«Μοντελοποίηση αστικών τύπων βιοτόπων από υπερφασματικές εικόνες με τη χρήση προσέγγισης FUZZY LOGIC»
Από RemoteSensing Wiki
Δημοσίευση Εφαρμογής Τηλεπισκόπισης: «MODELLING OF URBAN BIOTOPE TYPES FROM HYPERSPECTRAL IMAGERY USING A FUZZY LOGIC APPROACH», «Μοντελοποίηση αστικών τύπων βιοτόπων από υπερφασματικές εικόνες με τη χρήση προσέγγισης FUZZY LOGIC» Συγγραφείς: Mathias Bochow, Theres Peisker, Karl Segl και Hermann Kaufmann GeoforschungsZentrum Potsdam, Section 1.4 Remote Sensing, Potsdam, Germany
Ανάλυση – Παρουσίαση:
Αντικείμενο της εφαρμογής αποτελεί η οικολογική πολεοδόμηση κύριο συστατικό της οποίας είναι οι αστικοί βιότοποι. Οι τελευταίοι είναι η κατοικία μιας κοινωνίας οργανισμών στην ίδια περιοχή και χαρακτηρίζεται από παρόμοιες οικολογικές συνθήκες. Οι βιότοποι χωρίζονται σε διάφορους τύπους. Στόχος της εφαρμογής αυτής είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου που να προσδιορίζει τους τύπους των βιοτόπων, δηλαδή που να μοντελοποιεί τους βιότοπους, με τη βοήθεια υπερφασματικών δεδομένων τηλεπισκόπησης. Στην κοινή πρακτική η χαρτογράφηση και η παρακολούθηση των βιοτόπων βασίζονται στην φωτοερμηνεία έγχρωμων και υπέρυθρων αεροφωτογραφιών και στις επιτόπιες έρευνες. Αυτό το είδος της πρακτικής οδηγεί σε πολύπλοκα ποιοτικές πληροφορίες που συνδέονται με την υποκειμενικότητα του παρατηρητή. Επιπλέον είναι μια χρονοβόρα και δαπανηρή μέθοδος.
Σε αυτή την έρευνα χρησιμοποιούνται έξι τύποι αστικών βιότοπων για να μελετηθεί η αποτελεσματικότητα της αναπτυσσόμενης μεθόδου: μονοκατοικίες, συγκροτήματα κτηρίων, κτήρια περιμετρικά ανεπτυγμένα, κτήρια ανεπτυγμένα σε σειρές, πολυώροφα κτήρια και περιοχές πρασίνου (σχήμα 1α, 1β, 1γ, 1δ). Η περιοχή ανάλυσης είναι μια έκταση 14.5 τ.χμ στη Δρέσδη. Για την ανάπτυξη των τύπων των βιότοπων είναι απαραίτητος ένας υφιστάμενος χάρτης βιότοπων, συνήθως σε διανυσματική μορφή, δορυφορικές εικόνες και ένα μοντέλο ψηφιακής αναπαράστασης της γήινης επιφάνειας(DSM).
Ο χάρτης των βιότοπων μετατράπηκε σε ψηφιδωτή μορφή. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται συγκεντρώθηκαν από τον αισθητήρα HyMap με ημερομηνία λήψης 7/7/2004, χωρική διακριτική ικανότητα 4 μέτρων και αριθμό φασματικών ζωνών 128. Το μοντέλο ψηφιακής αναπαράστασης της γήινης επιφάνειας συγκεντρώθηκε το 2004 από αερομεταφερόμενο υψομετρικό όργανο με ακτίνες λέιζερ και με εδαφική ανάλυση των 2 μέτρων (σχήμα 2). Ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DTM) με παρεμβολή από ισοϋψείς καμπύλες αφαιρέθηκε από το λέιζερ DSM για να παραχθεί ένα κανονικοποιημένο μοντέλο επιφάνειας (nDSM), το οποίο περιέχει τα ύψη των αντικειμένων.
