Δυνατότητες και Περιορισμοί της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης στην Ανίχνευση Ποιοτικών Χαρακτηριστικών του Οδοστρώματος

Από RemoteSensing Wiki

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η Υπερφασματική Τηλεπισκόπηση συντελεί στην αναγνώριση επιφανειών διαφορετικής σύστασης υλικών λόγω της υψηλής φασματικής διακριτικής ικανότητας την οποία παρέχει, χωρίζοντας το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε εκατοντάδες στενές, παρακείμενες φασματικές ζώνες. Αξιοποιώντας αυτήν την ιδιότητα, η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη διερεύνηση των δυνατοτήτων και των περιορισμών της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης στην ανίχνευση ποιοτικών χαρακτηριστικών του οδοστρώματος, και ειδικότερα της ασφάλτου. Απώτερος στόχος της έρευνας αυτής είναι η ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθοδολογίας για την απόκτηση στοιχείων σχετικών με την ποιότητα του οδικού δικτύου, έτσι ώστε να είναι δυνατός ο προγραμματισμός συντήρησης ή ανακατασκευής του.

Αρχικά, σε θεωρητικό επίπεδο, πραγματοποιήθηκε εκτενής ανάλυση των κυριότερων μεθόδων επεξεργασίας και τεχνικών της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης ούτως ώστε να γίνει η επιλογή της καταλληλότερης τηλεπισκοπικής μεθόδου και τεχνικής η οποία θα διασφαλίζει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα και τα εγκυρότερα κατά το δυνατόν πορίσματα. Επιπροσθέτως, πριν από την επιλογή, θεωρήθηκε ότι θα ήταν χρήσιμο να προηγηθεί μία έρευνα για την καταγραφή των υπερφασματικών τηλεπισκοπικών μεθόδων και τεχνικώνπου έχουν χρησιμοποιηθεί σε προγενέστερες εργασίες οι οποίες αφορούν στη μελέτη του οδοστρώματος. Μια τέτοιου είδους προσέγγιση θα διευκόλυνε αυτήν την ερευνητική προσπάθεια αφού θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μία αφετηρία στη διαδικασία πειραματισμού με διάφορες μεθόδους και τεχνικές Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης.

Σε πρακτικό επίπεδο, τον Μάιο του 2008 πραγματοποιήθηκαν λήψεις υπερφασματικών απεικονίσεων με τον αισθητήρα CASI 550 στην περιοχή του Χαλανδρίου, οι οποίες συνδυαστήκαν με μετρήσεις με ραδιόμετρο χειρός GER1500 στο πεδίο. Οι μετρήσεις με το ραδιόμετρο συνέβαλαν στην παρατήρηση των φασματικών ανακλαστικοτήτων των υπό μελέτη αντικειμένων, στη δημιουργία βιβλιοθήκης φασματικών υπογραφών και έπειτα από την εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων, στην επιλογή των καταλληλότερων καναλιών στα οποία πραγματοποιήθηκε η επεξεργασία των υπερφασματικών απεικονίσεων. Όσον αφορά στις υπερφασματικές απεικονίσεις, η επεξεργασία τους υλοποιήθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού ENVI 4.4. Σε πρώτο στάδιο έγινε μία προεπεξεργασία στην οποία περιλαμβάνεται η γεωμετρική διόρθωση και εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι ανάλυσης σε κύριες συνιστώσες (PCA) και ελαχιστοποίησης του θορύβου (MNF), οι οποίες συντελούν στη μείωση της διάστασης του υπερφασματικού χώρου. Στη συνέχεια, ακολούθησαν οι μετασχηματισμοί χρωμάτων, η εφαρμογή του αλγορίθμου ανίχνευσης στόχων Mixture-Tuned Matched Filtering (MTMF), η εφαρμογή των μη επιβλεπόμενων ταξινομήσεων IsoData και k-means, η εφαρμογή της επιβλεπόμενης ταξινόμησης Spectral Angle Mapper (SAM) και τέλος, εφαρμόστηκαν τα χωρικά φίλτρα Sobel, Sharpen και η μέθοδος υφής (μέθοδος των Πινάκων Χωρικής Συσχέτισης του τόνου του Γκρίζου) για την ανίχνευση ρωγμών. Αυτή η εργασία συνδύασε τη λήψη φασματικών υπογραφών με ραδιόμετρο και τις μεθόδους και τεχνικές της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης για να ερευνήσει τη δυνατότητα ανίχνευσης της ηλικίας και των ποιοτικών χαρακτηριστικών της ασφάλτου του οδικού δικτύου. Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα έπειτα από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων η οποία προηγήθηκε.

Γενικά Συμπεράσματα

• • Η πληροφορία η οποία αποκτάται με μεθόδους Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης δεν είναι τόσο λεπτομερής όσο εκείνη η οποία αποκτάται από μετρήσεις στο πεδίο, καθώς είναι εξαρτώμενη από τη χωρική διακριτική ικανότητα του δέκτη. Συγχρόνως όμως δίνει τη δυνατότητα παρατήρησης του οδικού δικτύου στο σύνολο του, κάτι στο οποίο υστερούν οι σημειακές μετρήσεις.

