Συγχώνευση δορυφορικών φωτογραφιών Landsat ETM βασισμένη σε πεπερασμένες συναρτήσεις (wavelets)

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο εφαρμογής Συγχώνευση δορυφορικών φωτογραφιών Landsat ETM βασισμένη σε πεπερασμένες συναρτήσεις (wavelets)

Στόχος της εφαρμογής Στη παρούσα εργασία μελετάται η συγχώνευση παγχρωματικών (P) εικόνων του δορυφόρου Landsat ETM και πολυφασματικών (MS) εικόνων με στόχο να παραχθεί μία νέα εικόνα η οποία θα είναι βελτιωμένη φασματικά και θα έχει αποκτήσει υψηλότερη χωρική ανάλυση. Οι περιοχές ελέγχου που επιλέχτηκαν ήταν 3 εκτάσεις στο ευρωπαϊκό τμήμα της Κωνσταντινούπολης οι οποίες διέφεραν μεταξύ τους ως προς τις χρήσεις και καλύψεις της γης. Η εκτίμηση της χωρικής βελτίωσης έγινε με οπτική σύγκριση αντικειμένων διαφορετικής γεωμετρίας στη συγχωνευμένη εικόνα και την αρχική. Για την ανάλυση της φασματικής βελτίωσης συλλέχτηκαν περιοχές επάνω στις εικόνες με διαφορετικές καλύψεις γης, έγινε γραφική απεικόνισή τους για τη παραγόμενη εικόνα και την εικόνα MS και έλαβε χώρα μία σύγκριση μεταξύ τους. Ο βαθμός της φασματικής βελτίωσης εκτιμήθηκε με τη χρήση μίας συσχέτισης που δημιουργήθηκε μεταξύ της τελικής και της πολυφασματικής εικόνας για κάθε κανάλι. Τα αποτελέσματα για τις 3 περιοχές ελέγχου παρουσιάστηκαν με γραφικές παραστάσεις και στατιστικά στοιχεία.

Είδη δορυφορικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν Χρησιμοποιήθηκαν παγχρωματικές (P) εικόνες του δορυφόρου Landsat ETM και πολυφασματικές (MS) εικόνες.

Χρησιμότητα των δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν Οι δέκτες Landsat γενικά επικεντρώνονται στις πλουτοπαραγωγικές πηγές του πλανήτη σε τομείς όπως η γεωλογία, οι μετρήσεις βιομάζας, η χαρτογράφηση των δασών, οι χρήσεις γης, η εδαφοκάλυψη, οι περιβαλλοντικές αλλαγές, οι παράκτιες περιοχές.

Προεπεξεργασίες, προχωρημένες, ειδικές και ψηφιακές επεξεργασίες και αποτελέσματά τους, χάρτες και αιτιολόγηση της χρησιμοποίησης κάθε στοιχείου Η συγχώνευση των δορυφορικών δεδομένων χρησιμοποιείται για την καλύτερη αξιοποίηση της πληθώρας δεδομένων τα οποία καλύπτουν διαφορετικές φασματικές περιοχές και έχουν διαφορετικές χωρικές, χρονικές και φασματικές αναλύσεις. Σκοπός της συγχώνευσης είναι ο συνδυασμός δορυφορικών δεδομένων με διαφορετικά και συμπληρωματικά χαρακτηριστικά για τη δημιουργία μίας νέας εικόνας που θα περιλαμβάνει όσο το δυνατόν περισσότερα από τα χαρακτηριστικά και τις πληροφορίες των αρχικών δεδομένων. Παραδοσιακές τεχνικές συγχώνευσης δεδομένων τηλεανίχνευσης αποτελούν η ανάλυση στις κύριες συνιστώσες (PCA), ο μετασχηματισμός Brovey, η ανάλυση που βασίζεται στην ένταση του τόνου (IHS) και η συγχώνευση σε επίπεδο απόφασης. Στο παρόν ερευνητικό έργο η συγχωνευμένη εικόνα παράχθηκε από παγχρωματικά και πολυφασματικά δεδομένα του ίδιου δέκτη με σκοπό τη βελτίωση της χωρικής ανάλυσης της πολυφασματικής εικόνας. Επιλέχτηκε σαν περιοχή μελέτης η Κωνσταντινούπολη καθώς αποτελεί μητροπολιτική πόλη μεγάλου οικονομικού και τουριστικού ενδιαφέροντος. Συγκεκριμένα επιλέχτηκαν 3 περιοχές που έχουν ποικίλες χρήσεις και καλύψεις γης, όπως λ.χ. αυτοκινητοδρόμους, αεροδρόμια, αγροτικές καλλιέργειες, βιομηχανικές εκτάσεις στο ευρωπαϊκό τμήμα της πόλης. Οι Εικόνες 1α, 2α, 3α παρουσιάζουν τις αρχικές πολυφασματικές εικόνες Landsat, οι Εικόνες 1β, 2β, 3β παρουσιάζουν τις αρχικές παγχρωματικές εικόνες Landsat και οι Εικόνες 1γ, 2γ, 3γ παρουσιάζουν τις συγχωνευμένες εικόνες.

