Η χρήση των δορυφορικών εικόνων έντασης SAR για την ανίχνευση των κατεστραμμένων οικοδομημένων περιοχών λόγω σεισμών (ΙΙΙ)

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:56, 21 Απριλίου 2010

Η χρήση των δορυφορικών εικόνων έντασης SAR για την ανίχνευση των κατεστραμμένων οικοδομημένων περιοχών λόγω σεισμών (ΙΙΙ)

Masashi Matsuoka, α) M.EERI, και Fumio Yamazaki, β) M.EERI Earthquake Spectral, Vol.20, N. 3, pp 975 - 994, August 2004

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΖΗΜΙΑΣ

Σε αυτήν την μελέτη, εστιάζουμε στην οικοδόμηση της ζημίας ως μια από τις πρωταρχικές μορφές αντίκτυπου του σεισμού. Τα στοιχεία ζημίας οικοδόμησης GIS παρασχέθηκαν βασισμένα στα λεπτομερή αποτελέσματα της έρευνας που συντάχθηκε από το AIJ (αρχιτεκτονικό ίδρυμα Ιαπωνίας) και το CPIJ (το ίδρυμα σχεδιασμού πόλεων Ιαπωνίας), και που μεταλλάχθηκε από το BRI (ερευνητικό ίδρυμα οικοδόμησης), όπου το επίπεδο ζημίας οικοδόμησης είναι ταξινομημένο σε πέντε κατηγορίες: ζημία από την πυρκαγιά, σοβαρή ζημία, μέτρια ζημία, ελαφριά ζημία , και καμία ζημία, με τον αριθμό κατεστραμμένων κτηρίων που συμπληρώνονται συνολικά για κάθε πόλη-τετράγωνο σε κάθε θάλαμο (BRI 1996). Η σοβαρή ζημία αντιστοιχεί σχεδόν σε D5: D4 και ένα μέρος του D3 στην ταξινόμηση της ευρωπαϊκής μακροσεισμικής κλίμακας (EMS) (Maki και λοιποί. 2001). Οι επηρεασθείσες περιοχές (όπου η ζημία ρεμφανίστηκε στην οικοδόμηση τουλάχιστον ως ένα ορισμένο βαθμό) και η σοβαρά κατεστραμμένη ζώνη υπολογίστηκαν από τα στοιχεία GIS (σχήμα 2). Το ιστόγραμμο για την περιοχή κάθε τετραγώνου πόλεων στο Kobe και στην Οζάκα παρουσιάζεται στο σχήμα 4. Το μέσο μέγεθος των τετραγώνων των πόλεων είναι περίπου 5.000 τετραγωνικά μέτρα

Εικ. 4 : Το ιστόγραμμα για την περιοχή κάθε τετραγώνου πόλεων στο Kobe και στην Οζάκα

Η ΠΡΟΚΑΤΑΡΚΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΝΑΔΡΟΜΗΣ ΔΙΆΞΥΣΗΣ ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕ ΖΗΜΊΑ ΣΤΙΣ ΟΙΚΟΔΟΜΕΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΙΣ ΑΡΧΙΚΈΣ ΕΙΚΌΝΕΣ SAR