• • Οι πρόσφατα ασφαλτοστρωμένοι δρόμοι έχουν χαμηλή ανακλαστικότητα, λόγω χημικής σύστασης της ασφάλτου.

• • Η ανακλαστικότητα της ασφάλτου αυξάνεται όσο αυξάνεται η ηλικία της και όσο μειώνεται η ποιότητά της.

• • Η ποιότητα και η ηλικία της ασφάλτου είναι δύο παράμετροι οι οποίες πρέπει να λαμβάνονται χωριστά υπ’ όψη κατά την υλοποίηση της τηλεπισκοπικής μεθοδολογίας, καθώς η αύξηση της ηλικίας δε συνεπάγεται σε όλες τις περιπτώσεις μείωση της ποιότητάς της. Για παράδειγμα, στην έρευνα προέκυψε ότι η άσφαλτος 2 ετών κακής ποιότητας έχει την ίδια ανακλαστικότητα με άσφαλτο άνω των 10 ετών.

• • Από τις οκτώ κατηγορίες οι οποίες προέκυψαν από τα βοηθητικά δεδομένα και από τις επίγειες παρατηρήσεις και μετρήσεις οι παρακάτω ανιχνεύθηκαν ικανοποιητικά με μεθόδους Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης: άσφαλτος με χώμα, άσφαλτος με νερό, άσφαλτος πάνω από 10 ετών, άσφαλτος 2-3 ετών κακής ποιότητας, άσφαλτος 8 ετών καλής ποιότητας, άσφαλτος εώς 2 μηνών. _εν ανιχνεύθηκαν όμως επαρκώς, οι ρωγμές σε άσφαλτο 10 ετών και η άσφαλτος 8-10 ετών η οποία ταξινομείται στην κατηγορία άνω των δέκα ετών.

• • Το νερό και οι σκιές περιορίζουν την αρτιότητα των παρατηρήσεων και την ακρίβεια των ταξινομήσεων καθώς η φασματική υπογραφή τους είναι όμοια με αυτήν της νέας ασφάλτου.

• • Οι ρωγμές και τα σπασίματα των δρόμων δεν ήταν δυνατόν να ανιχνευθούν μέσω των μεθόδων επεξεργασίας των υπερφασματικών απεικονίσεων. Όμως λόγω του μεγάλου αριθμού καναλιών των υπερφασματικών απεικονίσεων μας δίνεται η δυνατότητα επιλογής του καταλληλότερου καναλιού για την ανίχνευσή τους με μεθόδους επεξεργασίας της υφής των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων.

• • Η νέα και καλής ποιότητας άσφαλτος ανιχνεύεται με ευκολία και ταξινομείται καλύτερα σε σύγκριση με την παλιά και κακής ποιότητας άσφαλτο. Το συγκεκριμένο συμπέρασμα από μόνο του είναιπολύ σημαντικό για την ανάπτυξη ενός συστήματος υπόδειξης τμημάτων του οδικού δικτύου προςσυντήρηση/ανακατασκευή.

Ειδικά Συμπεράσματα

Σε αυτήν την παράγραφο παρουσιάζονται οι τεχνικές και οι μέθοδοι επεξεργασίας οι οποίες εφαρμόστηκαν και έπειτα από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων κρίνονται ως καταλληλότερες τεχνικές για την ανίχνευση της ποιότητας της ασφάλτου του οδικού δικτύου.

• • Ο μετασχηματισμός PCA έδωσε ποιοτικότερα αποτελέσματα από τον MNF, και ειδικότερα αυτός ο οποίος βασίζεται στα 61 κανάλια –τα οποία επιλέχθηκαν με βάση τις μεθόδους επεξεργασίας των φασματικών ανακλαστικοτήτων του ραδιόμετρου- θεωρείται πιο αξιόπιστος από τον αντίστοιχο PCA ο οποίος προήλθε από το σύνολο των 144 καναλιών του αισθητήρα.

• • Το έγχρωμο σύνθετο με χρήση των τριών πρώτων μετασχηματισμένων καναλιών του μετασχηματισμού PCA (φασματικού υπόχωρου των 61 καναλιών της αρχικής απεικόνισης) παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την ποιότητα και την ηλικία της ασφάλτου. Συγκεκριμένα, η νέα/καλής ποιότητας άσφαλτος διακρίνεται ιδιαίτερα ικανοποιητικά , όπως επίσης και η παλιά/κακής ποιότητας άσφαλτος.

• • Ο μετασχηματισμός LHS και η κατωφλίωση της εικόνας της φωτεινότητας (L) έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα και σε συμφωνία με τις αναλύσεις των φασματικών ανακλαστικοτήτων των επίγειων μετρήσεων. Επίσης αξιοσημείωτο είναι και το αποτέλεσμα του κορεσμού (S) όπου τα πρόσφατα ασφαλτοστρωμένατμήματα εμφανίζονται με τον πιο ανοιχτό τόνο.