1α, 2α, 3α: Οι πολυφασματικές εικόνες Landsat Εικόνες 1β, 2β, 3β: Οι παγχρωματικές εικόνες Landsat Εικόνες 1γ, 2γ, 3γ: Οι συγχωνευμένες εικόνες,Πηγή:http://www.isprs2007ist.itu.edu.tr/29.pdf

Aπαραίτητη προϋπόθεση για την αξιοπιστία της μεθόδου συγχώνευσης είναι η γεωμετρική διόρθωση των αρχικών εικόνων. Στην υπό εξέταση περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν πολυωνυμικές εξισώσεις πρώτου βαθμού και η εικόνα P προβλήθηκε σε μερκατορικό σύστημα συντεταγμένων με σημεία ελέγχου πάνω στο έδαφος που προέκυψαν από χάρτες κλίμακας 1:5000, ενώ η εικόνα MS προβλήθηκε στο ίδιο σύστημα με τη βοήθεια της διορθωμένης παγχρωματικής εικόνας. Η συγχώνευση μπορούσε να γίνει με 2 τρόπους: 1.την αντικατάσταση συντελεστών της εικόνας χαμηλότερης ανάλυσης από συντελεστές της εικόνας υψηλής ανάλυσης 2.την πρόσθεση συντελεστών της εικόνας υψηλής ανάλυσης στα δεδομένα της εικόνας χαμηλής ανάλυσης Τα βήματα που ακολουθήθηκαν στην διαδικασία συγχώνευσης ήταν τα ακόλουθα: 1.αποσύνθεση της παγχρωματικής εικόνας υψηλής ανάλυσης σε άλλες εικόνες P χαμηλής ανάλυσης με συντελεστές σε κάθε επίπεδο 2.αντικατάσταση μίας εικόνας P από ένα κανάλι εικόνας MS που να ανήκει στο ίδιο επίπεδο χωρικής ανάλυσης 3.αντίστροφος μετασχηματισμός με στόχο την μετατροπή στο αρχικό επίπεδο ανάλυσης της εικόνας που έχει αποσυντεθεί στο βήμα 1 και της εικόνας P που έχει αντικατασταθεί στο βήμα 2

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων Η διαδικασία συγχώνευσης παρήγαγε 9 αποτελέσματα, δηλαδή 3 για κάθε μία από τις περιοχές. Κάθε αποτέλεσμα περιέχει διαφορετικές καλύψεις γης και οι ψηφιακές του τιμές για τα κανάλια 2, 3 και 4 αναφέρονται στην εικόνα MS. Η συγχωνευμένη εικόνα χρησιμοποιήθηκε για να προσδιοριστεί η συσχέτιση μεταξύ αυτής και της πολυφασματικής. Ο υψηλή συσχέτιση απέδειξε ότι τα φασματικά χαρακτηριστικά της εικόνας MS διατηρήθηκαν σε μεγάλο βαθμό. Οι καλύτερες συσχετίσεις έγιναν στην περιοχή εκείνη όπου υπήρχαν συμμετρικές αστικές δομές (π.χ. συμμετρικά βιομηχανικά κτίρια). Το θαλασσινό νερό έδωσε καλύτερα αποτελέσματα από τη λίμνη εφόσον η συγχώνευση αλλοίωσε τα φασματικά χαρακτηριστικά του νερού της λίμνης. Οι περιοχές αεροδρομίου και χωραφιών με γρασίδι έδωσαν υψηλές τιμές συσχέτισης.

Η Εικόνα 2α είναι μία παγχρωματική φωτογραφία για τη μία περιοχή ελέγχου, η Εικόνα 2β αποτελεί μία πολυφασματική απεικόνιση της ίδιας περιοχής και η Εικόνα 2γ είναι το αποτέλεσμα της συγχώνευσης των προαναφερθεισών εικόνων. Είναι εμφανές ότι έγιναν σημαντικές βελτιώσεις στην ανάλυση γραμμικών κατασκευών, όπως ο αυτοκινητόδρομος και τα όρια αγροτικών καλλιεργειών και κτιρίων. Η συγχωνευμένη εικόνα έχει μεν καλύτερη χωρική ανάλυση από την πολυφασματική, αλλά χειρότερη από την παγχρωματική. Οι Εικόνες 3 παρουσιάζουν αντίστοιχες απόψεις για άλλη περιοχή ελέγχου.

α) Παγχρωματική άποψη μίας περιοχής ελέγχου, β) Πολυφασματική άποψη της ίδιας περιοχής ελέγχου, γ) Η σύνθεση των εικόνων α και β,Πηγή:http://www.isprs2007ist.itu.edu.tr/29.pdf

α) Παγχρωματική άποψη μίας περιοχής ελέγχου, β) Πολυφασματική άποψη της ίδιας περιοχής ελέγχου, γ) Η σύνθεση των εικόνων α και β,Πηγή:http://www.isprs2007ist.itu.edu.tr/29.pdf

Πηγή 1. F. Bektas Balcik - E. Sertel, «WAVELET-BASED IMAGE FUSION OF LANDSAT ETM IMAGES: A CASE STUDY FOR DIFFERENT LANDSCAPE CATEGORIES OF ISTANBUL» 2. Κωνσταντίνος Καρτάλης – Χαράλαμπος Φειδάς, Βιβλίο «Αρχές και εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης», Β. Γκιούρδας Εκδοτική