Χρησιμοποιώντας τα στοιχεία από τις έρευνες σε αυτό τον τομέα, η αναλογία ζημίας των κτηρίων σε επίπεδο πόλη-τεράγωνο υπολογίστηκε ως η αναλογία μεταξύ του αριθμού των κτηρίων που ταξινομήθηκαν ως καμμένα ή σοβαρά κατεστραμμένα και του συνολικού αριθμού των κτηρίων σε κάθε τετράγωνο. Το επίπεδο ζημίας ταξινομήθηκε σε επτά κατηγορίες, Α, Β, Γ, Δ, Ε, Ζ, και Η, που αντιστοιχεί σε καμία ζημία, τις αναλογίες ζημίας των 0-6.25, 6.25-12.5, 12.5-25, 25-50, 50-100%, και 100%, αντίστοιχα, βασισμένο στη σοβαρότητα της ζημίας. Τα εικονοκύτταρα που αντιστοιχούν στον τομέα κάθε κατηγορίας ζημίας επιλέχτηκαν προκειμένου να εξεταστεί η διαφορά στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης και το συντελεστή συσχετισμού στις κατεστραμμένες περιοχές. Η κατηγορία χωρίς τη ζημία (α) περιλαμβάνει τα εικονοκύτταρα των κτηρίων χωρίς τα εξωτερικά στοιχεία της ζημίας σύμφωνα με την έρευνα του τομέα. Τα 2.000 εικονοστοιχεία για κάθε κατηγορία ζημίας επιλέχτηκαν για την ανάλυση. Οι συντελεστές ανάδρομης διάξυσης από τα περισσότερα από τα επιλεγμένα εικονοστοιχεία ήταν υψηλοί, περίπου περισσότερο από -5 DB, λόγω της βασικής επίδρασης στις αστικές περιοχές. Υπήρξε ελαφριά παραλλαγή στις εικόνες SAR λόγω της βλάστησης, την οποία δεν λάβαμε υπόψη σε αυτήν την μελέτη. Με την ανάθεση των εικόνων που λήφθηκαν στις 12 Οκτωβρίου 1994 και στις 23 Μαΐου 1995 ως κύρια (εικόνα β) και δευτερεύουσα (εικόνα α), αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας το παράθυρο εικονοκυττάρου 535 για τον υπολογισμό των δύο δεικτών, προηγουμένως αναφέραμε ότι η διαφορά του συντελεστή ανάδρομης διάξυσης (μετά -πριν) γίνεται υψηλότερη και αρνητική ενώ ο συντελεστής συσχετισμού γίνεται χαμηλότερος στην περιοχή που παρουσιάζει υψηλές αναλογίες ζημίας (Aoki και λοιποί. 1998).

Ένας από τους σημαντικότερους λόγους αυτής της παρατήρησης είναι ότι τα κτήρια που έχουν καταρρεύσει και τα συντρίμμια δημιουργούν την απώλεια ανακλαστήρων γωνιών. Από την άλλη πλευρά, στην περιοχή με τις αναλογίες χαμηλής ζημίας, η διαφορά των συντελεστών ανάδρομης διάξυσης γίνεται χαμηλότερη και ο συντελεστής συσχετισμού γίνεται υψηλότερος. Προσπαθήσαμε να εξαγάγουμε τις περιοχές ζημίας από μια απλή τεχνική ταξινόμησης. Οι περιοχές που αντιστοιχούν στη σοβαρή ζημία ή την πλήρη ζημία (ζ) και η περιοχή χωρίς τη ζημία (α) επιλέχτηκαν επειδή αυτές οι περιοχές εκθέτουν την υψηλότερη απόκλιση στις διαφορές τους του συντελεστή ανάδρομης διάξυσης και του συντελεστή συσχετισμού. Μια γραμμική διακρίνουσα ανάλυση χρησιμοποιήθηκε για να ταξινομήσει αυτές τις περιοχές (σχήμα 5). Δεδομένου ότι οι σταθερές αποκλίσεις αυτών των δύο δεικτών για κάθε κατηγορία ζημίας είναι σημαντικά υψηλές, η αναλογία σύμπτωσης που λαμβάνεται από την ανάλυση δεν είναι ενός αποδεκτού επιπέδου για μια πρακτική χρήση. Το απέραντο τυχαίο ήταν πιθανό να προκληθεί για τους ακόλουθους λόγους:

Εικ. 5 : Η γραμμική διακρίνουσα ανάλυση που χρησιμοποιήθηκε για να ταξινομήσει τις περιοχές

1. Οι όροι παρατήρησης, όπως η δορυφορική τροχιά, η ατμόσφαιρα, και η υγρασία επιφάνειας στους δύο χρόνους αποκτήσεων δεν ήταν ίσοι.

