Σύγκριση της υγρασίας του μετασχηματισμού Tasseled cap και του κανονικοποιημένου δείκτη υγρασίας στην ανίχνευση των δασικών διαταραχών

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 21:18, 18 Φεβρουαρίου 2018

Σύγκριση της υγρασίας του μετασχηματισμού Tasseled Cap και του κανονικοποιημένου δείκτη υγρασίας στην ανίχνευση των δασικών διαταραχών

Πρωτότυπος τίτλος: Comparison of time series tasseled cap wetness and the normalized difference moisture index in detecting forest disturbances

Συγγραφείς: Suming Jin, Steven A. Sader

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing of Environment, 2005, 94, 364–372

Eικόνα 1:Η περιοχή μελέτης

Οι δείκτες βλάστησης και ο μετασχηματισμός Tasseled Cap έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε μελέτες ανίχνευσης αλλαγής δασών. Σε αυτή τη μελέτη έγινε επεξεργασία σε ένα σύνολο στατιστικών σχέσεων και προέκυψε η σχετική αποτελεσματικότητα της ανίχνευσης δασικών διαταραχών που σχετίζεται με τον τύπο του δάσους και την ένταση της συγκομιδής σε πέντε, δύο και ένα χρόνο, σε σχέση με το δείκτη υγρασίας (NDMI). Ο μετασχηματισμός Tasseled Cap χρησιμοποιείται ευρέως για τη χαρτογράφηση της βλάστησης και την παρακολούθηση της αλλαγής του εδάφους. Αυτός ο μετασχηματισμός δεν παρέχει μόνο έναν μηχανισμό για τη μείωση του όγκου δεδομένων με ελάχιστη απώλεια πληροφοριών, αλλά συνδέει τα φασματικά χαρακτηριστικά με τις σημαντικές φυσικές παραμέτρους της επιφάνειας της γης (υγρασία, πρασινάδα, φωτεινότητα). Η υγρασία Tasseled Cap εκφράζεται με το άθροισμα των ορατών και σχεδόν υπέρυθρων καναλιών και με το άθροισμα των βραχυκυματικών υπέρυθρων καναλιών.

Ο κανονικοποιημένος δείκτης υγρασίας (NDMI) προκύπττει από το λόγο της διαφοράς κοντινού με βραχυκυματικό υπέρυθρο προς το άθροισμά τους. Έχει αναφερθεί πως ο NDMI συσχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με την περιεκτικότητα σε υδάτινο περιεχόμενο στο έδαφος και παρακολουθεί πιο προσεκτικά τις αλλαγές στη φυτική βιομάζα και τις υδατικές διακυμάνσεις από ότι ο δείκτης βλάστησης NDVI. Ο πρωταρχικός σκοπός αυτής της μελέτης είναι να εξετάσει την ποσοτική σχέση μεταξύ TCW και NDMI και να συγκρίνει τα σχετικά σφάλματα προμήθειας και παραλείψεων για την ανίχνευση των δασικών διαταραχών σε βόρειο δασικό περιβάλλον. Έγινε σύγκριση μεταξύ του TCW και του NDMI από τρεις πτυχές:

1) Δασικές διαταραχές ανά τύπο (σκληρό ξύλο σε σχέση με μαλακό ξύλο)

2) Ένταση των δασικών διαταραχών (καθαρή κοπή έναντι μερικής κοπής) ·

3) Επίπτωση διαστήματος απόκτησης εικόνας Landsat για την ανίχνευση των δασικών διαταραχών ανά κατηγορία και κατηγορία έντασης.

Η περιοχή μελέτης είναι περίπου 499.176 εκτάρια και εριλαμβάνει μέρος ή το σύνολο των 84 δήμων στο βόρειο Maine, στις ΗΠΑ (εικόνα 1). Αυτό το δάσος, της Ακαδίας, έχει μια ποικιλία τάξεων ηλικίας δέντρων, υπάρχουν ώριμα δέντρα αλλά και νεαρά. Το έδαφος είναι σχετικά επίπεδο και περιλαμβάνει άφθονες λίμνες και χειμάρρους, με την αντίστοιχη βλάστηση. Στο δάσος συμπεριλαμβάνονται και άλλα μικρότερα ιδιωτικά δάση τα οποία ανήκουν σε οικογενειακές εταιρείες ή σε εταιρείες διαχείρισης γης.

