Χαρτογράφηση χρήσεων και κάλυψη γης από δορυφορικά δεδομένα Sentinel 2 και Landsat 8
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Χαρτογράφηση χρήσεων και κάλυψη γης από δορυφορικά δεδομένα Sentinel 2 και Landsat 8
Συγγραφείς: Αγγελίνα Μιχαήλ
Πηγή: https://ktisis.cut.ac.cy/handle/10488/15518
Λέξεις κλειδιά: Τηλεπισκόπηση, Sentinel 2, Landsat 8, ταξινόμηση, Μέγιστη Πιθανοφάνεια, Ελάχιστη Απόσταση, Φασματική Γωνία
Αντικείμενο Εφαρμογής: Χαρτογράφηση καλλιεργειών
Περίληψη
Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων ταξινόμησης, εικόνων της Κύπρου από τους δορυφόρους Landsat 8 και Sentinel 2. Χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι Μέγιστης Πιθανοφάνειας, Ελάχιστης Απόστασης και Φασματικής Γωνίας με τις ίδιες περιοχές εκπαίδευσης. Ακολουθήθηκαν δύο στρατηγικές ταξινόμησης με τυχαία δείγματα περιοχών εκπαίδευσης και τυχαίο αριθμό για να καλυφθεί όλη η Κύπρος.
Εισαγωγή
Η χρήση της τηλεπισκόπησης τα τελευταία χρόνια βοηθά στο να παρακολουθούμε και να προστατεύουμε το περιβάλλον, χαρτογραφώντας το και εντοπίζοντας τυχόν προβλήματα. Η φωτοερμηνεία (η αναγνώριση δηλαδή των αντικειμένων) είναι πολύ σημαντικό κομμάτι της τηλεπισκόπησης, όμως χρησιμοποιώντας αλγόριθμους, καθίσταται δυνατό να υπάρξουν στατιστικές πληροφορίες και με την ταξινόμηση της ψηφιακής εικόνας να δημιουργηθούν θεματικοί χάρτες, αναγνωρίζοντας φασματικά και χωρικά πρότυπα. Στη συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση περιοχής της Κύπρου με τη χρήση των δορυφόρων Landsat 8 και Sentinel 2. Η περιοχή μελέτης για τον Landsat 8 ήταν όλη η νήσος Κύπρος εκτός του πενταδάκτυλου, ενώ για τον Sentinel 2 το νοτιοανατολικό τμήμα της Κύπρου. Να σημειωθεί πως οι ημερομηνίες είναι διαφορετικές: 28/9/2018 και 5/3/2017 αντίστοιχα. Στη δε δεύτερη παρατηρούνται και κάποιες νεφώσεις. Η ταξινόμηση έγινε στο πρόγραμμα ERDAS 2016.
Μεθοδολογία
Ο δορυφόρος Landsat 8 είναι σε λειτουργία από το 2013 και χρησιμοποιεί τα όργανα OLI (Operational Land Image) και TIRS (θερμικούς υπέρυθρους αισθητήρες). Έχει χωρική ανάλυση 30 μέτρων και καλύπτει το ορατό, NIR και SWIR φάσμα. Ο δορυφόρος Sentinel 2 αποτελείται ουσιαστικά από δύο δορυφόρους τον 2A και τον 2B, που εκτοξεύθηκαν από την ESA το 2015 και 2017 αντίστοιχα. Η χωρική τους ανάλυση περιλαμβάνει ζώνες των 10, 20 και 60 μέτρων.
Επιλέχθηκαν δύο εικόνες, από τον δορυφόρο Landsat 8 η Level 1C και από τον Sentinel 2 η Level 2A με σύστημα αναφοράς το WGS 84. Έπειτα έγιναν όλες οι απαραίτητες ραδιομετρικές, ατμοσφαιρικές και γεωμετρικές διορθώσεις. Επιλέχθηκαν οι βασικές κατηγορίες χρήσης και κάλυψης γης, όπως δασική γη, υδάτινες επιφάνειες, καλλιεργημένες ή μη εκτάσεις και άλλες. Αποφασίστηκε το κατάλληλο σύστημα ταξινόμησης με το Corine και το USGS, αλλά και της ελάχιστης εδαφικής μονάδας. Έπειτα η μεθοδολογία της ψηφιακής επεξεργασίας και τα κανάλια της πολυφασματικής εικόνας για την ποιοτική φωτοερμηνεία. Πραγματοποιήθηκε ομαδοποίηση των διαφορετικών καλύψεων γης σε συγκεκριμένες χρήσεις γης και δημιουργήθηκε μια ψηφιακή εικόνα με διάφορες κατηγορίες από τα επιμέρους επίπεδα φωτοερμηνείας. Τέλος προσδιορίστηκε η ακρίβεια με σύγκριση χαρτών και επίγειους ελέγχους.
