η μελέτη χρησιμοποιεί εκτενώς τοn NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) για την αξιολόγηση της ευρωστίας και του ρυθμού ανάπτυξης της βλάστησης, καθώς και για την ανίχνευση αλλαγών στη βλάστηση. Τα αποτελέσματα που εξάγονται από τη δορυφορική εικόνα της περιοχής Jabalpur συγκρίνονται με τις εικόνες του Google Earth, παρουσιάζοντας σημαντική βελτίωση. Οι πολυφασματικές εικόνες αποδίδουν βέλτιστα αποτελέσματα για όλα τα χαρακτηριστικά σε τιμή NDVI 0,3, ενώ η δεύτερη εικόνα έχει καλή απόδοση σε τιμή NDVI 0,2. Οι τιμές NDVI κυμαίνονται από 0,1 έως 0,5 για την εξαγωγή των καλύτερων χαρακτηριστικών από το Jabalpur. Η ανάλυση περιλαμβάνει διάφορες ζώνες, δείκτες βλάστησης και σύνθετα ψεύτικα χρώματα, επιδεικνύοντας διακριτά χαρακτηριστικά όπως βλάστηση, δομές, υδάτινα σώματα και υπόλοιπες περιοχές στην περιοχή Jabalpur.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη χρησιμοποιεί εκτενώς τοn NDVI για την αξιολόγηση της ζωτικότητας και του ρυθμού ανάπτυξης των φυτών, καθώς και για τον εντοπισμό αλλαγών στη βλάστηση. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από την ανάλυση της δορυφορικής εικόνας της περιοχής του Jabalpur συγκρίνονται με εικόνες του Google Earth, εμφανίζοντας σημαντική βελτίωση. Οι πολυφασματικές εικόνες παρέχουν βέλτιστα αποτελέσματα για όλα τα χαρακτηριστικά στην τιμή NDVI 0,3, ενώ η δεύτερη εικόνα λειτουργεί καλά στην τιμή NDVI 0,2. Οι τιμές NDVI κυμαίνονται από 0,1 έως 0,5 για την εξαγωγή των καλύτερων χαρακτηριστικών από το Jabalpur. Η ανάλυση περιλαμβάνει διάφορες ζώνες, δείκτες βλάστησης και λανθασμένες χρωματικές σύνθεσής, επιδεικνύοντας διακριτικά χαρακτηριστικά, όπως η βλάστηση, τα κτίρια, τα ύδατα και τα υπόλοιπα στην περιοχή του Jabalpur.