Σύγκριση των εικόνων IKONOS και QuickBird για τη χαρτογράφηση των ειδών μαγγροβίων στην Καραϊβική ακτή του Παναμά

[[category:Ψηφιακή Τηλεπισκόπηση]]

<b>Σύγκριση των εικόνων IKONOS και QuickBird για τη χαρτογράφηση των ειδών μαγγροβίων στην Καραϊβική ακτή του Παναμά</b><br>

Comparison of IKONOS and QuickBird images for mapping mangrove species on the Caribbean coast of Panama<br>
Le Wang,  Wayne P. Sousa,  Peng Gong,  Gregory S. Biging, Remote Sensing of Environment, Vol. 91, No. 3-4. (30 June 2004), pp. 432-440
[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]


<b>Περίληψη</b><br>

Οι περιοχές διαφορετικής σύνθεσης ειδών μαγγροβίων είναι δύσκολο να διακριθούν στις συμβατικές, χονδροειδούς ανάλυσης δορυφορικές εικόνες. Η νέα γενιά δορυφορικών εικόνων ανάλυσης μέτρου, παρέχει μια μοναδική ευκαιρία για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος. Σε αυτή τη μελέτη, μια εικόνα IKONOS Geo και μια εικόνα standard QuickBird αποκτήθηκαν για μια περιοχή μελέτης που βρίσκεται στην Punta Galeta στην Καραϊβική ακτή του Παναμά. Η ταξινόμηση της Μεγίστης Πιθανοφάνειας (MLC) εκτελέστηκε με δυο διαφορετικές επιλογές καναλιών. Κατά την εξέταση μόνο των πολυφασματικών καναλιών, η εικόνα IKONOS είχε καλύτερη φασματική διάκριση από την QuickBird, ενώ η ένταξη των παγχρωματικών καναλιών δεν είχε καμία επίδραση στην ακρίβεια της ταξινόμησης και στις δυο εικόνες. Πρώτου και δεύτερου βαθμού χαρακτηριστικά υφής εξήχθησαν από τις παγχρωματικές εικόνες σε διαφορετικά μεγέθη εικόνας και συγκρίθηκαν μέσω της MLC ταξινόμησης. Μια ταξινόμηση βασισμένη σε αντικείμενα επίσης χρησιμοποιήθηκε για να συγκρίνει την υποκείμενη υφή και στο παγχρωματικό και στο πολυφασματικό κανάλι. Σε γενικές γραμμές και οι δυο εικόνες IKONOS και QuickBird παρήγαγαν ελπιδοφόρα αποτελέσματα στην ταξινόμηση των ειδών μαγγροβίων. 

<b>Εισαγωγή</b><br>

Τα δάση μαγγροβίων είναι ιδιαίτερα παραγωγικά οικοσυστήματα που κατά κανόνα επικρατούν στην παλιρροιακή ζώνη χαμηλής ενέργειας τροπικών και υποτροπικών ακτών. Τα ενδιαιτήματα μαγγροβίων και οι οργανισμοί που φιλοξενούν είναι σημαντικής οικολογικής και οικονομικής αξίας. Παράλληλα, η υγεία τους και η διατήρηση τους απειλείται σοβαρά από τα παράκτια αναπτυξιακά έργα και τις διάφορες μορφές της μη ανανεώσιμης εκμετάλλευσης. Έτσι, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για παρακολούθηση και αξιολόγηση της δομής και της δυναμικής των δασών μαγγροβίων. Η ικανότητα να χαρτογραφηθούν με ακρίβεια τα είδη μαγγροβίων με τηλεπισκοπικά εργαλεία θα βοηθήσει πολύ αυτή την προσπάθεια. Η πρόσφατη εκτόξευση των λεγόμενων  “Πολύ Υψηλής Ανάλυσης” (VHR) δορυφορικών αισθητήρων παρέχει μια νέα ευκαιρία για τη χαρτογράφηση των τύπων κάλυψης εδάφους σε πολύ υψηλότερη χωρική ανάλυση σε σχέση με προηγούμενους διαθέσιμους αισθητήρες. Στην κατηγορία VHR υπάρχουν δυο κύριες εμπορικές πηγές εικόνων: Οι εικόνες IKONOS από Space Imaging και οι εικόνες QuickBird από Digital Globe.<br> 
Σε αυτή τη μελέτη, εστιάζουμε στη χαρτογράφηση των ειδών μαγγροβίων και συγκρίνουμε τους δυο τύπους εικόνας από τις εξής προοπτικές: την αποτελεσματικότητα ταξινόμησης τους χρησιμοποιώντας πολυφασματικά κανάλια με και χωρίς παγχρωματικά κανάλια και την αποτελεσματικότητα ταξινόμησης με τη συμπερίληψη των πληροφοριών υφής. 