Το επόμενο στάδιο που ακολουθήθηκε είναι η ταξινόμηση. Υπάρχουν δύο είδη, η επιβλεπόμενη που χρησιμοποιεί τους αλγόριθμους ελάχιστης απόστασης, μέγιστης πιθανοφάνειας και φασματικής γωνίας, και η μη επιβλεπόμενη, που είναι πιο αυτοματοποιημένη και χρησιμοποιεί τους αλγόριθμους Κ-Μέσων (K-Means), ISODATA και άλλους. Στις διορθωμένες εικόνες έγινε επιβλεπόμενη ταξινόμηση και με τους τρεις αλγόριθμους για κάθε μία από αυτές. Καθώς το ζητούμενο ήταν η δημιουργία θεματικών χαρτών, απαιτείται και η μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Ανάλογα με τις ανάγκες του χρήστη, υπάρχουν τρία είδη: Ολική ακρίβεια= Άθροισμα διαγώνιων στοιχείων/Ολικό πλήθος ψηφίδων, , Ακρίβεια αναλυτή= Πλήθος ορθά ταξινομημένων ψηφίδων/Συνολικό αριθμό ολικά ταξινομημένων ψηφίδων, και Ακρίβεια χρήστη= Πλήθος ορθά ταξινομημένων ψηφίδων/Συνολικό αριθμό ολικά ταξινομημένων ψηφίδων.
Αποτελέσματα και Συγκρίσεις
Το αντιπροσωπευτικό αποτέλεσμα προέκυψε με τη διαδικασία τοποθέτησης των περιοχών εκπαίδευσης και της κατηγοριοποίησης των δειγμάτων. Εφαρμόστηκαν οι τρεις μέθοδοι ταξινόμησης και πήραμε μια εικόνα για κάθε μέθοδο. Μετά την τοποθέτηση των 100 τυχαίων σημείων και την αντιστοίχιση, προέκυψε ο συντελεστής Κ, που επιβεβαίωνε την ορθότητα της ταξινόμησης. Αυτή η διαδικασία ακολουθήθηκε και για τις δύο εικόνες από τους δορυφόρους. Συγκρίνοντας τις εικόνες της Μέγιστης Πιθανοφάνειας το Overall Accuracy είναι 92% και 88% για το Sentinel 2 και Landsat 8, τιμές που θεωρούνται πολύ ακριβείς και αποδεκτές. Τα ποσοστά Συνολικής Ακρίβειας για τη μέθοδο της Ελάχιστης Απόστασης είναι αντίστοιχα 91% και 89%, επίσης πολύ υψηλά, ενώ για τις εικόνες της Φασματικής Γωνίας, έχουμε 90% και 88%. Με τις παραπάνω συγκρίσεις διαπιστώνουμε πως η εικόνα Sentinel 2 έχει καλύτερα στατιστικά από αυτήν της Landsat 8, πιθανόν επειδή απεικονίζει μικρότερη περιοχή, είναι δηλαδή κοντινότερη και τα δείγματα για τις περιοχές εκπαίδευσης είναι πιο ξεκάθαρα. Οι μικρές διαφορές της μπορεί να οφείλονται στο ότι πάρθηκαν σε διαφορετική χρονική στιγμή, διότι κατά τα άλλα παρουσιάζονται παρόμοιες.
Συμπεράσματα
Ο σκοπός λοιπόν της παρούσας μελέτης, η ταξινόμηση σε δύο διαφορετικές δορυφορικές εικόνες με τις ίδιες περιοχές εκπαίδευσης, επετεύχθη. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις μέθοδοι ταξινόμησης και συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα, ώστε να καθοριστεί η μέθοδος με τα λιγότερα σφάλματα και τη μεγαλύτερη ακρίβεια.