Το μοντέλο ψηφιακής αναπαράστασης της γήινης επιφάνειας χρησιμοποιήθηκε για την ατμοσφαιρική και τη γεωμετρική διόρθωση των δεδομένων HyMap. Το nDSM ελήφθη ως πρόσθετη εισροή για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών (σχήμα 3). Η ατμοσφαιρική διόρθωση των δεδομένων HyMap διεξήχθη με λογισμικό MODTRAN ακολουθώντας εμπειρική διόρθωση με τη χρήση των πεδίων του φάσματος. Η γεωμετρική διόρθωση έγινε με παραμετρική προσέγγιση γεωκωδικοποίησης. Το προκύπτον σφάλμα RMS που είναι μικρότερο από το εικονοστοιχείο επιτρέπει την ακριβή επικάλυψη των δεδομένων εισόδου.
Τα κατάλληλα δεδομένα εισόδου (στρώματα κλάσμα υλικό) προκύπτουν από μια ταξινόμηση και αποανάμιξη της εικόνας HyMap. Η πλήρως αυτοματοποιημένη αλυσίδα επεξεργασίας αποτελείται από μια αναγνωριστική προσέγγιση που βασίζεται σε ένα οριακό χαρακτηριστικό, που ακολουθείται από τη μέγιστη πιθανότητα ταξινόμησης με πολύ μικρό όριο και μια επαναληπτική γραμμική φασματική απανάμιξη (linear spectral unmixing) (σχήμα 4). Η εικόνα που προκύπτει αποτελείται από n στρώματα, ένα στρώμα ανά επιφανειακό υλικό, τα οποία περιέχουν τα κλάσματα των οριακών τιμών ανά εικονοστοιχείο ως τόνους του γκρί. Με βάση τα αποτελέσματα της διαδικασίας αποανάμιξης επιπλέον στρώματα παρήχθησαν, τα οποία περιέχουν τις θεματικές ομάδες ταξινόμησης βλάστησης, δέντρα, εδάφη, στέγες, μεταλλικές στέγες, κεραμοσκεπές, ταράτσες και περιοχές κίνησης. Αυτά τα στρώματα δημιουργήθηκαν με την άθροιση των κλασματικών τιμών των αντίστοιχων κατηγοριών ανά εικονοστοιχείο. Έτσι τα χαρακτηριστικά για την ταυτοποίηση των τύπων των βιοτόπων μπορούν να υπολογιστούν είτε από τη στιβάδα του κλάσματος μία μόνο κατηγορίας ή μιας ομάδας κατηγοριών. Περαιτέρω δεδομένα για τον υπολογισμό λαμβάνονται από τον κατακερματισμό της κατηγορίας και των κλασματικών στρωμάτων ομάδας κατηγοριών.
Οι τηλεπισκοπικές εικόνες αστικών βιότοπων περιέχουν διαφορετικά γεω-αντικείμενα, που αποτελούνται από διαφορετικά επιφανειακά υλικά, έχουν μέγεθος μεταξύ 0,1 και 10 εκτάρια, περιλαμβάνουν εικονοστοιχεία διαφορετικών υλικών και είναι εικόνες υψηλής ευκρίνειας. Κατά συνέπεια, ο τύπος του βιότοπου δεν μπορεί να προσδιοριστεί ανά εικονοστοιχείο και τα μοντέλα πρέπει να αναπτυχθούν βάση όλων των εικονοστοιχείων που περιέχονται σε ένα βιότοπο. Η μοντελοποίηση των βιότοπων βασίζεται στα επιφανειακά υλικά. Η ιδέα της παρούσας μελέτης είναι να χρησιμοποιήσει αυτά τα στρώματα κλάσμα σε συνδυασμό με τον υφιστάμενο χάρτη βιότοπων για την ανάπτυξη μοντέλων για τους τύπους βιοτόπων (πίνακας 1). Ως εκ τούτου, με επικάλυψη από τα δύο είδη των δεδομένων εισόδου αριθμητικά στοιχεία θα υπολογίζονται στις δορυφορικές εικόνες για να χαρακτηρίσουν τον τύπο. Τα χαρακτηριστικά υπολογίζονται για κάθε βιότοπο με βάση το κλασματικό υλικό των εικονοστοιχείων που ανήκουν στο βιότοπο και περιγράφουν την υλική σύνθεση τους και τη διευθέτηση των επιφανειακών υλικών σε αυτούς. Όλα τα στοιχεία υπολογίζονται για όλους τους βιοτόπους. Οι βιότοποι του κάθε τύπου αναλύονται, στοιχεία με χαρακτηριστικές τιμές εντοπίζονται ώστε να διακριθεί ο ένας τύπος από τον άλλο.
