Ολοκληρωμένα δεδομένα Τηλεπισκόπησης και Γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα για την χαρτογράφηση αστικής χρήσης γης: Μια ανασκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Integrating remote sensing and geospatial big data for urban land use mapping: A review

Jiadi Yin, Jinwei Dong, Nicholas A.S. Hamm, Zhichao Li, Jianghao Wang, Hanfa Xing, Ping Fu

πηγή: [[1]]

Μετάφραση και περίληψη:

Εισαγωγή:

Με την αστικοποίηση και την επιρροή των ανθρώπων προκαλείται ραγδαία αύξηση του πληθυσμού. Αυτή η επιρροή προκαλεί την αλλαγή της αστικής γης σε διάφορες διαστάσεις από φυσικές πτυχές σε κοινωνικοοικονομικές πτυχές. Ένας μεγάλος αριθμός προϊόντων υψηλής αστικής κάλυψης γης σε μικρή χωρική ανάλυση έχει αναπτυχθεί παγκοσμίως. Παρόλα αυτά, λόγο της περιπλοκότητας της αστικής γης χρειάζονται προϊόντα υψηλής ακρίβειας ως προς τις πληροφορίες της αστικής γης τα οποία δεν υπάρχουν. Σε αυτήν την εργασία γίνετε μελέτη της φύσης της τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων και κάποιες στρατηγικές ενσωμάτωσης τους στην ταξινόμηση χρήσεων τις αστικής γης.

Μεθοδολογία:

Εισαγωγικά:

Για την μελέτη της αστικής γης χρησιμοποιήθηκε ένα ευρύ φάσμα δεδομένων δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Ωστόσο, η πολυπλοκότητα και η ποικιλομορφία των αστικών περιοχών δεν μπορεί να αποτυπωθεί καλά μόνο με τηλεπισκόπηση. Η πρόοδος στις τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνιών καθιστά δυνατή την πρόσβαση σε γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα όπως, σταθεροί και κινητοί αισθητήρες (περιβαλλοντικοί αισθητήρες, κάμερες, κάμερες Web, μέσα κοινωνικής δικτύωσης ή ακόμα και κάτοικοι αστικών περιοχών μέσω των τακτικών τους δραστηριοτήτων). Αυτά τα δεδομένα παρέχουν μια εναλλακτική προσέγγιση για την αποκάλυψη του τρόπου λειτουργίας των πόλεων. Παρά τις μεγάλες δυνατότητες ενσωμάτωσης τηλεπισκόπησης και γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων για την παροχή καλύτερων γνώσεων σχετικά με τη χρήση της αστικής γης, είναι δύσκολο να συνδυαστούν λόγω των διαφορών στην ποιότητα των χωρικών δεδομένων. Αρχικά ο στόχος της μελέτης ήταν να εξετάσει τα βασικά στοιχεία της τηλεπισκόπησης, των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων και τις μεθόδους για την ενοποίηση τους. Αυτό θα το κάνει λαμβάνοντας υπόψη μόνο δορυφορικά την τηλεπισκόπηση. Αυτή η μελέτη οργανώνεται σε 6 κεφάλαια. Στο 1ο κεφάλαιο γίνετε μια εισαγωγή στα γενικά στοιχεία της τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων. Το 2ο κεφάλαιο έχει να κάνει με την μετατροπή από αστική κάλυψη γης σε χρήση αστικής γης. Το 3ο κεφάλαιο αναλύει τα χαρακτηριστικά της τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων που χρησιμοποιούνται για την κατηγοριοποίηση της αστικής χρήσης γης. Στο 4ο κεφάλαιο αναλύθηκαν οι στρατηγικές ολοκλήρωσης. Στο 5ο κεφάλαιο συζητήθηκαν οι πιθανές εφαρμογές στην ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων σε χάρτες χρήσεων αστικής γης. Και στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται ένα συμπέρασμα και οι συνέπειες όλης της εργασίας.

2ο Κεφάλαιο:

Σύμφωνα με το 2ο κεφάλαιο η χρήση τηλεπισκόπησης για την χαρτογράφηση της κάλυψης αστικής γης έχει χρονικά μεγάλη ιστορία. Η περισσότεροι χάρτες κάλυψης αστικών εδαφών ελήφθησαν από εικόνες χονδρικής χωρικής ανάλυσης 100m-10km. Με την πρόοδο της τεχνολογίας αυτές οι αναλύσεις έγιναν καλύτερες φτάνοντας τα 10-100m. Η χρονική περίοδος αυτών των παγκόσμιων προϊόντων αστικής κάλυψης γης έχει μετατραπεί από μια ενιαία περίοδο σε επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις, οι οποίες θα μπορούσαν να παρέχουν καλύτερη ποιότητα και χρονικές σειρές πληροφοριών αστικής κάλυψης γης. Αυτές οι μελέτες αστικής τηλεπισκόπησης επικεντρώθηκαν στον εντοπισμό φυσικών αστικών χαρακτηριστικών για την κατανόηση της αστικοποίησης. Παρόλα αυτά τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης δεν μπορούν να βοηθήσουν για εντός λειτουργίες των πόλεων καθώς έχει αλλάξει η ανάγκη πληροφόρησης. Τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα πολλαπλών πηγών μπορούν να συμβάλουν στην κατανόηση των κοινωνικοοικονομικών χαρακτηριστικών της χρήσης της αστικής γης και να προσδιορίσει πώς οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τη γη. Πρόσφατα έγινε συνδυασμός της τηλεπισκόπησης με τα μεγάλα γεωχωρικά δεδομένα, ως εκ τούτου η κατανόηση των χαρακτηριστικών που προέρχονται από την τηλεπισκόπηση και τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα και οι μέθοδοι ενσωμάτωσής τους είναι απαραίτητες για τη χαρτογράφηση χρήσης αστικής γης.

