Μια προσέγγιση φιλτραρίσματος για την εκτίμηση της ποιότητας του νερού των λιμνών από ψηφιακές απεικονίσεις

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 14:02, 22 Φεβρουαρίου 2011

Μια προσέγγιση φιλτραρίσματος για την εκτίμηση της ποιότητας του νερού των λιμνών από ψηφιακές απεικονίσεις
Πρωτότυπος τίτλος : A filtering approach for estimating lake water quality from remote sensing data.Πηγή : Arto Voutilainen, Timo Pyha¨lahti, Kari Y. Kallio, Jouni Pulliainen, Heikki Haario, Jari P. Kaipio, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 9 (2007) 50–64. [1]

<b>Περίληψη

Σε αυτό το έγγραφο εξετάζουμε την εκτίμηση των διανομών της ποιότητας νερού των λιμνών από τα υπερφασματικά στοιχεία τηλεπισκόπησης. Παρουσιάζουμε μια υπολογιστική προσέγγιση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αφομοιώσει πληροφορίες από μαθηματικά μοντέλα εξέλιξης σε στοιχεία επεξεργασίας. Η μέθοδος είναι βασισμένη σε ένα εκτεταμένο επαναληπτικό Kalman φίλτρο και ένα πρότυπο διάχυσης μεταφοράς χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη μετακίνηση των συστατικών της ποιότητας νερού. Η απόδοση της τεχνικής αξιολογείται μέσα από μια μελέτη προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσέγγιση του φίλτρου με ένα κατάλληλο πρότυπο εξέλιξης εκτιμάται ότι επιτυγχάνει καλύτερες χρονικές και χωρικές αναλύσεις σε αντίθεση με αυτές που λαμβάνονταν από τις συμβατικές μεθόδους. Επιπλέον, η χρήση ενός εφικτού προτύπου εξέλιξης μπορεί να το καταστήσει πιθανό να λάβει τις πληροφορίες και για τις συγκεντρώσεις στα χαμηλότερα επίπεδα της λίμνης.Η διαστημική και αερομεταφερόμενη τηλεπισκόπηση έχει χρησιμοποιηθεί στις διάφορες εφαρμογές και ένας τομέας της ανάπτυξης του ενδιαφέροντος της είναι ο έλεγχος ποιότητας νερού στις λίμνες και τα πλευρικά νερά. Η διαχείριση του νερού και οι αρχές προστασίας χρειάζονται εκτενείς πληροφορίες για την κατάσταση των υδρόβιων οικοσυστημάτων, ώστε να προγραμματίζονται οι κατάλληλες ενέργειες για την βελτίωση της ποιότητας του νερού και για τη διατήρηση της βιώσιμης ανάπτυξης των οικοσυστημάτων νερού. Η ανάκτηση των συγκεντρώσεων διαφορετικής ποιότητας παραγόντων νερού από τις μετρήσεις της τηλεπισκόπησης είναι βασισμένη στην ανάλυση των υπερφασματικών στοιχείων. Σ αυτό το έγγραφο, θεωρούμε τη χρήση ενός κατάλληλου προτύπου εξέλιξης για να υποστηρίξουμε την εκτίμηση της ποιότητας νερού λιμνών από τα στοιχεία τηλεπισκόπησης. Η προσέγγιση βασίζεται σε μια τεχνική φιλτραρίσματος. Εντούτοις, λόγω των μη γραμμικοτήτων, ορισμένες προσεγγίσεις γίνονται με σκοπό να μειωθεί το υπολογιστικό φορτίο. Ο ρόλος του προτύπου εξέλιξης είναι να παραχθούν οι προγενέστερες πληροφορίες για την κατάσταση του συστήματος και αυτές οι πληροφορίες συνδυάζονται έπειτα με τις πληροφορίες που λαμβάνονται από το όργανο τηλεπισκόπησης. Ο στόχος αυτού του άρθρου είναι να προταθεί η ιδέα της εισαγωγής των μοντέλων εξέλιξης σε δεδομένα επεξεργασίας. Πραγματοποιούμε μια μελέτη προσομοίωσης στην οποία εξετάζουμε την εκτίμηση τριών συστατικών ποιότητας νερού μιας λίμνης. Ένα βιο-οπτικό μοντέλο χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη σχέση μεταξύ των παρατηρήσεων της ψηφιακής τηλεπισκόπησης και των διανομών συγκέντρωσης και η εξέλιξη των διανομών συγκέντρωσης διαμορφώνεται με ένα πρότυπο μεταφοράς διάχυσης.

