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

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 23:50, 21 Φεβρουαρίου 2010

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

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

ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ ΤΩΝ ΟΙΚΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΚΑΤΕΣΤΡΑΜΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΟΧΩΝ

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΧΡΟΝΙΚΏΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΏΝ ΤΩΝ ΔΕΙΚΤΏΝ ΑΝΆΔΡΟΜΗΣ ΔΙΆΞΥΣΗΣ ΣΤΙΣ ΚΑΤΕΣΤΡΑΜΜΕΝΕΣ ΟΙΚΟΔΟΜΗΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ

Όταν χρησιμοποιήθηκε το μέγεθος παραθύρου 21*21 εικονοστοιχείων στην προαναφερθείσα ανάλυση, λήφθηκε η υψηλότερη διακρίνουσα ακρίβεια μεταξύ κατεστραμμένων και μη περιοχών. Η πρόοδος της εικόνας μπορεί να οδηγήσει στην τραχιά εκτίμηση και μπορεί μόνο να χρησιμοποιηθεί για τη διαδεδομένη σοβαρή ζημία. Ένα μεγαλύτερο μέγεθος παραθύρων, εντούτοις, δεν προσφέρει την ικανότητα για την ανίχνευση των μικρών χωρικών αλλαγών μέσα σε ένα παράθυρο. Όπως φαίνεται στο σχήμα 10, η διαφορά σε αναλογίες σύμπτωσης χρησιμοποιώντας το μέγεθος παραθύρων 13*13 εικονοστοιχείων και 21*21 εικονοστοιχείων δεν είναι τόσο ευδιάκριτη, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούν οι εικόνες το φίλτρο καταφυγίων μεγαλύτερο από 21*21 εικονοστοιχεία. Επομένως, αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα παράθυρο εικονοστοιχείου 13*13 σε αυτήν την μελέτη για να υπολογίσουμε τους δύο δείκτες από δύο στοιχεία αποκτήσεων προκειμένου να ανιχνευθούν τα μικρά χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Με βάση τα αποτελέσματα των ανωτέρω αναλύσεων, μια χρονική αλλαγή στους δύο δείκτες μέσω μιας χρονικής σειράς ανάλυσης ερευνήθηκε. Ορίσαμε την εικόνα που λήφθηκαν στις 12 Οκτωβρίου 1994 ως κύρια (εικόνα β), και άλλη ως δευτερεύουσα (εικόνα α). Κατόπιν οι δύο δείκτες υπολογίστηκαν από τις εξισώσεις 1 και 2 χρησιμοποιώντας δύο εικόνες αποκτήσεων, α και β.

Το σχήμα 11 παρουσιάζει τα χρονικά χαρακτηριστικά της διαφοράς στις περιοχές όπου η σοβαρά κατεστραμμένη αναλογία είναι ίση με 100% και αυτών χωρίς τη ζημία. Οι μέσες τιμές της διαφοράς στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης στις κατεστραμμένες περιοχές βλέπουνε μια μείωση σε περίπου -1 DB μετά από το γεγονός. Μέχρι τώρα, η σταθερή απόκλιση στις κατεστραμμένες περιοχές φαίνεται σχετικά μεγάλη μετά από το σεισμό. Από την άλλη πλευρά, δεν θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε εύκολα οποιεσδήποτε τάσεις στη μέση αξία για τις περιοχές χωρίς ζημία κατά τη διάρκεια της περιόδου του περιστατικού σεισμο. Επιπλέον, στις κατεστραμμένες περιοχές, η τάση βλέπει για την αξία που μειώθηκε αμέσως μετά από το γεγονός και αυξήθηκε έπειτα βαθμιαία μέχρι το έτος 1997. Η επιρροή των όρων παρατήρησης, όπως η δορυφορική τροχιά, περιλήφθηκε ενδεχομένως σε αυτήν την τάση εκτός από την αλλαγή του διασκορπίζοντας την κατάσταση στη γήινη επιφάνεια, ως αξία που αυξήθηκε ομοίως στις περιοχές χωρίς ζημία επίσης. Η χρονική αλλαγή στο συντελεστή συσχετισμού και για τις τις δύο περιοχές παρουσιάζεται στο σχήμα 12. Οι μέσες τιμές του συντελεστή συσχετισμού και για το δύο σοβαρά κατεστραμμένες και μη περιοχές ήταν σχεδόν οι ίδιες, περίπου 0.6 πριν από το σεισμό, όμως, η τιμή για τη σοβαρά κατεστραμμένη περιοχή μετά από το σεισμό μειώθηκε σε περίπου 0.3, και έπειτα παρέμεινε σε σταθερό επίπεδο. Η διασπορά στη μέση αξία του συντελεστή συσχετισμού φαίνεται να είναι σταθερότερη από αυτή της μέσης αξίας της διαφοράς στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης (δείτε το σχήμα 11).