<b>Περιοχή Μελέτης - Μέθοδοι</b><br>

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στα ηπειρωτικά δάση μαγγροβίων κοντά στο Smithsonian Ινστιτούτο τροπικής έρευνας του εργαστηρίου θαλάσσιων ερευνών της Galeta στην Punta Galeta  στην Καραϊβική ακτή του Παναμά, περίπου 8km βορειοανατολικά της πόλης Colon. Τρία είδη δέντρων περιλαμβάνονται στις δασικές περιοχές μελέτης, αυτά είναι : μαύρα μαγγρόβια, λευκά μαγγρόβια και κόκκινα μαγγρόβια. Το προϊόν IKONOS Geo αποτελούνταν από μια παγχρωματική εικόνα ανάλυσης 1-m και μια πολυφασματική εικόνα με 4-m ανάλυση, που αποκτήθηκαν στις 13/6/2000. Το προϊόν QuickBird αποτελούνταν από μια παγχρωματική εικόνα ανάλυσης  0,7-m και μια πολυφασματική εικόνα με ανάλυση 2,8-m, που αποκτήθηκαν στις 28/7/2002. Η μελέτη αυτή περιλαμβάνει τακτικές επίγειες μετρήσεις των μόνιμων επιφανειών δασών, καθώς και χαρτογράφηση με GPS ποικίλων δασικών χαρακτηριστικών. Με βάση αυτές τις πληροφορίες υποβάθρου, ένα σύνολο από επτά τύπους κάλυψης εδάφους επιλέχτηκαν για την ταξινόμηση συμπεριλαμβανομένων, τριών διαφορετικών τύπων μαγγροβίων, τροπικό δάσος, κενό, λιμνοθάλασσα και δρόμο.<br> 
Η ταξινόμηση Μεγίστης Πιθανοφάνειας (MLC) έχει αποδειχθεί ότι είναι ο πιο ισχυρός ταξινομητής στον τομέα της Τηλεπισκόπησης. Υιοθετήσαμε τη μέθοδο MLC σε αυτή τη μελέτη για να μας βοηθήσει να συγκρίνουμε την απόδοση των δυο διαφορετικών εικόνων. Με ένα σύνολο πέντε διαθέσιμων καναλιών για τον κάθε τύπο εικόνας, πραγματοποιήσαμε ένα ταίριασμα ζευγών δοκιμών ταξινόμησης για κάθε μια από τις εικόνες. Κάθε δοκιμή χρησιμοποίησε διαφορετική επιλογή καναλιού. Στην πρώτη δοκιμή μόνο τέσσερα πολυφασματικά κανάλια τροφοδοτήθηκαν στον MLC. Στη δεύτερη δοκιμή, το παγχρωματικό κανάλι προστέθηκε στην διαδικασία ταξινόμησης μαζί με τα πολυφασματικά κανάλια. Για να ποσολογήσουμε την επιτυχία της ταξινόμησης των διαφορετικών τύπων εικόνας, δημιουργήσαμε έναν πίνακα σφάλματος βασισμένο στα δείγματα δοκιμών και υπολογίσαμε τις τιμές Kappa και τις διακυμάνσεις τους. Επίσης συγκρίναμε την ακρίβεια χρήστη και παραγωγού για τα τρία είδη μαγγροβίων.<br>
Η υψηλή χωρική ανάλυση που ενσωματώνεται στις εικόνες IKONOS και QuickBird παρέχει μια μοναδική δυνατότητα να ενσωματωθούν η μικρής κλίμακας πληροφορίες υφής στην διαδικασία της ταξινόμησης. Υιοθετήσαμε δυο διαφορετικές μεθόδους για να αξιολογήσουμε χωριστά την απόδοση της ταξινόμησης των χωρικών πληροφοριών που ενσωματώθηκαν στα παγχρωματικά και πολυφασματικά κανάλια των εικόνων IKONOS και QuickBird. Στην πρώτη μέθοδο, μια ανάλυση της χωρικής υφής διεξήχθη μόνο στο παγχρωματικό κανάλι. Για την πρώτου βαθμού υφή, οι τοπικές διακυμάνσεις που υπολογίστηκαν σε διάφορα μεγέθη εικόνας εξήχθησαν από το παγχρωματικό κανάλι και συνδέθηκαν ως συμπληρωματικά κανάλια με άλλα φασματικά κανάλια που θα τρέξουν στην μέθοδο ταξινόμησης MLC. Για τη δευτέρου βαθμού υφή, η ταξινόμηση βασίστηκε σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών τριών στατιστικών υφής. Στη δεύτερη μέθοδο, οι πληροφορίες υφής και στα δύο, παγχρωματικό και πολυφασματικά κανάλια, εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας μια μέθοδο ταξινόμησης βασισμένη σε αντικείμενα. Η συμβολή των χωρικών πληροφοριών στην ταξινόμηση για κάθε μια από τις δυο εικόνες συγκρίθηκε χρησιμοποιώντας τον πίνακα σφάλματος και τα ζεύγη δοκιμών Κ. 