Αποτελέσματα

Το φίλτρο Κalman και οι επεκτάσεις του είναι άριστες μέθοδοι για τη χρονική συμπεριφορά τπυ συστήματος στα στα δεδομένα επεξεργασίας. Ανάλογα με τη δυνατότητα πραγματοποίησης του επιλεγμένου προτύπου εξέλιξης οι εκτιμήσεις που λαμβάνονται μέσω του φιλτραρίσματος �μπορεί να είναι αρκετά ακριβέστερες από εκείνες που λαμβάνονται με τη χρησιμοποίηση συμβατικών μεθόδων. Ο ρόλος του μοντέλου εξέλιξης είναι να παραχθεί η προγενέστερη γνώση σχετικά με την εκτίμηση της κατάστασης και αυτές οι πληροφορίες συνδυάζονται έπειτα με τις πληροφορίες που δίνονται από τα όργανα μέτρησης. Επιπλέον, σε περιπτώσεις όπου η κατάσταση που υπολογίζεται εξελίσσεται γρήγορα και η μέτρηση μέτρηση του αντικειμένου είναι μεγάλης διάρκειας μια προσέγγιση φιλτραρίσματος θα ήταν απαραίτητη για να αποφύγει τη χρήση μη ρεαλιστικών υποθέσεων. Σε αυτό το έγγραφο προτείναμε μια διαδικασία φιλτραρίσματος για την αξιολόγηση της ποιότητας νερού σε μια λίμνη. Στόχος ήταν να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις ορισμένων συστατικών της ποιότητας του νερού βάσει των διαστημικών υπερφασματικών στοιχείων. Το κύριο σημείο του εγγράφου ήταν να καταδειχθεί πώς οι πληροφορίες από τα μαθηματικά πρότυπα εξέλιξης μπορούν να ενσωματωθούν σε στοιχεία επεξεργασίας. Το υπολογιστικό κόστος του εκτεταμένου φίλτρου Kalman γίνεται απαγορευτικός για την πρακτική χρήση στα προβλήματα μεγάλων διαστάσεων. Κατά συνέπεια, ήταν απαραίτητο να υιοθετηθεί μια τεχνική μείωσης διάστασης για να μειωθεί το υπολογιστικό φορτίο. Πραγματοποιήσαμε μια μελέτη προσομοίωσης στην οποία εμείς πρώτοι πραγματοποιήσαμε πραγματικές χρόνικές εξελίξεις διανομών των παραμέτρων ποιότητας νερού. Το υπερφασματικό στοιχείο τηλεπισκόπησης παρήχθη χρησιμοποιώντας ένα βιο-οπτικό πρότυπο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το φιλτράρισμα με ένα κατάλληλο πρότυπο εξέλιξης παράγει τις εκτιμήσεις που έχουν τις καλύτερες χωρικές και χρονικές αναλύσεις από ότι οι μικότερες εκτιμήσεις τετραγώνων. Επιπλέον η προσέγγιση αυτή επέτρεψε την ανάκτηση των πληροφοριών για τις συγκεντρώσεις της υπο-επιφάνειας. Εξετάσαμε την εκτίμηση τριών ιδρυτικών διανομών ποιότητας νερού: αποτελέσματα για το cTSS και το aCDOM ήταν ελπιδοφόρα αλλά τα σφάλματα παρατήρησης ήταν πάρα πολύ μεγάλα για την επιτυχή ανάκτηση του cChl με αυτό το πρότυπο στοιχείων και παρατήρησης. Εντούτοις, στα πραγματικά συστήματα παρακολούθησης είναι συχνότερα εφικτό να ενσωματώσει τη βασισμένη στην ψηφιακή τηλεπισκόπιση τεχνολογία με άλλα συστήματα μέτρησης προκειμένου να ληφθεί περισσότερη ακριβή πληροφορία στην κατάσταση μιας λίμνης. Πρέπει να σημειωθεί ότι η μελέτη προσομοίωσης ήταν ένα απλοποιημένο παράδειγμα μιας πραγματικής κατάστασης και μερικά κατιόντα πρέπει να γίνουν προκειμένου να χρησιμοποιηθεί η προσέγγιση σε πραγματικά δεδομένα επεξεργασίας. Επιπλέον, κάποιος πρέπει να εξετάσει τουλάχιστον τις παραλλαγές του χρόνου στο σχεδιάγραμμα ροής και να προ-επεξεργαστεί τα ακατέργαστα στοιχεία τα οποία παραμελήθηκαν σε αυτήν την προσομοίωση αλλά είναι απλά για να εφαρμοσθούν.

Μεθοδολογία