ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΊΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΌ ΕΙΔΩΝ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ

Από RemoteSensing Wiki

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η τηλεπισκόπηση είναι η επιστήμη της απόκτησης ποιοτικής και μετρητικής πληροφορίας ενός φαινομένου ή ενός αντικειμένου από απόσταση, χωρίς δηλαδή φυσική επαφή με το υπο μελέτη φαινόμενο ή αντικείμενο. Πρακτικά στην τηλεπισκόπηση χρησιμοποιούνται καταγραφείς διαφόρων τεχνολογιών (δέκτες) μέσω των οποίων συλλέγεται και στην συνέχεια αναλύεται πληροφορία που αφορά αντικείμενα ή περιοχές. Με βάση τα παραπάνω, η τηλεπισκόπηση μπορεί να θεωρηθεί ότι καλύπτει τεράστιο εύρος εφαρμογών, τόσο στις γεοεπιστήμες που ο όρος είναι ευρύτερα γνωστός όσο και σε άλλες επιστήμες (αστροφυσική, αστρονομία, ιατρική, βιολογία, φυσική κ.α.). Από τις αεροφωτογραφίες, τους κατασκοπευτικούς και εμπορικους δορυφόρους, μέχρι και τα τηλεσπόπια, τα ραντάρ, τα σόναρ, τους μαγνητικούς τομογράφους και τις ακτινογραφίες, οι μέθοδοι που ακολουθούνται απαρτίζουν την επιστήμη της Τηλεπισκόπησης. Η Τηλεπισκόπηση ερευνά μέσω παρατήρησης με μοναδικό τρόπο τα φυσικά φαινόμενα της γής όπως τον καιρό, την ατμόσφαιρα, τους ωκεανούς, τη βλάστηση, τη γεωλογία των εδαφών, το αστικό περιβάλλον, την γεωργία, τις φυσικές καταστροφές (πυρκαγίες, πλημμύρες, σεισμούς, κατολισθήσεις, ξηρασία, καταιγίδες, ανεμοστρόβιλους, παγετώνες κλπ), τις ανθρωπογεννείς παρεμβάσεις στο περιβάλλον, τη ρύπανση των πόλεων και άλλα πολλά φαινόμενα της φυσικής γήινης επιφάνειας. Το μοναδικό χαρακτηριστικό της Τηλεπισκόπησης να παρέχει πληροφορίες χωρίς την ανάγκη επιτόπιας επίσκεψης του επιστήμονα, χωρίς την παρέμβαση στην περιοχή μελέτης και με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος, αποτελεί ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματα της έναντι άλλων μεθόδων συλλογής πληροφορίας.

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Όσον αφορά την τεχνολογία και τα χαρακτηριστικά των τηλεπισκοπικών δεκτών, αυτοί διαχωρίζονται στους ενεργούς και παθητικούς δέκτες ανάλογα με το αν καταγράφουν μια φυσική ακτινοβολία (όπως για παράδειγμα το ανακλώμενο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας από ένα υλικό) ή αν σαρώνουν το στόχο τους με τεχνητή ακτινοβολία με σκοπό να μετρήσουν την επιστρεφόμενη ακτινοβολία (πχ. Radar, Lidar, Sonar). Επιπλέον, οι δέκτες διαχωρίζονται ανάλογα με την διακριτική τους ικανότητα που μπορεί να είναι τεσσάρων ειδών. Η γεωμετρική διακριτική ικανότητα (ή χωρική ανάλυση) καθορίζει την ελλάχιστη επιφάνεια του εδάφους για την οποία μπορεί να γίνει παρατήρηση. Στις ψηφιακές απεικονίσεις, αυτό ορίζεται σαν μέγεθος του εικονοστοιχείου στο έδαφος συνήθως σε μέτρα. Η φασματική διακριτική ικανότητα αφορά την δυνατότητα του δέκτη να αντιλαμβάνεται πληροφορία σε διαφορετικά μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα διαστήματα του Η/Μ φάσματος που ο δέκτης μπορεί να πάρει μεμονομένες μετρήσεις ονομάζεται κανάλι της τηλεπισκοπικής απεικόνισης. Υπάρχουν τηλεπισκοπικά δεδομένα με 3 κανάλια που παράγουν έγχρωμες εικόνες (στο εύρος του κόκκινου, πράσινου και μπλέ φάσματος) ενώ υπάρχουν δεδομένα που μπορεί να έχουν πληροφορία στο υπέρυθρο, υπεριώδες, ακόμα και στις ακτίνες X. Επιπλέον υπάρχουν και δέκτες με μεγάλο πλήθος καναλιών που καλύπτουν σχεδόν όλο το