Αξιολόγηση των τεχνικών ανίχνευσης στη παρακολούθηση μεταβολών στις κάλυψεις γης: Μια μελέτη περίπτωσης στη νέα περιοχή Burg El-Arab.

Από RemoteSensing Wiki

Αξιολόγηση των τεχνικών ανίχνευσης στη παρακολούθηση μεταβολών στις κάλυψεις γης: Μια μελέτη περίπτωσης στη νέα περιοχή Burg El-Arab.

Η ανίχνευση των μεταβολών στις καλύψεις γης περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός συνόλου δεδομένων, για την ποσοτική ανάλυση των διαφόρων τάξεων κάλυψης γης. Σημαντικό εργαλείο για την παρακολούθηση περιβαλλοντικών αλλαγών και καλύψεων γης αποτελεί η χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης.

Η περιοχή μελέτης είναι η New Burg El-Arab, 60 χλμ δυτικά της Αλεξάνδρειας στην Αίγυπτο. Πρόκειται για μια νέα βιομηχανική κοινότητα, η οποία αναπτύσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια, με ταυτόχρονη ανάπτυξη μιας οργανωμένης αστικής κοινότητας. Έτσι, η παρακολούθηση, η αξιολόγηση και ο έλεγχος των μεταβολών στις καλύψεις γης της περιοχής, παράλληλα με την ποσοτική και ποιοτική ανάλυση τους, μπορεί να αποτελέσει μοχλό οικονομικής ανάπτυξης και ορθολογικής διαχείρισης των πόρων.

Στόχος του μελετητή είναι ο προσδιορισμός της φύσης και της έκτασης των αλλαγών στις καλύψεις γης της πόλης από το 1990 στο 2000, με τη χρήση πολυφασματικών εικόνων Landsat. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τη χαρτογράφηση των αλλαγών είναι οι εξής: α) μετα-ταξινόμηση (post-classification), β) διαφορά εικόνων (image differencing), γ) λόγοι εικόνων (image ratioing) και δ) ανάλυση σε κύριες συνιστώσες (principal component analysis).

Δεδομένα

Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν είναι το 1990 από το Landsat Thematic Mapper (TM) και το 2000 από το Landsat Enhanced Thematic Mapper (ETM). Η περιοχή έχει έκταση 53 τ.χλμ. (512 Χ 512 pixels, και χωρική ανάλυση 14,25μ.), ενώ και οι δυο εικόνες είναι διαθέσιμες στα κανάλια 7, 4, 2 (RGB).

Εικόνα 1 : Δεδομένα ακρίβειας για την περιοχή μελέτης

Εν συνεχεία, καταχωρήθηκε σε εικόνα από το google earth (2000) ο χάρτης αναφοράς του 1990, από την Αιγυπτιακή Αρχή Γενικής Έρευνας, με χωρική ανάλυση 14,25μ. χρησιμοποιώντας την τεχνική Nearest-neighbor, ο οποίος λειτούργησε και ως δεδομένα αναφοράς για τις κατηγορίες καλύψεων γης το 2000. Τα δύο αυτά δεδομένα αναφοράς, 1990 και 2000, (βλ.εικόνα 1), ύστερα από χρήση της ταξινόμησης μέγιστης πιθανοφάνειας, ταξινομήθηκαν σε έδαφος (S), βλάστηση (V) και αστικές περιοχές (U). Συγκρίνοντας λογικά του νέους ταξινομημένους χάρτες, παρήχθησαν δύο χάρτες αναφοράς, ο χάρτης αναφοράς ταξινομημένης αλλαγής (βλ.εικόνα 2α) και ο χάρτης αναφοράς αλλαγής/μη αλλαγής (βλ.εικόνα 2β).

Εικόνα 2 a) Ο ταξινομημένος χάρτης ακρίβειας αλλαγών. 2b) Ο χάρτης αναφοράς αλλαγών/ μη αλλαγών.

Έπειτα, πραγματοποιήθηκαν ραδιομετρικές διορθώσεις στις δύο εικόνες ώστε να εξαλειφθούν σφάλματα που προέρχονται από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, και τις συνθήκες φωτισμού/ ηλιακής ακτινοβολίας.

