Εφαρμογή 1 στον Ελλαδικό χώρο

Από RemoteSensing Wiki

Εφαρμογή 1: Σύγκριση της Επιβλεπόμενης και Μη Επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε περιοχή της Στερεάς Ελλάδας με την χρήση πολυφασματικής εικόνας Landsat TM

Η ταξινόμηση εικόνας είναι ένα σημαντικό κομμάτι της τηλεπισκόπησης και της ανάλυσης εικόνας, που γίνεται όλο και σημαντικότερη κατά τις τελευταίες δεκαετίες, καθώς η πρόσβαση σε υψηλής ανάλυσης τηλεπισκοπικά δεδομένα είναι πιο εύκολη σε σχέση με το παρελθόν.

Οι διαφορετικές προσεγγίσεις ταξινόμησης δορυφορικών εικόνων συγκρίθηκαν σε αυτή την εφαρμογή χρησιμοποιώντας μια εικόνα της Στερεάς Ελλάδας. Συγκεκριμένα, η ταξινόμηση της κάλυψης και χρήσης του εδάφους της περιοχής έρευνας έγινε εφαρμόζοντας την επιβλεπόμενη μέθοδο ταξινόμησης της Μεγίστης Πιθανοφάνειας (ML) και τον μη επιβλεπόμενο αλγόριθμο ISODATA. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Μια δορυφορική εικόνα Landsat TM και το λογισμικό επεξεργασίας εικόνας ER Mapper χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση της εφαρμογής.

Σε αυτή την εφαρμογή, η περιοχή της Λαμίας στα ανατολικά του γεωγραφικού διαμερίσματος της Στερεάς Ελλάδας επιλέχθηκε ως η περιοχή μελέτης, που καλύπτει περίπου 110.000 km2. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται ανάμεσα στους ορεινούς όγκους της Οίτης και της Όθρυς. Την περιοχή διασχίζει ο ποταμός Σπερχειός με κατεύθυνση από Βορειοδυτικά προς Νοτιοανατολικά. Από τον ποταμό Σπερχειό αρδεύεται όλη η περιοχή του κάμπου που βρίσκεται ανάμεσα στις δυο ορεινές μάζες και έτσι έχει μεγάλη οικονομική σημασία. Οι γεωργικές εκτάσεις στην κοιλάδα του Σπερχειού είναι υπό εντατική διαχείριση με πολλαπλά συστήματα καλλιέργειας. Οι κύριες χρήσεις γης στην περιοχή μελέτης είναι διάφοροι τύποι καλλιεργειών συμπεριλαμβανομένων το βαμβάκι, το σιτάρι, τους ελαιώνες, τα ακτινίδια και τις φιστικιές.

Για την ταξινόμηση της περιοχής μελέτης χρησιμοποιήθηκε μια πολυφασματική εικόνα Landsat TM , που λήφθηκε στις 14 Απριλίου του 2007. Η εικόνα διορθώθηκε γεωμετρικά στο σύστημα συντεταγμένων WGS84.

Εικόνα 1 : Το έγχρωμο σύνθετο 3,2,1 (R,G,B) της πολυφασματικής εικόνας Landsat TM της 14ης Απριλίου 2007, που απεικονίζει την περιοχή μελέτης της παρούσας εφαρμογής.

Εικόνα 2 : Tο ψευδέγχρωμο σύνθετο 4,3,2 (R,G,B) στο οποίο τονίζεται η βλάστηση της περιοχής με έντονο χρώμα- κόκκινο.

Οι ταξινομήσεις εικόνας έγιναν χρησιμοποιώντας επιβλεπόμενες και μη επιβλεπόμενες τεχνικές. Συγκεκριμένα, η ταξινόμηση της Μεγίστης Πιθανοφάνειας επιλέχθηκε για την ταξινόμηση της εικόνας της περιοχής μελέτης, καθώς έχει αποδειχθεί ότι είναι η πιο ακριβής και η πιο συχνά χρησιμοποιημένη μέθοδος επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Ο ταξινομητής αυτός, βασίζεται στην θεωρία πιθανοτήτων του Bayes.