2. Ακόμη και στην περιοχή χωρίς τη ζημία, η διαφορά στη γήινη επιφάνεια, εάν καλύπτεται από τα κτήρια ή τη βλάστηση, και οι χρονικές αλλαγές δύο στοιχείων αποκτήσεως υπήρξαν

3. Ακόμη και στη σοβαρά κατεστραμμένη περιοχή όπου η αναλογία ζημίας ήταν ίση με με 100%, τα στοιχεία κατάρτισης περιλαμβάνουν ενδεχομένως όχι μόνο τα κτήρια που έχουν καταρρεύσει ή τα σοβαρά κατεστραμμένα κτήρια αλλά και τους ανοιχτούς χώρους μέσα στο τετράγωνο των πόλεων (σχήμα 6) και

4. Η ποιότητα των εικόνων έντασης θα μπορούσε να υποβιβαστεί από έναν αναπόφευκτο πιθανό θόρυβο αποκαλούμενο «θόρυβο στίγματος»» από ένα σύστημα SAR (Ulaby και λοιποί. 1982).

Εικ. 6 : Mέγεθος των εικονοστοιχείων της εικόνας ERS και σύγκρισή τους με τα κτίρια και τα οικοδομικά τετράγωνα

Μεταξύ των πιθανών λόγων που απαριθμήθηκαν ανωτέρω, τα αποτελέσματα του θορύβου στίγματος θα μπορούσαν να έχουν μειωθεί από την επεξεργασία εικόνας. Γενικά, ο θόρυβος στίγματος μπορεί να μειωθεί με τον υπολογισμό μέσου όρου των τιμών εικονοκυττάρου για μια περιοχή σε ένα παράθυρο κατά τρόπο παρόμοιο με την ψευδο επεξεργασία multilook, καθώς επίσης και με την εφαρμογή των φίλτρων μείωσης στίγματος για την εικόνα έντασης SAR.

ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΣΤΙΓΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ WINDOWSIZE ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΖΗΜΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΩΝ ΔΕΊΚΤΩΝ ΑΝΆΔΡΟΜΗΣ ΔΙΆΞΥΣΗΣ

Η προηγούμενη μελέτη μας χρησιμοποίησε το μέγεθος παραθύρων 5*5 εικονοστοιχείων (περίπου 150*150 τετραγωνικά μέτρα) στον υπολογισμό της μέσης διαφοράς και του χωρικού συσχετισμού (Aoki και λοιποί. 1998). Εντούτοις, είμαστε αβέβαιοι εάν αυτό το πρότυπο είναι βέλτιστο ή κατάλληλο για την αξιολόγηση ζημίας. Το Yonezawa και Takeuchi (2001) πρότειναν ότι η ακρίβεια της ερμηνείας των κατεστραμμένων και άθικτων περιοχών αυξάνεται όταν διευρύνεται το παράθυρο για τον υπολογισμό του χωρικού συσχετισμού. Σε αυτό το τμήμα, εξετάζουμε τη σχέση μεταξύ της ακρίβειας στην ανίχνευση ζημίας και το μέγεθος του παραθύρου για τον υπολογισμό των δύο δεικτών. Αλλάξαμε το μέγεθος του παραθύρου από 3*3 έως 51*51 εικονοστοιχεία και υπολογίσαμε τους δείκτες στο παράθυρο, και υπολογίσαμε έπειτα την αναλογία σύμπτωσης της διάκρισης για τις περιοχές όπου η αναλογία ζημίας είναι ίση με 100%, καθώς επίσης και για τις περιοχές χωρίς τη ζημία. Η σχέση για τον υπολογισμό του μεγέθους του παραθύρου, η διάστασή της (περιοχής), και η αναλογία σύμπτωσης παρουσιάζονται στο σχήμα 7. Παρατηρείται ότι καθώς το μέγεθος του παραθύρου γίνεται μεγαλύτερο, η ακρίβεια της διάκρισης γίνεται υψηλότερη. Ένα παράθυρο εικονοκυττάρου 21*21 εξέθεσε την υψηλότερη αναλογία σύμπτωσης.