Η/Μ φάσμα και ονομάζονται υπερφασματικοί δέκτες. Η ραδιομετρική διακριτική ικανότητα αφορά στην δυνατότητα που έχει ένας δέκτης να καταγράψει μεγάλο αριθμό διακριτών τιμών έντασης Η/Μ ακτινοβολίας. Μετράται σε bit για τις ψηφιακές απεικονήσεις. Για παράδειγμα μια εικόνα 8 bit μπορεί να περιλαμβάνει σε ένα της κανάλι 256 (28) διαβαθμίσεις έντασης που όταν αναπαρασταθούν σε μια οθόνη μπορούν να αποδωθούν σε 256 διαφορετικούς τόνους του γκρι. Τέλος η χρονική διακριτική ικανότητα αφορά την ικανότητα του δέκτη να επαναλαμβάνει τη μέτρησή του π’ανω από την ίδια περιοχή μελέτης. Π.χ. ο δέκτης Seviri λαμβάνει εικόνα κάθε 15 λεπτά πάνω από την ίδια περιοχή ενώ ο δέκτης Thematic Mapper λαμβάνει εικόνα κάθε 13 μέρες.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Το σύστημα προσδιορισμού είδους βλάστησης με τηλεπισκοπικές μεθόδους, αποσκοπεί στην εφαρμογή μεθόδων και τεχνικών ψηφιακής τηλεπισκόπησης, αναγνώρισης προτύπων και υπολογιστικής όρασης για την αυτόματη ή ημιαυτόματη ταξινόμηση τηλεπισκοπικών απεικονίσεων σε κατηγορίες που αφορούν τα είδη της βλάστησης της περιοχής μελέτης. Η επιλογή των κατηγοριών προς ταξινόμηση, εξαρτάται άμεσα από το είδος των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων, τη γεωμετρική, φασματική και ραδιομετρική διακριτική ικανότητα του δέκτη, καθώς και από την πολυπλοκότητα και εξειδίκευση του λογισμικού που υλοποιεί τις παραπάνω τεχνικές. με πολυφασματικά δεδομένα μέσης γεωμετρικής διακριτικής ικανότητας (πχ. LandsatTM) είναι πρακτικά αδύνατο να διαχωριστούν πολλές κατηγορίες βλάστησης, όμως διαμέσου του προσφερόμενου συστήματος θα μπορούν να υλοποιηθούν συστήματα ημιαυτόματης αναγνώρισης σημασιολογικών κατηγοριών πεπερασμένης πολυπλοκότητας (πχ μπορεί να εντοπιστεί η βλάστηση και να ταξινομηθεί σε απλές κατηγορίες). Ακόμα και αν ήταν διαθέσιμα δεδομένα υψηλής γεωμετρικής διακριτικής ικανότητας (πχ IKONOS, ERS), λόγω της πολύ χαμηλής φασματικής διακριτικής τους ικανότητας, δεν είναι δυνατό να διακριθούν από φασματικά χαρακτηριστικά με αυτόματο τρόπο τα είδη βλάστησης εκτός εάν υλοποιηθεί σύστημα αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας (και σε αυτή την περίπτωση όμως η φασματική πληροφορία δεν επαρκεί για τα βέλτιστα αποτελέσματα). Εφόσον όμως είναι διαθέσιμα δεδομένα με πολύ καλή φασματική διακριτική ικανότητα (υπερφασματικά δεδομένα), λόγω της συνεχόμενης καταγραφής του φάσματος, είναι δυνατό να υλοποιηθεί μεθοδολογία ταξινόμησης με πολύ καλύτερα αποτελέσματα και στη τεχνική αυτή θα βασισθεί το προτεινόμενο σύστημα. Σε αυτές τις κατηγορίες δεδομένων εμπίπτουν τα δεδομένα δορυφορικών υπερφασματικών δεκτών όπως Hyperion, ASTER που στα πλαίσια αυτού του έργου προτείνεται να χρησιμοποιηθούν. Το προσφερόμενο σύστημα θα πρέπει να βασίζεται σε μεθοδολογία που ανά πάσα στιγμή θα μπορεί στο μέλλον να χρησιμοποιήσει και νέα μη διαθέσιμα σήμερα δεδομένα. Στο προτείνόμενο σύστημα, θα πρέπει να είναι διαθέσιμες δορυφορικές τηλεπισκοπικές απεικονίσεις μέσης και υψηλής φασματικής διακριτικής ικανότητας (πχ Landsat TM, SPOT, ASTER). Συμβατό με αυτές τις απεικονίσεις είναι το πιο διαδεδομένο σύστημα χαρτογράφησης κατηγοριών κάλυψης γης σε πανευρωπαϊκό επίπεδο, CORINE Land Cover. Με βάση το γεγονός ότι είναι ήδη υλοποιημένη η διάρθρωση των κατηγοριών ενός τέτοιου συστήματος, και είναι γνωστά τα όρια και οι ακρίβειες που παρέχει (λαμβάνοντας υπόψη ότι