Από τις μη επιβλεπόμενες τεχνικές ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε ο επαναληπτικής βελτιστοποίησης αλγόριθμος ανάλυσης συσσωρεύσεων ISODATA. Αυτή η τεχνική εκτελεί επανειλημμένα μια ολόκληρη ταξινόμηση και επαναϋπολογίζει τα στατιστικά στοιχεία με ελάχιστα δεδομένα εισόδου για τον εντοπισμό συσσωρεύσεων και επίσης είναι σχετικά απλή.

Ο ταξινομητής της Μεγίστης Πιθανοφάνειας χρησιμοποιήθηκε όπως περιγράφθηκε προηγουμένως, για να ταξινομήσει την εικόνα της περιοχής μελέτης στις διάφορες κατηγορίες κάλυψης εδάφους. Οι τάξεις εδαφοκάλυψης που ορίστηκαν, καθώς και το χρώμα που περιγράφει την κάθε τάξη φαίνονται παρακάτω. Συνολικά διακρίθηκαν 16 τάξεις.

Εικόνα 3 : Η απεικόνιση της περιοχής μελέτης στην οποία φαίνονται τα πολύγωνα που ορίζουν τις επιλεγμένες περιοχές εκπαίδευσης και η διασπορά τους.

Ο 16 τάξεων χάρτης ταξινόμησης της περιοχής μελέτης που παράχθηκε με τη χρήση της επιβλεπόμενης μεθόδου της Μεγίστης Πιθανοφάνειας παρουσιάζεται στην εικόνα 4. Η οπτική σύγκριση με το ψευδέγχρωμο σύνθετο 4,3,2 δείχνει ότι ο χάρτης ταξινόμησης παρείχε σχετικά καλούς διαχωρισμούς μεταξύ των τάξεων καλλιέργειας και μη-καλλιέργειας.

Εικόνα 4 : Ο 16 τάξεων ταξινομημένος χάρτης που παράχθηκε από την εικόνα Landsat TM, της 14ης Απριλίου 2007 με τη χρήση του επιβλεπόμενου ταξινομητή της Μεγίστης Πιθανοφάνειας .

Στην παρούσα μελέτη, αφού εκτελέστηκε η επιβλεπόμενη ταξινόμηση ακολούθησε η εκτέλεση της μη επιβλεπόμενης προσέγγισης με βάση τον αλγόριθμο ISODATA, για την περιοχή μελέτης. Στην εικόνα 5 φαίνεται ο χάρτης κάλυψης εδάφους έτσι όπως παράχθηκε από την εικόνα Landsat TM με τη χρήση του αλγορίθμου ISODATA. Είναι γεγονός ότι αυτή η μη επιβλεπόμενη προσέγγιση φαίνεται να δυσκολεύεται να ταξινομήσει ικανοποιητικά την κάλυψη του εδάφους στην μεγάλης έκτασης περιοχή μελέτης.

Εικόνα 5 : Ο χάρτης κάλυψης και χρήσης του εδάφους που παράχθηκε από την εικόνα Landsat TM της 14ης Απριλίου 2007 με βάση τον μη επιβλεπόμενο αλγόριθμο ISODATA.

Συγκρίνοντας τις δύο εικόνες που παράχθηκαν από τις δυο διαφορετικές προσεγγίσεις ταξινόμησης με επίγειους ελέγχους στην περιοχή που πραγματοποιήθηκαν το καλοκαίρι του 2011, φαίνονται σαφώς πιο κοντά στην πραγματικότητα τα αποτελέσματα στην επιβλεπόμενη ταξινόμηση της Μεγίστης Πιθανοφάνειας σε σχέση με την μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Οι τάξεις που λήφθηκαν από τη μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση είναι αρκετά ετερογενείς, έχει όμως ενδιαφέρον ότι τα γραμμικά στοιχεία της περιοχής οριογραμμές αγροτεμαχίων, ρέματα και δευτερεύοντες οδοί, φαίνονται καθαρά. Συγκρίνοντας με το θεματικό χάρτη, ο οποίος προέκυψε από την ταξινόμηση με τη μέθοδο της Μεγίστης Πιθανοφάνειας τα γραμμικά στοιχεία εμφανίζονται απολύτως ικανοποιητικά στη μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση, αλλά ο διαχωρισμός των τάξεων των καλλιεργειών μεταξύ τους (ακόμη και ο διαχωρισμός των πολυγώνων διαφορετικών χρήσεων – καλύψεων γης) είναι σαφώς ποιοτικότερος στην ταξινόμηση της μεγίστης πιθανοφάνειας.