<b>Αποτελέσματα</b><br>

Ο πίνακας 1 παρουσιάζει τα διαφορετικά αποτελέσματα ταξινόμησης χρησιμοποιώντας τα πολυφασματικά κανάλια με και χωρίς τα παγχρωματικά κανάλια για τις εικόνες IKONOS και QuickBird. Όταν μόνο τα πολυφασματικά κανάλια χρησιμοποιήθηκαν για να ταξινομήσουν επτά τύπους κάλυψης του εδάφους, η ταξινόμηση βασισμένη στην εικόνα IKONOS ήταν ελαφρώς, αλλά σημαντικά, πιο ακριβής από την ταξινόμηση βασισμένη στην πολυφασματική εικόνα QuickBird (kappa Z στατιστικά 1.98). Η προσθήκη του πέμπτου, του παγχρωματικού, καναλιού στην ταξινόμηση δεν άλλαξε σημαντικά την ακρίβεια της ταξινόμησης για κανένα τύπο εικόνας. Ωστόσο, η τιμή Κ από την ταξινόμηση πέντε καναλιών της IKONOS παρέμεινε σημαντικά υψηλότερη από αυτή των ισοδύναμων καναλιών QuickBird (kappa Z στατιστικά 7,75). Όταν οι ακρίβειες χρήστη και παραγωγού για κάθε τύπο θόλων μαγγροβίων εξετάστηκαν, διαπιστώθηκε ότι η εικόνα IKONOS ήταν πιο ακριβής από την QuickBird για τα κόκκινα και μαύρα μαγγρόβια, αλλά η εικόνα QuickBird πέτυχε καλύτερη ακρίβεια για τα λευκά μαγγρόβια.<br><br> 
[[Εικόνα:Stlas-panam-1-13.jpg|center|image|]]<i>Πίνακας 1 :  Σύγκριση των αποτελεσμάτων ταξινόμησης χρησιμοποιώντας πολυφασματικά κανάλια με και χωρίς παγχρωματικά κανάλια και ανά ζεύγη στατιστικοί έλεγχοι της ακρίβειας ταξινόμησης (kappa). Οι τιμές με επίπεδο εμπιστοσύνης κάτω από 95% χαρακτηρίζονται ως μη σημαντικές (NS).[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]πηγή]]</i><br><br>
Τα στατιστικά Kappa που λήφθηκαν από την ταξινόμηση με τη συμπερίληψη του πρώτου βαθμού υφής (τοπική διακύμανση σε 6 διαφορετικά μεγέθη εικόνας) παρουσιάζονται στο σχήμα 1 Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για την εικόνα IKONOS, η συμπερίληψη της τοπικής διακύμανσης βελτίωσε την ακρίβεια της ταξινόμησης που επιτεύχθηκε όταν μόνο πολυφασματικά κανάλια χρησιμοποιούνται. Προφανώς,  η πρώτου βαθμού υφή από την εικόνα QuickBird δεν συνεισφέρει τόσο όσο από την IKONOS για την διάκριση των ειδών μαγγροβίων.  Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η τιμή Κ αυξάνεται για την IKONOS και μειώνεται για την QuickBird στα περισσότερα μεγέθη εικόνας, προκύπτει ότι η πρώτου βαθμού υφή από την εικόνα IKONOS είναι ελαφρώς ανώτερη από αυτή της εικόνας QuickBird στο διαχωρισμό των ειδών μαγγροβίων για την περιοχή μελέτης μας. Αυτό το αποτέλεσμα υποστηρίζεται από έναν έλεγχο των στατιστικών Ζ που αναφέρεται στον πίνακα 2b.
[[Εικόνα:Stlas-panam-2-13.jpg|right|thumb||Σχήμα 1 :  Αποτελέσματα της ταξινόμησης με τη συμπερίληψη της υφής πρώτου βαθμού.[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]πηγή]]<br><br>
[[Εικόνα:Stlas-panam-3-13.jpg|center|image|]]<i>Πίνακας 2 :  Σύγκριση των αποτελεσμάτων της ταξινόμησης με τη συμπερίληψη της υφής πρώτου βαθμού. Οι τιμές με επίπεδο εμπιστοσύνης κάτω από 95% χαρακτηρίζονται ως μη σημαντικές (NS).[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]πηγή]]</i><br><br>
Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης που βασίζεται στα τρία στατιστικά υφής δευτέρου βαθμού αναφέρονται στο σχήμα 2. Γενικά, για όλες τις ταξινομήσεις, καμία τιμή Κ δεν υπερβαίνει τα 0,57, δείχνοντας ότι όταν μόνο δευτέρου βαθμού πληροφορίες υφής χρησιμοποιούνται, ούτε η IKONOS ούτε η QuickBird εικόνα είναι επαρκείς για ακριβή ταξινόμηση των ειδών μαγγροβίων βασισμένη σε αυτό το επίπεδο πληροφοριών υφής. Η ταξινόμηση με χρήση της δευτέρου βαθμού υφής από την εικόνα IKONOS απέδωσε καλύτερα από την ίδια ταξινόμηση χρησιμοποιώντας την εικόνα QuickBird.<br>
Όταν οι πληροφορίες υφής και στο παγχρωματικό και στα πολυφασματικά κανάλια χρησιμοποιήθηκαν για να βοηθήσουν την ταξινόμηση βασισμένη σε αντικείμενα, των ειδών μαγγροβίων, η εικόνα IKONOS και η QuickBird επιδεικνύουν σχεδόν ίδια αποτελέσματα ταξινόμησης με τιμές Κ από 0.69 (πίνακας3). Η ταξινόμηση βασισμένη σε αντικείμενα συνέλαβε τις διαφορές υφής που κρύβονται κάτω από τις δυο εικόνες, αλλά το μικρότερο μέγεθος αντικειμένων για την εικόνα QuickBird δεν συνέβαλε σε ένα καλύτερο αποτέλεσμα ταξινόμησης. 
[[Εικόνα:Stlas-panam-4-13.jpg|right|thumb||Σχήμα 2 :  Αποτελέσματα της ταξινόμησης με τη συμπερίληψη της υφής δευτέρου βαθμού.[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]πηγή]]<br><br>
[[Εικόνα:Stlas-panam-5-13.jpg|center|image|]]<i>Πίνακας 3 : Σύγκριση των αποτελεσμάτων  ταξινόμησης χρησιμοποιώντας την βασισμένη σε αντικείμενα ταξινόμηση σε παραμέτρους κλίμακας = 25. Οι τιμές με επίπεδο εμπιστοσύνης κάτω από 95% χαρακτηρίζονται ως μη σημαντικές (NS).[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425704001129]πηγή]]</i><br><br>