• • Η ταξινόμηση σε πέντε κατηγορίες με τη μη επιβλεπόμενη μέθοδο IsoData, με χρήση των δύο πρώτων μετασχηματισμένων καναλιών με τη μέθοδο PCA (61 κανάλια αρχικής απεικόνισης ) θεωρείται η πλέον ικανοποιητική από όλες τις μη επιβλεπόμενες. Όπως προέκυψε από τη στατιστική ανάλυση, η ακρίβεια των αποτελεσμάτων ανέρχεται στο 61.26%.

• • Τα αποτελέσματα της επιβλεπόμενης ταξινόμησης SAM η οποία εφαρμόστηκε στα 6 πρώτα μετασχηματισμένα κανάλια PCA (61 κανάλια αρχικής απεικόνισης), παρέχουν σημαντικές πληροφορίες οι οποίες προκύπτουν μετά από προσεκτική παρατήρηση και μελέτη. Πιο συγκεκριμένα, η άσφαλτος με νερό διαχωρίζεται από τη νέα άσφαλτο όπως και η παλιά άσφαλτος καλής ποιότητας από τη νέα άσφαλτο κακής ποιότητας.

• • Ο αλγόριθμος MTMF ο οποίος εφαρμόστηκε στα μετασχηματισμένα κανάλια 1,3,4,5 του MNF (144 κανάλια αρχικής απεικόνισης) έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα για τα εξής κατηγορίες: νέα άσφαλτος, πολύ παλιά άσφαλτος, άσφαλτος με νερό, άσφαλτος με χώμα. Κατόπιν διάφορων συνδυασμών καναλιών και πλήθους κατηγοριών προέκυψε πως όσο μειώνεται το πλήθος των κατηγοριών και των καναλιών, τα αποτελέσματα της ταξινόμησης βελτιώνονται.

• • Η μέθοδος υφής με τους Πίνακες Συσχέτισης των Tόνων του Γκρίζου ( Gray Level Co–Occurrence Matrix) εφαρμόστηκε για την ανίχνευση των ρωγμών δίνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα σε σύγκριση με τη χρήση των χωρικών φίλτρων Sobel και Sharpen των οποίων τα αποτελέσματα υστερούν. Στη συνέχεια για μια ολοκληρωμένη άποψη του αναγνώστη ως προς τις δυνατότητες αλλά και τους περιορισμούς της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης στη διερεύνηση της ποιότητας της ασφάλτου, ακολουθούν οι μέθοδοι και οι τεχνικές οι οποίες εφαρμόστηκαν χωρίς ωστόσο να δώσουν ικανοποιητικά αποτελέσματα.

• • Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση k-means. Η συγκεκριμένη ταξινόμηση εφαρμόστηκε στο μετασχηματισμό PCA (61 κανάλια αρχικής απεικόνισης) και παρείχε ενδιαφέροντα αποτελέσματα. _στόσο, επειδή δεν έγινε η ραδιομετρική διόρθωση, τα άκρα των δρόμων κατηγοριοποιούνται λανθασμένα λόγω συγχώνευσής τους με άλλη κατηγορία. Η μη δυνατότητα εισαγωγής κατωφλίου και ο περιορισμός της εκ των προτέρων γνώσης του πλήθους των κατηγοριών αποτρέπει την επέμβαση του χρήστη στην κατηγοριοποίηση και επομένως στη βελτίωση των αποτελεσμάτων της μεθόδου. Είναι πολύ πιθανό, εάν πραγματοποιείτο ραδιομετρική διόρθωση, η μέθοδος να κρινόταν κατάλληλη.

• • Μη επιβλεπόμενες ταξινομήσεις στο MNF. Εφαρμόστηκαν οι αλγόριθμοι IsoData και k-means στα MNF τα οποία προήλθαν από 61 κανάλια αλλά και από 144 κανάλια, και δεν απέφεραν ουσιαστικά αποτελέσματα.

• • Επιβλεπόμενες ταξινομήσεις στο MNF. Εφαρμόστηκε ο αλγόριθμος SAM στα MNF τα οποία προήλθαν από 61 κανάλια αλλά και από 144 κανάλια χωρίς να προκύψουν αξιόλογα συμπεράσματα. Ειδικά στην πρώτη περίπτωση (61 κανάλια), το 82% των εικονοστοιχείων δεν ταξινομήθηκε.

• • Αλγόριθμος Mixture-Tuned Matched Filtering (MTMF). Ο αλγόριθμος MTMF ο οποίος εφαρμόστηκε στο MNF το οποίο προήλθε από τα 61 κανάλια δεν απέφερε σημαντικά αποτελέσματα.

Πηγή:Χαρούλα Θ. Ανδρέου, Δυνατότητες και Περιορισμοί της Υπερφασματικής Τηλεπισκόπησης στην Ανίχνευση Ποιοτικών Χαρακτηριστικών του Οδοστρώματος