Ταξινόμηση της παγκόσμιας υποθαλάσσιας τοπογραφίας και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών από τα δεδομένα SRTM30 PLUS.
Από RemoteSensing Wiki
Ταξινόμηση της παγκόσμιας υποθαλάσσιας τοπογραφίας και γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών από τα δεδομένα SRTM30 PLUS.
Συγγραφείς : Maria Dekavalla Demetre Argialas
Πρωτότυπος τίτλος: Object-based classification of global undersea topography and geomorphological features from the SRTM30_PLUS data.
Εισαγωγή
Η ανάλυση της υποθαλάσσιας τοπογραφίας και των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες σε συναφείς κλάδους και πολλές εφαρμογές. Η ανάπτυξη μιας αυτοματοποιημένης προσέγγισης ταξινόμησης της υποθαλάσσιας τοπογραφίας και των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών είναι δύσκολη. Σκοπός της μελέτης είναι η ανάπτυξη και η αξιολόγηση μιας αυτοματοποιημένης προσέγγισης OBIA για: i) την αποσύνθεση της παγκόσμιας υποθαλάσσιας τοπογραφίας σε περιοχές πολλαπλών κλιμάκων διαφορετικών μορφομετρικών ιδιοτήτων και ii) την ανάθεση των παράγωγων περιοχών σε χαρακτηριστικά γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά.
Σκοπός αυτής της μελέτης είναι η ανάπτυξη και αξιολόγηση μιας μεταβιβάσιμης αυτοματοποιημένης προσέγγισης OBIA για την ταξινόμηση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών μέσω της κλίμακας αποδοτικής παραμετροποίησης και περιφερειοποίησης των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS. Ο βασικός αυτός στόχος πρέπει να επιτευχθεί μέσω των ακόλουθων στόχων:
1. Η ισχυρή και αντικειμενική κατανομή των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS σε μορφομετρικά αντικείμενα που ικανοποιούν τις απαιτήσεις μεγιστοποίησης ομοιογένειας μεταξύ αντικειμένων και ετερογένειας μεταξύ αντικειμένων συγκεκριμένων μορφομετρικών ιδιοτήτων σε βέλτιστες κλίμακες, που καθορίζονται από μεθόδους που βασίζονται τα δεδομένα . 2. Η ταξινόμηση των αντικειμένων με διακριτές ιδιότητες μορφομετρικής και τοπογραφικής θέσης σε διάφορες χαρακτηριστικές γεωγραφικές κατηγορίες γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, χρησιμοποιώντας μια βάση γνώσεων, που αναπτύχθηκε από την τυποποιημένη ορολογία και τους ορισμούς των υποθαλάσσιων χαρακτηριστικών του Διεθνούς Υδρογραφικού Οργανισμού (IHO, 2008) και πρότυπου θαλάσσιας οικολογικής ταξινόμησης. 3. Η αξιολόγηση της δυνατότητας μεταφοράς της ταξινόμησης η οποία δημιουργήθηκε μέσω της εφαρμογής της σε έξι διαφορετικές περιπτωσιολογικές μελέτες διαφορετικών γεωμορφολογικών ρυθμίσεων που περιλαμβάνουν διάφορα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά. Με βάση τη σύγκριση με υπάρχουσες αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες μορφομετρικής ταξινόμησης και με προσεγγίσεις χαρτογράφησης αυτοματοποιημένων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών, οι αναμενόμενες βελτιώσεις της μεθοδολογίας που παρουσιάζονται είναι: α) μείωση των ανθρώπινων σφαλμάτων με την εξάλειψη των χειρωνακτικών βημάτων ερμηνείας, β) μείωση των υποκειμενικών αποφάσεων, γ) ικανότητα αναπαραγώγιμων αποτελεσμάτων. δ) την ρητή αναπαράσταση όλων των υποκειμενικών αποφάσεων έτσι ώστε να μπορούν να υποβάλλονται σε αξιολόγηση και κριτική από άλλους ερευνητές, ε) την αντιμετώπιση ζητημάτων κλίμακας λόγω της πολυεπίπεδης φύσης και της πολυπλοκότητας της υποθαλάσσιας τοπογραφίας • στ) αποτελεσματική περιφερειοποίηση της υποθαλάσσιας τοπογραφίας. ζ) αποτελεσματική ταξινόμηση των υποπροειδών γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών σε διάφορες περιοχές, χωρίς χειροκίνητη αναθεώρηση των σταδίων παραμετροποίησης και κατακερματισμού και της βάσης γνώσεων • και η) μείωση χρόνου της διαδικασίας χαρτογράφησης των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών.