Ένα σχετικά μεγάλο μέγεθος παραθύρου απαιτείται για να συλλάβει τα σοβαρά κατεστραμμένα κτήρια στη χωρική διανομή. Επίσης, ο θόρυβος στίγματος μπορεί να μειωθεί ελαφρώς χρησιμοποιώντας τη μέση αξία μέσα σε ένα παράθυρο υπολογισμού. Εάν το μέγεθος παραθύρων επιλέγεται για να είναι πάνω από 31*31 εικονοστοιχεία, η αναλογία σύμπτωσης μπορεί να μειωθεί λόγω της ύπαρξης των σοβαρά χαλασμένων κτηρίων ακόμη και στις περιοχές που επιλέγονται για την κατηγορία χωρίς τη ζημία, και η αντίστροφη κατάσταση είναι επίσης πιθανή.

Το προαναφερθέν βέλτιστο μέγεθος του παραθύρου για τη μεγιστοποίηση της δυνατότητας να διακρίνει σοβαρά κατεστραμμένες και μη περιοχές προήλθε μόνο από το σύνολο στοιχείων για το σεισμό Kobe του 1995. Αυτή η βέλτιστη αξία μπορεί να αλλάξει εάν η κατάσταση των αστικών περιοχών και η χωρική ανάλυση των δορυφορικών εικόνων είναι διαφορετικές από εκείνες της περίπτωσης Kobe.

Εικ. 7 : Η σχέση για τον υπολογισμό του μεγέθους του παραθύρου, η διάστασή της (περιοχής), και η αναλογία σύμπτωσης

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΜΕΙΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΤΙΓΜΑΤΟΣ

Εξετάσαμε την επίδραση των φίλτρων μείωσης στίγματος στην ακρίβεια της ανίχνευσης ζημίας στις εικόνες έντασης SAR. Τρια χαρακτηριστικά φίλτρα, το διάμεσο, το Lee (Lee 1980), και το Frost (Frost και λοιποί. 1982), εφαρμόστηκαν στις προ και το μετα του γεγονότος καταχωρημένες εικόνες. Ένα χωρικό φιλτράρισμα είναι μια τοπική λειτουργία για τις τιμές εικονοκυττάρου σε μια αρχική εικόνα έντασης SAR. Κατά τη διάρκεια του φιλτραρίσματος, οι τιμές του εικονοκυττάρου τροποποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τις τιμές των γειτονικών εικονοστοιχείων. Η ζουμ εικόνα μιας περιοχής ορθογωνίου (αριθμός 3a) που εφαρμόζεται από κάθε φίλτρο παρουσιάζεται στο σχήμα 8. Το μέγεθος παραθύρου για το φιλτράρισμα ήταν 5*5 εικονοστοιχεία. Για να εκθέσουμε τις φιλτραρισμένες εικόνες, διευθύναμε μια διαδικασία αυξήσεως για να βελτιώσουμε την οπτική ικανότητα ερμηνείας των εικόνων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τεντώμάτος ιστογράμμων. Σε σύγκριση με την αρχική εικόνα που παρουσιάζεται στο σχήμα 8a, τα χαμηλής συχνότητας χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενισχύονται στη μεσαία-φιλτραρισμένη εικόνα (αριθμός 8b), και ένα όριο φραγμών, όπως οι δρόμοι, παρατηρείται σαφώς στις εικόνες που φιλτράρονται από τον Lee και τον Frost (αριθμοί 8c και δ).