3ο Κεφάλαιο:

Στο 3ο κεφάλαιο μελετάτε η εξαγωγή χαρακτηριστικών από την τηλεπισκόπηση και από τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα που είναι ο βασικός όρος για να αναγνωριστεί η χρήση της αστικής γης. Τα χαρακτηριστικά που προέρχονται από εικόνες τηλεπισκόπησης και χρησιμοποιούνται για τις χρήσεις γης τις κατηγοριοποιούμε σε φασματικά, υφικά, χρονικά και χωρικά χαρακτηριστικά. Τα φασματικά και τα υφικά χαρακτηριστικά είναι κοινά χαρακτηριστικά για την εξαγωγή χρήσεων γης στην τηλεπισκόπηση. Πιο συγκεκριμένα τα φασματικά χαρακτηριστικά πλέον παρέχουν την ευκαιρία για την απόκτηση λεπτομερών πληροφοριών σχετικά με τα φυσικά χαρακτηριστικά των χρήσεων γης λόγο τον αυξημένο αριθμό ζωνών. Ενώ τα υφικά χαρακτηριστικά παρέχουν πλούσιες πληροφορίες για την χωρική κατανομή των τονικών αλλαγών, καθώς και τη δομική διάταξη των επιφανειών και τις σχέσεις τους με το περιβάλλον. Τα χρονικά χαρακτηριστικά είναι ευεργετικά για την βελτίωση των χαρτών ως προς τους τύπους χρήσης γης με πληροφορίες όπως η χρονοσειρά. Βοηθούν στην παρατήρηση των αλλαγών στα φασματικά και υφικά χαρακτηριστικά κατά την πάροδο του χρόνου. Τα χωρικά χαρακτηριστικά βοηθούν στην ταξινόμηση των χρήσεων της αστικής γης σε λεπτομερές επίπεδο. Από την άλλη τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα ορίζονται εν μέρει από το μεγάλο τους μέγεθος και εν μέρει από τα χαρακτηριστικά τους, όπως ο όγκος, η ποικιλία και η ταχύτητα. Επιπλέον χαρακτηρίζονται και από την εξαντλητικότητα, την σχέση, την ακρίβεια, την αξία και την μεταβλητότητα τους. Τα πιο συχνά γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα που χρησιμοποιούνται για την χαρτογράφηση χρήσεων γης είναι η κοινωνική ανίχνευση, η ανίχνευση πολιτών, τα δεδομένα κοινωνικών μέσων και εθελοντικές γεωγραφικές πληροφορίες. Λόγω της υψηλής συσχέτισης μεταξύ των ανθρώπινων χωροχρονικών δραστηριοτήτων και των αστικών δυναμικών κοινωνικοοικονομικών χαρακτηριστικών, αυτές οι αναδυόμενες γεωχωρικά μεγάλες πληροφορίες μπορούν να βοηθήσουν στην αποτύπωση της αυξανόμενης πολυπλοκότητας των αστικών λειτουργικών προτύπων. Επομένως, για την καλύτερη ταξινόμηση και κατανόηση της χρήσης της αστικής γης, προσθέτουμε τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα στον προσδιορισμό των κοινωνικοοικονομικών και ανθρώπινων δραστηριοτήτων.

4ο Κεφάλαιο:

Στο 4ο κεφάλαιο αναλύονται τα χαρακτηριστικά της τηλεπισκόπησης και των χωρικά μεγάλων δεδομένων που μπορούν να συνδυαστούν με διάφορους τρόπου για την κατηγοριοποίηση των χρήσεων γης. Στην συγκεκριμένη μελέτη ο τρόπος σύντηξης των χαρακτηριστικών από τηλεπισκόπηση και των χωρικά μεγάλων δεδομένων γίνετε με ενοποίηση σε επίπεδο χαρακτηριστικών και με ενοποίηση σε επίπεδο απόφασης. Στην διαδικασία της ενσωμάτωσης σε επίπεδο χαρακτηριστικών αρχικά εξάγονται τα χαρακτηριστικά της τηλεπισκόπησης και των χωρικά μεγάλων δεδομένων. Στην συνέχεια συγχωνεύονται σε ολοκληρωμένα σύνολα χαρακτηριστικών για την ταξινόμηση των χρήσεων αστικής γης. Στο τελικό στάδιο της ολοκλήρωσης χαρακτηριστικών ταξινομούνται τα χαρακτηριστικά χρησιμοποιώντας τεχνικέ μηχανικής εκμάθησης. Στην άλλη μέθοδο της ενσωμάτωσης με επίπεδο αποκοπής συνδυάζονται αποτελέσματα βάσει ταξινόμησης της τηλεπισκόπησης και των γεωργικά μεγάλων δεδομένων. Τα χαρακτηριστικά αυτά αξιολογούνται ανεξάρτητα πριν ενσωματωθούν για την χαρτογραφική απεικόνιση των χρήσεων γης. Για το τελικό στάδιο της ενσωμάτωσης υπάρχουν διάφορες στρατηγικές συγχώνευσης όπως η ιεραρχική ομαδοποίηση, η επικάλυψη και η επισήμανση. Παρακάτω δίνονται και δύο εικόνες με της 2 μεθόδους συνδυασμού της τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων.

5ο Κεφάλαιο:

Στο 5ο κεφάλαιο μελετάτε η μελλοντική ενσωμάτωση τηλεπισκόπησης και γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων που ο κύριος περιορισμός της είναι το χάσμα της τροπικότητας, γεγονός που δυσκολεύει την ενοποίηση. Τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα έχουν διαφορετικές πηγές, χωροχρονική ανάλυση και δομές από αυτές της τηλεπισκόπησης. Επιπλέον, τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα δεν συλλέγουν ομοιόμορφα σε όλο το διάστημα ενώ τα δεδομένα της τηλεπισκόπησης έχουν συνεπείς συχνότητες παρατήρησης. Η έμφαση των τεχνολογιών βαθιάς μάθησης παρέχει την ευκαιρία να γεφυρωθεί το χάσμα μεταξύ των διαφορετικών τρόπων δεδομένων. Με αρκετές μελέτες να έχουν δείξει ότι η βαθιά μάθηση είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην ενσωμάτωση τηλεπισκόπησης και γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων για την αναγνώριση λειτουργιών των αστικών περιοχών. Ακόμα η γρήγορη ανάπτυξη των πλατφορμών cloud computing προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη λύση για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων τηλεπισκόπησης και γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων. Οι χάρτες χρήσης αστικής γης που ενσωματώνουν την τηλεπισκόπηση και τα αναδυόμενα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα παρέχουν περισσότερες δυνατότητες στην αστική διαχείριση, όπως ο πολεοδομικός σχεδιασμός, η αξιολόγηση αστικού περιβάλλοντος, η παρακολούθηση αστικών καταστροφών και η ανάλυση αστικής κυκλοφορίας. Η προσθήκη των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων σε χάρτες χρήσεων γης με επαρκή και έγκαιρη πληροφόρηση θα μπορούσε να ενισχύσει τους βρόχουν ανατροφοδότησης των αστικών γνώσεων για τους κυβερνήτες και τους σταθμούς της πόλης. Στην τρέχουσα κατάσταση αυτό που μπορεί να γίνει με την ενσωμάτωση των δυο χαρακτηριστικών είναι να παρακολουθεί αστικά περιβάλλοντα όπως η αστική θερμική νησίδα και η ατμοσφαιρική ρύπανση. Οι γρήγοροι ενημερωμένοι χάρτες αστικής χρήσης γης που ενσωματώνουν τηλεπισκόπηση και γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα με εξαιρετική χωρική ανάλυση θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη διαχείριση αστικών καταστροφών παρέχοντας πρωτοφανή δεδομένα αναφοράς.

Συμπεράσματα:

Στην παρούσα μελέτη εξετάστηκαν οι εφαρμογές των χαρακτηριστικών τηλεπισκόπησης και των γεωχωρικά μεγάλων δεδομένων για την κατηγοριοποίηση των χρήσεων γης της πόλης, καθώς και μεθόδους για την ενσωμάτωση τους. Έτσι καταλήγει στο συμπέρασμα ότι τα αναδυόμενα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα παρέχουν ευκαιρίες για τη μετατροπή από αστική κάλυψη γης σε αστική χρήση γης. Οι εφαρμογές στους χάρτες χρήσης αστικής γης που ενσωματώθηκε η τηλεπισκόπηση με τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα είναι για την αστική διαχείριση που περιλαμβάνει τον αστικό σχεδιασμό, την αξιολόγηση αστικού περιβάλλοντος, την παρακολούθηση αστικών καταστροφών και την ανάλυση της αστικής κυκλοφορίας. Τέλος η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης με τα γεωχωρικά μεγάλα δεδομένα δίνει την ευκαιρία να τεθούν οι άνθρωποι στο επίκεντρο των διαδικασιών γνώσης και διαχείρισης του αστικού πλανήτη.