Τα δεδομένα Landsat επιλέχθηκαν από την περιοχή αλληλεπικάλυψης της διαδρομής 12, της σειράς 28 και της διαδρομής 11, σειρά 28 του παγκόσμιου συστήματος αναφοράς. Τρεις ημερομηνίες του θεματικού χαρτογράφου Landsat 5 (1988, 1991 και 1993) και τριών ημερομηνιών της δορυφορικής απεικόνισης Landsat 7 ETM + (2000, 2001 και 2002) αποκτήθηκαν τους ανοιξιάτικους και τους καλοκαιρινούς μήνες, που αντιπροσωπεύουν συνθήκες σκληρού ξύλου. Ένας χάρτης ανίχνευσης μεταβλητής αλλαγής ημερομηνίας (1988-1991-1993) που αναπτύχθηκε σε προηγούμενο έργο και χάρτης βλάστησης του Maine συνδυάστηκαν με τη δορυφορική εικόνα. Οι εικόνες διορθώθηκαν γεωμετρικά και ραδιομετρικά και στη συνέχεια υπολογίσθηκε ο NDMI. Τέλος, εξήχθη το TCW από κάθε διαθέσιμη ημερομηνία για να πραγματοποιηθούν οι επόμενες αναλύσεις.

Eικόνα 2:Υποθετικά ιστογράμματα εικόνων για τον εντοπισμό τιμής κατωφλίου όπου ελαχιστοποιείται η παράλειψη αλλαγής δάσους (C) και η μη μεταβολή (NC) (ψευδώς θετικά) και τα σφάλματα προμήθειας (false negative). Τα W και M αντιπροσωπεύουν εικόνες Tasseled Cap και NDMI, αντίστοιχα, στην πρώτη ημερομηνία Landsat (d1) και δεύτερη ημερομηνία (d2).

Eικόνα 3:Πίνακας με Μοντέλα παλινδρόμησης και τον συντελεστής προσδιορισμού (R2) για το TSW και NDMI για πέντε ημερομηνίες Landsat

Eικόνα 4:Τρεις ημερομηνίες (R = 2000, G = 2001, B = 2002) έγχρωμες σύνθετες εικόνες TCW (αριστερά) και NDMI (δεξιά). Η περιοχή (Α) με κόκκινο χρώμα συγκομίστηκε μεταξύ του 2000 και του 2001 και η περιοχή (Β) σε κίτρινο συλλέχθηκε μεταξύ του 2001 και του 2002. Στην εικόνα TCW, οι περιοχές χωρίς μεταβολή του σκληρού ξύλου (H) και του μαλακού ξύλου (S) - γκρι χρώμα στο φως, αντίστοιχα

Για την περαιτέρω ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε ένα έτοιμο μοντέλο γραμμικής παλινδρόμησης το οποίο τροποποιήθηκε αναλόγως ώστε να έρθει σε αντιστοιχία με τα δεδομένα. Ακόμα, αξιοποιήθηκε ένας χάρτης ανίχνευσης μεταβολών 1988-1991-1993 για να υπάρχει μία εικόνα των αλλαγών στην περιοχή. Αυτός ο χάρτης περιλάμβανε δύο αλλαγές χρονικού διαστήματος (1988-1991, 1991-1993) και η συνολική ακρίβεια των χαρτών ήταν 78%. Για τις ανάγκες της τρέχουσας μελέτης, ο συγκεκριμένος χάρτης επεξεργάστηκε για να συμπεριλάβει μόνο τις περιοχές αλλαγής / μη αλλαγής με την υψηλότερη εμπιστοσύνη.

Η επεξεργασία των χαρτών αλλαγής / χωρίς αλλαγή ήταν απαραίτητη για να αναπτυχθεί η εμπιστοσύνη ότι τα ιστογράμματα των εικόνων διαφοράς για κάθε χρονική ακολουθία θα αντιπροσωπεύουν την πραγματική κατανομή της αλλαγής και καμία αλλαγή. Τα ιστογράμματα των διαφορών εικόνων εξετάστηκαν σε περιοχές που αντιπροσωπεύουν την αλλαγή και καμία αλλαγή για να προσδιοριστεί η τιμή κατωφλίου για να ελαχιστοποιηθεί το άθροισμα του σφάλματος προμήθειας και του σφάλματος παράλειψης (εικόνα 2). Οι εικόνες διαφορών TCW και NDMI προέκυψαν με απλή αφαίρεση της δεύτερης ημερομηνίας από την πρώτη ημερομηνία. Έγινε αξιολόγηση των διαφορών μεταξύ των εικόνων TCW και NDMI χρησιμοποιώντας τα κριτήρια των σφαλμάτων προμήθειας και παράλειψης για να διερευνηθεί σχετική αποδοτικότητα των δύο μεθόδων για να ανιχνεύσουμε τον τύπο και την ένταση των δασικών αλλαγών σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα.