Μεθοδολογία Πρώτον, η παγκόσμια υποθαλάσσια τοπογραφία αποσυντέθηκε μέσω των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS στα λεγόμενα μορφομετρικά αντικείμενα διακεκριμένων μορφομετρικών ιδιοτήτων και χωρικών κλιμάκων που ορίζονται από μεθόδους που βασίζονται σε δεδομένα (τοπικές γραφικές παραλλαγές και ένθετα μέσα) και ανάλυση πολλαπλών επιπέδων. Τα παράγωγα μορφομετρικά αντικείμενα συνδυάστηκαν με πρόσθετες σχετικές πληροφορίες τοπογραφικής θέσης που υπολογίστηκαν με μια μέθοδο αυτοπροσδιορισμού αναγνώρισης προτύπων (geomorphons) και βοηθητικά δεδομένα και είχαν αποδοθεί σε χαρακτηριστικές κατηγορίες υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών μέσω μιας βάσης γνώσεων που αναπτύχθηκε από τυπικούς ορισμούς. Η αποσύνθεση των δεδομένων SRTM30_PLUS σε μορφομετρικά αντικείμενα θεωρήθηκε επιτυχής για τις απαιτήσεις μεγιστοποίησης της ετερογένειας μεταξύ αντικειμένων και μεταξύ αντικειμένων. Αυτό οφείλατε στο γεγονός πως οι τιμές του δείκτη Moran’s I ήταν κοντά στο μηδέν και στις χαμηλές τιμές του σταθμισμένου δείκτη μεταβλητότητας. Η προσέγγιση της ταξινόμησης βασισμένη στη γνώση εξετάστηκε για τη δυνατότητα μεταφοράς της σε έξι περιπτωσιολογικές μελέτες διαφόρων τεκτονικών ρυθμίσεων και επέτυχε την αποδοτική εξαγωγή 11 υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών τάξεων.
Αποτελέσματα και Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα ταξινόμησης για τις έξι περιπτωσιολογικές μελέτες συγκρίθηκαν με τον ψηφιακό παγκόσμιο γεωμορφολογικό χαρακτηριστικό γεωγραφικών χαρακτηριστικών (GSFM). Οι 11 κατηγορίες υποθαλάσσιων χαρακτηριστικών και η ακρίβεια του παραγωγόμενου τους σε σχέση με τις σχετικές περιοχές της GSFM ήταν: Basin (95%), Continental Shelf (94,9%), Trough (88,4%), Plateau (78,9%), Continental Slope (62,4%), Ridge (49,8%), Seamount (48,8%) και Continental Rise (25,4%). Η μελέτη αυτή διερεύνησε το δυναμικό μεταφοράς μιας αυτοματοποιημένης προσέγγισης OBIA για την ταξινόμηση των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών μέσω της κλίμακας αποδοτικής και αντικειμενικής παραμετροποίησης και περιφερειοποίησης των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS. Είναι σημαντικό να αναπτυχθούν πολυάριθμες και αντικειμενικές μέθοδοι για την αναπαράσταση του τοπίου, οι οποίες μπορούν να είναι πολύτιμες για μια μεγαλύτερη κοινότητα χρηστών. Συνήθως, η εφαρμογή καθορίζει την κλίμακα ανάλυσης και συνεπώς το παραγόμενο προϊόν είναι ανεπαρκές για να ικανοποιήσει άλλες επιστημονικές ανάγκες. Το αποτέλεσμα της παγκόσμιας μορφομετρικής ταξινόμησης των δεδομένων SRTM30_PLUS μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εισροή σε πιο εξειδικευμένες εφαρμογές, όπου οι μορφομετρικές πληροφορίες είναι σημαντικές (π.