Μετά τον υπολογισμό της διαφοράς στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης και το συντελεστή συσχετισμού μέσα στις περιοχές 7*7, 13*13, και 21*21 εικονοστοιχεία χρησιμοποιώντας τις προ και μετά του γεγονότος φιλτραρισμένες εικόνες, πραγματοποιήθηκε η διακρίνουσα ανάλυση για τις περιοχές με καμία ζημία και εκείνων που υπέστησαν σοβαρή ζημία. Το σχήμα 9 παρουσιάζει τις αναλογίες σύμπτωσης από τις διακρίνουσες λειτουργίες για κάθε μια από τις φιλτραρισμένες και αρχικές εικόνες. Ανά 7 παράθυρα εικονοστοιχείων που εφαρμόζεται στη μεσαία-φιλτραρισμένη εικόνα εκθέτουν μια χαμηλή αναλογία σύμπτωσης, όλες οι άλλες φιλτραρισμένες εικόνες παρουσιάζουν υψηλότερες αναλογίες από αυτή της αρχικής εικόνας, που καταδεικνύει ότι τα φίλτρα μείωσης στίγματος βελτιώνουν την ακρίβεια της οικοδόμησης της ανίχνευσης ζημίας. Η ακρίβεια της ανίχνευσης ζημίας χρησιμοποιώντας τις Lee ή Frost φιλτραρισμένες έντασης SAR εικόνες είναι σχετικά υψηλή μεταξύ των τριών τύπων φίλτρων.

Εικ. 8 : Η αρχική εικόνα και οι επεξεργασμένες εικόνες

Έπειτα, η σχέση μεταξύ της μείωσης του στίγματος του μεγέθους φίλτρων και της ακρίβεια της ανίχνευσης ζημίας ερευνήθηκαν. Χρησιμοποιήσαμε το φίλτρο καταφυγίων λόγω του απλού σχεδίου και της μάλλον υψηλότερης αναλογίας σύμπτωσής της που παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια της αξιολόγησης ζημίας.

Εικ. 9 : Ακρίβεια για την ανίχνευση των ζημιών στα κτίρια

Αλλάξαμε το μέγεθος παραθύρων φιλτραρίσματος από 3*3 έως 51*51 εικονοστοιχεία και μετρήσαμε τις αλλαγές στην αναλογία σύμπτωσης (σχήμα 10).

Εικ. 10 : Αλλαγή του μέγεθους παραθύρων φιλτραρίσματος από 3*3 έως 51*51 εικονοστοιχεία και μετρηση των αλλαγών στην αναλογία σύμπτωσης

Ανεξάρτητα από το μέγεθος του παραθύρου που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των δύο δεικτών (ο μέσος συντελεστής διαφοράς και συσχετισμού), καθώς το μέγεθος φίλτρων έγινε μεγαλύτερο, η αναλογία σύμπτωσης έγινε υψηλότερη. Μια παρόμοια τάση σε αναλογία σύμπτωσης παρατηρήθηκε για το μέγεθος παραθύρων υπολογισμού 7*7 και 13*13 εικονοκυττάρων, και η αναλογία σύμπτωσης διαποτίστηκε σχεδόν στο παράθυρο εικονοστοιχείου 21*21 για το φιλτράρισμα. Αντίθετα, για το παράθυρο εικονοστοιχείου 21*21 που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των δύο δεικτών, η αναλογία σύμπτωσης βλέπει για να διαποτιστεί στο παράθυρο εικονοστοιχείου 5*5 για το φιλτράρισμα. Στο προηγούμενο τμήμα, 21*21 εικονοστοιχεία, που εξέθεσαν την υψηλότερη αναλογία σύμπτωσης, θεωρούνται το βέλτιστο μέγεθος παραθύρων για την αξιολόγηση ζημίας. Επίσης έχει ανακαλυφθεί ότι η ακρίβεια της ανίχνευσης ζημίας δεν αυξάνεται σημαντικά στο φιλτράρισμα στίγμα-μείωσης του μεγέθους παραθύρων μεγαλύτερου από 21*21 εικονοστοιχεία. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα 21*21 εικονοστοιχεία είναι ένα κριτήριο και για τα δύο μεγέθη παραθύρων.