Οι εικόνες Landsat του 1988 και του 2000 ταξινομήθηκαν (συνδυασμός επιτηρούμενων και μη εποπτευόμενων μεθόδων) για την απόκτηση της δασικής έκτασης σκληρού ξύλου και μαλακού ξύλου στην αρχή κάθε χρονικής αλληλουχίας (1988-1991-1993 και 2000-2001-2002). Ένας χάρτης βλάστησης χρησιμοποιήθηκε ως αναφορά για τους τύπους δασών στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Το νερό, τα σύννεφα και όλες οι μη δασικές τάξεις ήταν καλυμμένες. Κάθε ταξινομημένος δασικός χάρτης διασταυρώθηκε με την αντίστοιχη κάλυψη χαρτών ανίχνευσης αλλαγών και ανακοινώθηκε για να συνδυάσει τάξεις δασικού τύπου και κλάσεις έντασης αλλαγής δασών.

Οι περιοχές κατάρτισης που χρησιμοποιήθηκαν για να ταξινομήσουν τις εικόνες TCW και NDMI εφαρμόστηκαν για να υπολογίσουν τα στατιστικά στοιχεία της φασματικής διαχωρισμού μετασχηματισμένης απόκλισης (TD) για την κλάση ζεύγη αλλαγών δασών και τύπων χωρίς αλλαγή. Εάν η τιμή της μετασχηματισμένης απόκλισης (TD) ήταν μικρότερη από 1700, θεωρήθηκε ότι είναι δύσκολο να διαχωριστούν οι φασματικές διαφορές, όπως μερικές ή σαφείς συγκομιδές σε διαφορετικές ημερομηνίες ή συγκομιδές που εμφανίστηκαν σε τύπους δασικών ξυλείας ή μαλακού ξύλου. Οι τιμές TD υπολογίστηκαν πρωτίστως με σκοπό την υποστήριξη της ερμηνείας των αποτελεσμάτων, ιδιαίτερα σε σχέση με τα σχετικά σφάλματα παράλειψης και προμήθειας για κάθε μέθοδο (NDMI έναντι TCW) σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Τα αποτελέσματα της γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ των εικόνων TCW και NDMI σε πέντε ημερομηνίες παρατίθενται στον πίνακα της εικόνας 3. Οι περιοχές που συγκομίζονται μπορούν εύκολα να διακριθούν οπτικά από περιοχές χωρίς αλλαγή στις εικόνες που προέρχονται από οποιαδήποτε από τις δύο μεθόδους (εικόνα 4).

Τα σφάλματα παράλειψης και προμήθειας για κάθε μέθοδο προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο οριακού ορίου και με διαφορετικές εικόνες – σχήματα, για κάθε χρονική περίοδο υπάρχει το αντίστοιχο γράφημα. Οι σαφείς περικοπές που σημειώθηκαν μεταξύ του 1988 και του 1993 εντοπίστηκαν με σχετικά χαμηλά σφάλματα και για τις δύο μεθόδους. Τα σφάλματα που σχετίζονται με τις μερικές περικοπές ήταν πολύ υψηλότερα από τα καθαρά κομμάτια (εικόνες 5 και 6). Τα λάθη για σαφή περικοπή κατά τη διάρκεια του πενταετούς διαστήματος ήταν σχεδόν τόσο χαμηλά όσο το 2ετές διάστημα (1991-1993).

Eικόνα 5:TCW και NDMI σφάλματα για την ανίχνευση του τύπου και της έντασης του δάσους από σκληρό ξύλο και μαλακό ξύλο (διακεκομμένη μερική περικοπή) σε πενταετή διαστήματα (1988-1993)

Eικόνα 6:TCW και NDMI σφάλματα για την ανίχνευση της δασικής συγκομιδής και της έντασης των σκληρών ξύλων και των μαλακών ξύλων (σαφής περικοπή CC, μερική περικοπή PC) στις 3-ετές (1988-1991) και 2ετές (1991-1993) (1988-1993)