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΗΣ ΖΗΜΙΑΣ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗ

Αυτή η μελέτη καταδεικνύει ότι οι σοβαρά κατεστραμμένες περιοχές μπορούν να προσδιοριστούν με δύο απλούς δείκτες κατά την χρησιμοποίηση των time-series (χρονικής σειράς) στοιχείων SAR. Η διαφορά μεταξύ του συντελεστή ανάδρομης διάξυσης, του δ, και του συντελεστή συσχετισμού, ρ, για κάθε περιοχή λήφθηκε από το αντίστοιχο παράθυρο εικονοστοιχείου 13*13 χρησιμοποιώντας ένα ζευγάρι εικόνων, από τις 23 Μαΐου 1995 και 12 Οκτωβρίου 1994, οι οποίες έχουν φιλτραριστεί από τον Lee ενός παραθύρου εικονοστοιχείου 21*21 (σχήμα 13). Μια γραμμική διακρίνουσα ανάλυση που παρουσιάστηκε στο σχήμα 5 εφαρμόστηκε για να ταξινομήσει σοβαρά κατεστραμμένες και μη περιοχές. Ένας διακρίνων τύπος, που παρουσιάζεται στις διαστιγμένες γραμμές στο σχήμα 13 που λαμβάνεται από την ανάλυση, παρουσιάζεται στην εξίσωση 3:

z = -2.140 * d - 12.465 * r + 4.183

όπου το z είναι το διακρίνον αποτέλεσμα. Σύμφωνα με την πιθανότητα σε αυτήν την διακρίνουσα ανάλυση για τις δύο καταστάσεις, τα εικονοστοιχεία των οποίων η αξία z είναι θετική και αρνητική ορίζονται ως σοβαρή ζημία και καμία ζημία, αντίστοιχα. Επειδή οι και οι δύο συντελεστές είναι αρνητικοί, το υψηλότερο και αρνητικό d ή το μικρότερο r κερδίζει το lager z. Η αναλογία σύμπτωσης της διάκρισης για τους δύο όρους ήταν 78.5% βασισμένο σε αυτό το σύνολο στοιχείων κατάρτισης. Όταν θεωρήσαμε το μόνο ενιαίο μέτρο, δηλ., τη διαφορά ή το συσχετισμό, τα αποτελέσματα της αναλογίας σύμπτωσης για να διακρίνουμε τους δύο όρους από τη μονο-μεταβλητή γενικευμένη απόσταση Mahalanobis χρησιμοποιώντας τη διαφορά ή το συσχετισμό ήταν 71.1% και 73.4%, αντίστοιχα. Η ακρίβεια της διάκρισης και με τα τα δύο μέτρα μαζί παρουσιάζει υψηλότερο από εκείνο χρησιμοποιώντας ένα από τα μέτρα.

Στην εφαρμογή αυτής της εξίσωσης 3 στις επτά κατηγορίες ολόκληρου του συνόλου στοιχείων κατάρτισης, η μέση και σταθερή απόκλιση για τις σοβαρά κατεστραμμένες αναλογίες ζημίας υπολογίστηκαν όπως φαίνεται στον πίνακα 2. Το διακρίνον αποτέλεσμα z δείχνει το βαθμό της ζημίας στην οικοδόμηση στην περιοχή. Η κατανομή της τιμής z που επιστρωμένη στην αρχική εικόνα έντασης SAR απεικονίζεται στον εικόνα 14.