χ., χαρτογράφηση βενθικών ενδιαιτημάτων και μελέτες κυκλοφορίας ωκεανών). Επιπλέον, το βήμα κατακερματισμού μπορεί να συντονιστεί για συγκεκριμένες εφαρμογές αλλάζοντας τον αριθμό των χαρακτηριστικών ζυγών που ανιχνεύονται με τη μέθοδο της τοπικής γραφικής παραλλαγής. Με τη σειρά τους, τα παράγωγα αντικείμενα μπορούν να ταξινομηθούν με εξειδικευμένα περιγραφικά χαρακτηριστικά όπως το πάχος των ιζημάτων, η θερμοκρασία του πυθμένα και το πυκνό διαλελυμένο οξυγόνο για χαρτογράφηση βενθικών οικοτόπων. Για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε αντικειμενοστρεφής προσέγγιση για την αντικειμενική κατανομή της σύνθετης υποθαλάσσιας τοπογραφίας μέσω των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS σε μορφομετρικά αντικείμενα πολλαπλών επιπέδων, με βάση το θεωρητικό πλαίσιο για την οριοθέτηση των μορφομετρικών μονάδων από τα DEM που προτείνετε από τους Minár και Evans. Ο συνδυασμός τεχνικών που βασίζονται σε δεδομένα (δηλ. Τοπικές γραφικές παραλλαγές, ένθετα σημαίνει ταξινόμηση και ανάλυση πολλαπλών κλίμακων) καταφέρνουν να αποσυνθέσουν την υποθαλάσσια τοπογραφία σε μορφομετρικά αντικείμενα πολλαπλών μεγεθών υψηλής ετερογένειας μεταξύ αντικειμένων και μεταξύ αντικειμένων. Στην προσέγγιση που αναπτύχθηκε, η πολυπλοκότητα της υποθαλάσσιας τοπογραφίας αντιμετοπίστηκε με την προσαρμοστική παραμετροποίηση κλίμακας των βαθυμετρικών δεδομένων (δηλ. Των γεωμορφών) και των στατιστικών μεθόδων, οι οποίες καθόρισαν τα βέλτιστα μήκη κλίμακας για την οριοθέτηση αντικειμένων και τα περιγραφικά χαρακτηριστικά τους (δηλ. απόκλιση βάθους). Η κλίμακα-εξάρτησης των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών αντιμετωπίστηκε με μια μέθοδο ανάλυσης πολλαπλών επιπέδων, ενσωματωμένη σε ένα αντικειμενοστρεφόμενο πλαίσιο ανάλυσης εικόνας. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει τη δυνατότητα γεωμορφολογικής χαρτογράφησης σε ποικίλες κλίμακες, διαθέσιμες με τη δεδομένη ανάλυση του DEM. Μπορεί να ανιχνεύσει με αντικειμενικό και επαναλαμβανόμενο τρόπο χαρακτηριστικά μεγαλύτερα από τη χωρική ανάλυση των δεδομένων βαθυμετρίας SRTM30_PLUS (δηλαδή πάνω από 4 km2) μέσω καθολικών εφαρμόσιμων κριτηρίων που καθορίζονται από τους τυποποιημένους ορισμούς που παρέχονται από το IHO .