Για τα υπόλοιπα έτη, μεταξύ του 2000 και του 2002, δεν υπάρχουν δεδομένα έντασης συγκομιδής για σύγκριση. Τόσο ο NDMI όσο και η TCW είχαν υψηλότερο σφάλμα προμήθειας και παράλειψης για την ανίχνευση σκληρού ξύλου, σε σύγκριση με τις συγκομιδές από μαλακό ξύλο, στο διάστημα των 5 ετών. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι τα περισσότερα είδη σκληρού ξύλου που αναγεννιούνται μετά την κοπή είναι πρωτοπόρα, είδη σκίασης δυσανεξίας σε καλύτερα σημεία από τα μαλακά ξύλα. Αυτά τα είδη σκληρού ξύλου αναγεννούνται και επιτυγχάνουν πυκνότερη κάλυψη εδάφους ταχύτερα από την αναγέννηση μαλακού ξύλου μετά από διαταραχή. Η επίδραση της αύξησης των ετών μεταξύ των αποκτήσεων εικόνας Landsat παρουσιάζει σαφή τάση όταν συγκρίνουμε όλες τις περικοπές (2000-2001, 2001-2002, 2000-2002) και μερικές περικοπές από το 1988-1991 και το 1991-1993.

Με την αύξηση του διαστήματος από 1, 2 και 5 χρόνια, το σφάλμα προμήθειας και παράλειψης ανίχνευσης της διαταραχής τύπου δάσους (σκληρού ξύλου και μαλακής ξυλείας) αυξήθηκε γραμμικά (εικόνες 5, 7, 8) και για τα δύο TCW και NDMI. Και για τα 2 και 5 χρόνια, τα σφάλματα ήταν υψηλότερα αν η ημερομηνία της συγκομιδής ήταν νωρίτερα από το διάστημα απόκτησης παρά αργότερα (Εικόνες 7 και 8). Όταν το διάστημα ήταν 2 έτη ή 1 έτος (Εικόνες 7 και 8), το NDMI είχε ελαφρώς χαμηλότερο σφάλμα προμήθειας και παραλείψεων στην ανίχνευση μεταβολής σκληρού ξύλου και μαλακού ξύλου σε σύγκριση με την TCW.

Eικόνα 7:TCW και NDMI σφάλματα για την ανίχνευση της συγκομιδής σκληρού ξύλου και μαλακού ξύλου (C-clear cut και partial cut combined) στο διάστημα 2 ετών

Eικόνα 8:TCW και NDMI σφάλματα (2000-2001, 2001-2002) Δασική συγκομιδή σκληρού ξύλου και μαλακού ξύλου (C-clear cut και partial cut combined) και συγκομιδή εντός 2-χρόνου περιόδο

Ως απόρροια των παραπάνω προκύπτει πως ο NDMI είχε υψηλότερες τιμές μέσης μετασχηματισμένης απόκλισης (TD) (εικόνα 9) μεταξύ τάξεων μεταβολής και χωρίς αλλαγή από το 2000 έως το 2002, υποδηλώνοντας ότι η φασματική διαχωρισιμότητα NDMI ήταν καλύτερη από την TCW για τη διάκριση των δασικών διαταραχών. Οι διαφορές στις τιμές TD μεταξύ των δύο μεθόδων ήταν μικρές, εκτός από τις κλάσεις όπου δεν υπήρχαν διαφορές, όπου η TCW είχε πολύ χαμηλότερη TD (έτσι χαμηλότερη διαχωρισιμότητα) για να μη διακρίνει καμία αλλαγή από τις διαταραχές που έλαβαν χώρα πριν από το 2000 και μεταξύ 2000 και 2001. Το TCW είχε επίσης χαμηλότερες τιμές TD για τον διαχωρισμό της κοπής πριν από τις περικοπές 2000Q και 2000-2001. Τα δεδομένα υποστηρίζουν την παρατηρούμενη τάση, όπου και τα σφάλματα προμήθειας και παραλείψεων ήταν χαμηλότερα για το NDMI σε σύγκριση με το TCW, όταν οι ημερομηνίες απόκτησης του Landsat ήταν μόνο 1 έως 2 έτη.

Eικόνα 9:Πίνακας με τις μετασχηματισμένες τιμές φασματικής διαχωρισμού για TCW και NDMI με βάση τις θέσεις κατάρτισης των περιοχών συγκομιδής και καμία περιοχή μεταβολής σε διαφορετικά έτη, η έντονη γραφή υποδεικνύει σημαντικά χαμηλότερες τιμές TD για τη μέθοδο TCW

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]