Μέθοδοι ανίχνευσης μεταβολών στις καλύψεις γης:

• μετα-ταξινόμηση (post-classification): Παρήχθησαν τρεις τάξεις καλύψεων γης, έδαφος, βλάστηση και αστικός ιστός, για τις δύο κανονικοποιήμενες εικόνες Landsat 1990 και 2000. Ύστερα από σύγκριση των δύο ταξινομημένων εικόνων (μέγιστης πιθανοφάνειας) δημιουργήθηκαν εννέα κατηγορίες κάλυψης γης, με τις έξι τελευταίες να αποτελούν αλλαγές και τις τρεις πρώτες όχι. Για την αξιολόγηση και ακρίβεια των εικόνων των ταξινομημένων αλλαγών, έγινε σύγκριση με τα δεδομένα αναφοράς και προέκυψε ότι η σνολική ακρίβεια των εικόνων ταξινομημένων αλλαγών ανέρχεται στο 66,7% ενώ της εικόνας αλλαγής/ μη αλλαγής στο 73,9%.

• διαφορά εικόνων (image differencing): Πρόκειται για αφαίρεση της ψηφιακής τιμής ενός εικονοστοιχείου σε ένα κανάλι της εικόνας του 1990, από τη ψηφιακή τιμή του ίδιου εικονοστοιχείου και καναλιού, το 2000, ενώ πραγματοποιήθηκε για τα κανάλια 7, 4 και 2, με αποτέλεσμα τρεις εικόνες διαφορών. Ύστερα από ταξινόμηση των τριών εικόνων, προέκυψε η συνολική ακρίβεια της εικόνας της ταξινομημένης αλλαγής να είναι 53,56%, ενώ της εικόνας αλλαγής/ μη αλλαγής, 60,00%

• λόγοι εικόνων (image ratioing) :Πρόκειται για το λόγο της ψηφιακής τιμής ενός εικονοστοιχείου σε ένα κανάλι της εικόνας του 1990, προς τη ψηφιακή τιμή του ίδιου εικονοστοιχείου και καναλιού, το 2000, με αποτέλεσμα τριών εικόνων λόγων, ενώ προέκυψε ότι τη μεγαλύτερη ακρίβεια έχει το κανάλι 2. η συνολική ακρίβεια της εικόνας αλλαγής /μη αλλαγής είναι 64,80%. Η συνολική ακρίβεια της ταξινομημένης εικόνας αλλαγής είναι 57,04%, συγκρίνοντας με αντίστοιχους χάρτες αναφοράς.

• ανάλυση σε κύριες συνιστώσες (principal component analysis): Η συνιστώσα η οποία ανιχνεύει ορθότερα τις αλλαγές στις καλύψεις γης (πιο φωτεινές) και προέκυψε από την εν λόγω μέθοδο είναι η PC2. Ομοίως με τη μέθοδο της διαφοράς εικόνων δημιουργούνται οι εικόνες αλλαγής/ μη αλλαγής και ταξινομημένης αλλαγής με συνολική ακρίβεια 53,7% και 47,64% αντιστοίχως.

Έτσι, η μέθοδος της μετα-ταξινόμησης παρέχει τη μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ τη μικρότερη ακρίβεια παρέχει η ανάλυση σε κύριες συνιστώσες. Για όλες τις μεθόδους η συνολική ακρίβεια των εικόνων αλλαγής/ μη αλλαγής είναι υψηλότερες από τις ταξινομημένες εικόνες αλλαγής.

Εικόνα 3 Χάρτες μεταβολών των καλύψεων γης, έδαφος, βλάστηση, αστικός ιστός, μεταξύ 1990 και 2000.

Για την ποσοτική μελέτη της φύσης και της έκτασης των αλλαγών έγινε χρήση της ακριβέστερης μεθόδου, της μετα-ταξινόμησης. Η έκταση της κατηγορίας έδαφος έχει μειωθεί από 51,95 τ.χλμ. το 1990 σε 32,24 τ.χλμ. το 2000, γεγονός το οποίο οφείλεται στην αστική εξάπλωση από 0,68 τ.χλμ. το 1990 σε 9,50 τ.χλμ. το 2000, και επίσης λόγω της αύξησης της βλάστησης από 0,59 τ.χλμ. σε 11,48 τ.χλμ. το 2000. (βλ. Εικόνα 3)

Hafez A. Afify (2011) Evaluation of change detection techniques for monitoring land-cover changes: A case study in new Burg El-Arab area Πηγή: [1]