Για κάθε τύπο βιοτόπων πρέπει να αναπτυχθεί ξεχωριστό μοντέλο. Η διαδικασία δημιουργίας των μοντέλων αποτελείται από δύο βασικά στάδια, την επιλογή των χαρακτηριστικών και το συνδυασμός τους. Τα μοντέλα ασαφούς λογικής που χρησιμοποιούνται στην μελέτη αποτελούν ισχυρό εργαλείο για την εφαρμογή της ανθρώπινης γνώσης. Εφαρμοσμένο σε συγκεκριμένους βιότοπους το μοντέλο ασαφούς λογικής (fuzzy logic) υπολογίζει τη πιθανότητα ο βιότοπος να ανήκει σε ένα τύπο, βάση πρότυπων βιότοπων που έχουν οριστεί για τον κάθε τύπο. Οι τιμές που προκύπτουν μπορεί να εμφανίζονται ως ένα ιστόγραμμα διανομής χαρακτηριστικών (σχήμα 5). Εάν στο ιστόγραμμα ένα χαρακτηριστικό που υπολογίζεται βάση του πρωτότυπου των διαφόρων τύπων βιότοπου εμφανίζει μέτρια επικάλυψη σε διάφορους τύπους, αυτό το χαρακτηριστικό έχει ενσωματωθεί στα μοντέλα αυτών των τύπων βιότοπων. Για την διάκριση όλων των τύπων, πρέπει να βρεθεί για κάθε είδος βιότοπου ένα μη επικαλύψιμο χαρακτηριστικό ή μηδαμινά επικαλύψιμο.
Στα χαρακτηριστικά του μοντέλου εφαρμόζεται επεξεργασία ασαφούς λογικής και συνδυάζονται με ένα κανόνα/όριο, αυτόν με τον ελάχιστο τελεστή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την χρήση της μικρότερης τιμής που επιστρέφεται από τις μεταβλητές εισόδου (τα χαρακτηριστικά) στη διαδικασία. Έτσι, εφαρμόζοντας ένα μοντέλο σε ένα πρότυπο βιότοπο αποδίδεται η πιθανότητα τιμής 1, που εκφράζει την ομοιότητα ενός βιότοπου στον πρότυπο του τύπο και έτσι το λάθος παράλειψης μπορεί να διατηρηθεί σε χαμηλά επίπεδα (σχήμα 6). Τα αποτελέσματα της εφαρμογής δείχνουν ότι είναι δυνατόν με προχωρημένες επεξεργασίες τηλεπισκοπικών εικόνων και συγκεκριμένα με την εισαγωγή μοντέλων ασαφούς λογικής (fuzzy logic) βασισμένα στην κάλυψης γης των τύπων των αστικών βιοτόπων να προσδιοριστούν διάφοροι τύποι βιότοπων. Η μέθοδος αυτή είναι απαραίτητη για ένα αποτελεσματικό σύστημα αναβάθμισης των υφιστάμενων χαρτών των βιοτόπων, που αποτελούν σημαντική πηγή πληροφοριών για την οικολογική πολεοδομία.