πραγματοποιήθηκε αποκλειστικά με φωτοερμηνεία), το παρόν σύστημα θα πρέπει να μπορεί να υλοποιήσει μια μεθοδολογία για αυτοματοποίηση σε ορισμένο βαθμό ταξινόμησης των κατηγοριών βλάστησης της περιοχής μελέτης, σε άμεση συνάρτηση με το υπάρχον εννοιολογικό μοντέλο. Θα υλοποιηθεί μεθοδολογία αναγνώρισης προτύπων με βάση τα χαρακτηριστικά τόνου, σχήματος, υφής ή ακόμα και σχέσης των κατηγοριών με το περιβάλλον τους. Θα προκύψουν θεματικοί χάρτες κάλυψης γης που θα περιλαμβάνει είδη βλάστησης αλλά και γενικότερες κατηγορίες κάλυψης γης. Η καταγραφή από έναν υπερφασματικό τηλεπισκοπικό δέκτη της λεπτομερούς φασματικής απόκρισης για κάθε εικονοστοιχείο της απεικόνισης θα μπορεί μελλοντικά να είναι εκμεταλλεύσιμη από το σύστημα και θα δίνει μελλοντικά τη δυνατότητα εξαγωγής πολύ πιο ακριβούς και ορθής πληροφορίας σε σχέση με αυτήν που παρέχει ένας πολυφασματικός τηλεπισκοπικός δέκτης. Το σύστημα είναι σχεδιασμένο ώστε να επιτρέπει παράλληλη επεξεργασία εκατοντάδων καναλιών με ραδιομετρική διακριτική ικανότητα 12 και 16bit. Το προτεινόμενο σύστημα είναι σχεδιασμένο ώστε να καλύπτει τη συνολική διαδικασία επεξεργασίας των υπερφασματικών απεικονίσεων διαμέσου δύο βημάτων αυτών της προεπεξεργασίας και της ανάλυσης των δεδομένων. Η προεπεξεργασία περιλαμβάνει τη φασματική βαθμονόμηση (τη μετατροπή των καταγραφόμενων ψηφιακών τιμών σε τιμές ανακλαστικότητας), τη γεωμετρική βαθμονόμηση και διόρθωση, την αποθορυβοποίηση κλπ. και βασίζεται σε προγράμματα εξειδικευμένα για κάθε δέκτη τα οποία παρέχει η εταιρεία που τον κατασκευάζει. Επιπλέον το σύστημα θα πρέπει να ενσωματώνει πολλά διαδεδομένα ατμοσφαιρικά μοντέλα και διορθώσεις που έχουν διεθνώς γίνει αποδεκτά και προταθεί και εφαρμόζονται για την εξάλειψη της επιρροής της ατμόσφαιρας από τα υπερφασματικά δεδομένα. Η ανάλυση των δεδομένων έχει ως σκοπό την εξαγωγή της σημαντικής για την εκάστοτε εφαρμογή πληροφορίας από τα υπερφασματικά δεδομένα και τη χαρτογράφηση με χρήση της πληροφορίας αυτής. Το σύστημα θα πρέπει να χρησιμοποιεί εναλλακτικά πολλούς αλγόριθμους που έχουν δημιουργηθεί για την εκτίμηση της πληροφορίας, η οποία περιέχεται στα υπερφασματικά δεδομένα, με χρήση μεθόδων επιλογής χαρακτηριστικών ή μεθόδων εξαγωγής χαρακτηριστικών. Οι μέθοδοι επιλογής χαρακτηριστικών θα πρέπει να αποσκοπούν στην επιβλεπόμενη μείωση της διάστασης των υπερφασματικών δεδομένων και να μπορούν να βασιστούν είτε σε υπάρχουσες φασματικές βιβλιοθήκες ή σε μετρήσεις πεδίου με φασματοραδιόμετρο ή και στα ίδια τα υπερφασματικά δεδομένα με την προϋπόθεση της ύπαρξης επιγείων ελέγχων. Οι ενσωματωμένοι στο σύστημα μέθοδοι εξαγωγής χαρακτηριστικών (MNF, PCA κλπ.) θα αποσκοπούν στην αυτόματη εξαγωγή της χρήσιμης πληροφορίας από τα υπερφασματικά δεδομένα. Στο συγκεκριμένο υποσύστημα, με βάσει τα επιδιωκόμενα αποτελέσματα και τα διαθέσιμα δεδομένα αυτού του έργου θα εφαρμοστούν μέθοδοι που αφορούν υπερφασματικά δεδομένα. Θα ακολουθηθεί ειδική μεθοδολογία επιλογής και εξαγωγής χαρακτηριστικών, καθώς επίσης θα χρησιμοποιηθούν και φασματικές βιβλιοθήκες των ειδών βλάστησης που είναι επιθυμητό να αναγνωριστούν. Οι φασματικές βιβλιοθήκες αυτές θα χρησιμοποιηθούν από τη βιβλιογραφία ή θα προκύψουν από επίγειες μετρήσεις με φασματοραδιόμετρο Επιπρόσθετα θα υλοποιηθεί και αντικειμενοστραφής ανάλυση εικόνας για ακριβέστερα αποτελέσματα με τη χρήση χωρικών σχέσεων των κατηγοριών βλάστησης.