Η σκοτεινότερη περιοχή παρουσιάζει τα εικονοκύτταρα με την υψηλότερη αξία z. Εστιάζοντας στις αστικοποιημένες περιοχές για να ανιχνεύσουν τη ζημία οικοδόμησης, τα εικονοκύτταρα οι συντελεστές ανάδρομης διάξυσης των οποίων είναι μικρότεροι από την ορισμένη αξία κατώτατων ορίων (-5 DB) καλύφθηκαν στην πλοκή λόγω της αντανάκλασης ανάδρομης διάξυσης γενικά που είναι ισχυρότερης στις υψηλής ανάπτυξης περιοχές από άλλες περιοχές, όπως η θάλασσα και οι περιοχές με βλάστηση μεγάλης ποσότητας. Σε αυτή την εικόνα, η σκοτεινή περιοχή αποτελεί μια ζώνη που είναι παρόμοια με τη σοβαρά πληγείσα ζώνη βασισμένη στην έρευνα τομέων, που παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Είναι κατανοητό ότι η αναδρομικά διασκορπισμένη ένταση μειώθηκε στη κατεστραμμένη περιοχή λόγω της μείωσης της βασικής επίδρασης των μικροκυμάτων δεδομένου ότι τα κτήρια κατέρρευσαν ή/και αφαιρέθηκαν και τα κενά διαστήματα διαμορφώθηκαν. Η ροή και οι σημειώσεις για την επεξεργασία εικόνας για να ανιχνεύσει τη χαλασμένη περιοχή συνοψίζονται στο σχήμα 15.

Αν και κατανοώντας τη γενική ζημία η κατανομή είναι δυνατή από τους υπάρχοντες δορυφόρους, υψηλής ευκρίνειας διαστημική ή αερομεταφερόμενη τηλεπισκόπηση SAR, που συλλέγει τις συμπληρωματικές λεπτομερείς πληροφορίες ζημίας για το χτισμένο περιβάλλον, θα πραγματοποιηθεί στο κοντινό μέλλον. Μια θεωρητική μελέτη για την αξιολόγηση της παραμόρφωσης των κτηρίων πραγματικού-μεγέθους από τα μιμούμενα φανταστικά στοιχεία SAR βασισμένα σε μια ηλεκτρομαγνητική διατύπωση (Shinozuka και λοιποί. 2000) θα αποδειχθεί πληροφοριακή στον υπολογισμό αυτού του στόχου.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η ποσοτική αξιολόγηση σχετικά με τα χαρακτηριστικά των δορυφορικών εικόνων SAR της κατεστραμμένης περιοχής πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τα στοιχεία ERS/SAR που λήφθηκαν πριν και μετά από το σεισμό Ηyogoken-Nanbu του 1995 (Kobe). Στην προηγούμενη μελέτη μας, ο συσχετισμός μεταξύ της αναλογίας ζημίας στην οικοδόμηση και στην δορυφορική εικόνα SAR έδειξε μια τάση σχετικά με την αναλογία ζημίας οικοδόμησης στην περιοχή με μια υψηλή αναλογία ζημίας, η διαφορά του συντελεστή ανάδρομης διάξυσης (μετά από-πριν) γίνεται υψηλότερη και αρνητική, και ο συντελεστής συσχετισμού γίνεται χαμηλότερος. Για να αναπτύξει μια καθολική μέθοδο για την αναγνώριση των κατεστραμμένων περιοχών, μια παραμετρική μελέτη πραγματοποιήθηκε για την επιλογή του βέλτιστου μεγέθους παραθύρων για τον υπολογισμό των δύο δεικτών και της διαφοράς και του συσχετισμού για να διακρίνει σοβαρά και μη κατεστραμμένες περιοχές.

Επίσης εξετάστηκαν τα αποτελέσματα του φίλτρου μείωσης θορύβου στίγματος για την αξιολόγηση της ζημίας οικοδόμησης. Από αυτήν την ανάλυση, η εφαρμογή του διακρίνοντος αποτελέσματος, που προέρχεται από το συνδυασμό δύο δεικτών μέσα σε ένα αντίστοιχο παράθυρο χρησιμοποιώντας τις προ και μετά του γεγονότος φιλτραρισμένες στίγμα-μείωση εικόνες, προτάθηκε για να ανιχνεύσει τις σοβαρά κατεστραμμένες περιοχές. Η κατανομή που λήφθηκε από αυτήν την διαδικασία παρουσίασε σχετικά καλή συμφωνία με την πραγματική κατανομή ζημίας από την έρευνα τομέων. Δεδομένου ότι αυτή η μέθοδος ανίχνευσης ζημίας αναπτύχθηκε βασισμένη στο σύνολο στοιχείων μόνο από το σεισμό Kobe, μια περαιτέρω μελέτη απαιτείται μέσω των πληροφοριών από άλλους πρόσφατους καταστρεπτικούς σεισμούς στον κόσμο για να είναι σε θέση να επιτύχει μια γενική συμφωνία για την ανίχνευση ζημίας σεισμού στις αστικές περιοχές που χρησιμοποιούν το δορυφορικό SAR.