Η αναπτυγμένη προσέγγιση αναπαράγει αποτελεσματικά τα σχετικά θεματικά στρώματα της GSFM, τα οποία οριοθετήθηκαν με οπτική ερμηνεία βασισμένη στο περίγραμμα από τους Harris et al. (2014). Αντίθετα, η παρουσιαζόμενη μεθοδολογία δεν κατόρθωσε να αναπαράγει τις υποθαλάσσιες γεωμορφολογικές χαρακτηριστικές τάξεις του GSFM, οι οποίες οριοθετήθηκαν με αυτοματοποιημένες μεθόδους ή χειροκίνητη ψηφιοποίηση με τη βοήθεια αλγορίθμου των Harris et al. (2014). Ωστόσο, αυξάνει το μέγεθος της αυτοματοποίησης και αντικειμενικότητας με τους οποίους μπορούν να δημιουργηθούν γεωμορφολογικές χάρτες χαρακτηριστικών από βαθυμετρικά δεδομένα χονδρικής ανάλυσης και εξετάζοντας την επίδραση της κλίμακας και της ανάλυσης των δεδομένων στα αποτελέσματα.
Η προσέγγιση που πραγματοποιήθηκε προσφέρει ένα αντικειμενικό και προσαρμοστικό κλίμακας πλαίσιο για την ανάπτυξη μιας μεταβιβάσιμης προσέγγισης ταξινόμησης υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών από βαθυμετρικά δεδομένα χονδρικής ανάλυσης. Ωστόσο, απαιτούνται περισσότερες έρευνες για να δημιουργηθεί μια αποτελεσματική βάση γνώσεων, η οποία μπορεί να αποσπάσει αποτελεσματικά επιπλέον υποθαλάσσια γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Η σύλληψη και η τυποποίηση των γνώσεων σχετικά με τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά των εμπειρογνωμόνων και ο συνδυασμός τους με αλγορίθμους μηχανικής μάθησης θα βοηθούσε στη δημιουργία αυτής της βάσης γνώσεων.
Αυτή η μελέτη έδωσε δύο βασικά συμπεράσματα: (1) Η αποδοτική και αντικειμενική παραμετροποίηση και περιφερειοποίηση της υποθαλάσσιας τοπογραφίας μέσω της χρήσης τεχνικών με βάση δεδομένα μπορεί να παρέχει τα απαραίτητα τμήματα και τα περιγραφικά χαρακτηριστικά τους για την αποτελεσματική ταξινόμηση υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών διαφόρων ζυγών, εκπροσωπούμενη σε συγκεκριμένης ανάλυσης DEM • και (2) η ενσωμάτωση της γνώσης του τομέα μέσω της ποσοτικοποίησης των σημασιολογικών πληροφοριών που παρέχονται από τυποποιημένους ορισμούς μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη μιας μεταβιβάσιμης βάσης γνώσεων για την ταξινόμηση υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών.
Το αποτέλεσμα της παγκόσμιας μορφομετρικής ταξινόμησης των δεδομένων SRTM30_PLUS μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εισροή σε πιο εξειδικευμένες εφαρμογές (π.χ. χαρτογράφηση βενθικών ενδιαιτημάτων και μελέτες κυκλοφορίας ωκεανών). Η προσέγγιση που βασίζεται στη γνώση για τη χαρτογράφηση υποθαλάσσιων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών μπορεί να αντικαταστήσει αποτελεσματικά την οριοθέτηση βασισμένη στο περίγραμμα πολλών υποθαλάσσιων χαρακτηριστικών ή να βοηθήσει αποτελεσματικά στη χειρωνακτική ερμηνεία των βαθυμετρικών δεδομένων χονδρικής ανάλυσης. Επιπλέον, η εξελιγμένη προσέγγιση μπορεί να δοκιμαστεί με άλλη βαθυμετρία χονδρικής ή υψηλότερης ανάλυσης (π.χ. SRTM15_PLUS) ή δεδομένα ανύψωσης για την ταξινόμηση της τοπογραφίας και άλλων υποθαλάσσιων ή χερσαίων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών με την ενσωμάτωση πρόσθετων σημασιολογικών περιγραφών στη βάση γνώσεων.