<b>Συμπεράσματα</b><br>

Αυτή η μελέτη σύγκρινε την απόδοση των εικόνων IKONOS και QuickBird, δυο δημοφιλείς VHR δορυφορικές εικόνες, στην ταξινόμηση της σύνθεσης των περιπτέρων μαγγροβίων. Είναι σαφές ότι η IKONOS κατέδειξε μικρή, αλλά σταθερά υψηλότερη φασματική διάκριση από την QuickBird για τα είδη μαγγροβίων της περιοχής μελέτης μας. Η οπτική αξιολόγηση επικύρωσε την ύπαρξη διαφοράς υφής μεταξύ των δυο εικόνων, στις οποίες η QuickBird είναι καλύτερη από την IKONOS. Ωστόσο, τα αποτελέσματα από την ταξινόμηση πρώτου και δεύτερου βαθμού υφής δεν υποστήριξαν την προσδοκία ότι η QuickBird έχει ένα πλεονέκτημα απέναντι στην IKONOS στον χωρικό τομέα.<br> 
Σε γενικές γραμμές, και οι δυο εικόνες παρουσίασαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα στην ταξινόμηση ειδών μαγγροβίων. Οι φασματικές πληροφορίες έπαιξαν πιο σημαντικό ρόλο στην ταξινόμηση ειδών μαγγροβίων από ότι οι χωρικές πληροφορίες. Η εικόνα IKONOS παρείχε ελαφρώς καλύτερη ταξινόμηση από ότι η εικόνα QuickBird για την περιοχή μελέτης. Για να αξιολογηθεί εάν οι εικόνες IKONOS είναι γενικά ανώτερες των εικόνων QuickBird για την ταξινόμηση της εδαφοκάλυψης, ένα περιεκτικότερο σύνολο ζευγών εικόνων που αντιπροσωπεύουν μια ποικιλία τύπων εδαφοκάλυψης θα πρέπει να αξιολογηθεί.