Ανίχνευση Αλλαγής Αστικής Γης με Οδική Πυκνότητα και Φασματικές Πληροφορίες από πολυδιάστατα δεδομένα Landsat.

Από RemoteSensing Wiki

Ανίχνευση Αλλαγής Αστικής Γης με Οδική Πυκνότητα και Φασματικές Πληροφορίες από πολυδιάστατα δεδομένα Landsat.

Πρωτότυπος τίτλος: Urban built-up land change detection with road density and spectral information from multi-temporal Landsat TM data

Συγγραφείς:Q. Zhang, J. Wang, X. Peng, P. Gong and P. Shi

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Σε αυτό το άρθρο αναλύθηκαν οι εικόνες Landsat που αποκτήθηκαν την ίδια εποχή από το 1984 και το 1997, για την ανίχνευση αλλαγών του εδάφους στο αστικό περιβάλλον του Πεκίνου της Κίνας. Προκειμένου να μειωθεί η φασματική σύγχυση μεταξύ κατοικημένων αστικών περιοχών και αγροτικών μη κατοικημένων κατηγοριών γης, προτείνεται μια νέα διαρθρωτική μέθοδος που βασίζεται στην οδική πυκνότητα συνδυασμένη με φασματικά κανάλια. Η οδική πυκνότητα αντιπροσωπεύει έναν τύπο δομικών πληροφοριών ενώ τα κανάλια Landsat αντιπροσωπεύουν φασματικές πληροφορίες. Οι χάρτες οδικής πυκνότητας και για τις δύο ημερομηνίες παράχθηκαν χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο ανάλυσης και στη συνέχεια ενσωματώνοντας τον με τα φασματικά κανάλια. Τα αποτελέσματα από τη σύγκριση φασματικής-δομικής μεταταξινόμησης (SSPCC) και τη διαφοροποίηση της φασματικής-δομικής εικόνας (SSID) αξιολογήθηκαν και συγκρίθηκαν με τη μέθοδο ανίχνευσης φασματικών αλλαγών. Η προτεινόμενη μέθοδος SSPCC μείωσε σημαντικά τη φασματική σύγχυση και αύξησε την ακρίβεια της ταξινόμησης κάλυψης γης σε σύγκριση με τη φασματική ταξινόμηση. Το άρθρο καταδεικνύει ακόμη ότι τα αποτελέσματα της μεθόδου SSID συμπλήρωσαν τη διαφοροποίηση των φασματικών καναλιών ανιχνεύοντας περιοχές με μεγαλύτερες διαρθρωτικές αλλαγές, μερικές από τις οποίες είχαν χαθεί.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια σημαντική πηγή δεδομένων για τη χαρτογράφηση της αστικής χρήσης/κάλυψης γης και την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Οι πληροφορίες σχετικά με τη χρήση/κάλυψη γης είναι σημαντικές καθώς μπορούν να συμβάλουν σε ζητήματα πολεοδομικού σχεδιασμού και διαχείρισης αυτού. Η υπάρχουσα κατάσταση αλλά και οι μεταβολές χρήσης γης παρέχουν βασικές ενδείξεις για την μελλοντική ανάπτυξη. Σε ένα ταχέως μεταβαλλόμενο αστικό περιβάλλον, η τηλεπισκόπηση είναι μια χρήσιμη τεχνολογία για την ανίχνευση αλλαγών και την ενημέρωση της βάσης δεδομένων του Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών (GIS). Πολλές τεχνικές ανίχνευσης ψηφιακών αλλαγών έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί σε διάφορα περιβάλλοντα τις τελευταίες δεκαετίες. Για τους διαφορετικούς σκοπούς μελέτης που προκύπτουν, οι ερευνητές επιχειρούν να ανακαλύψουν τις πιο κατάλληλες μεθόδους ανίχνευσης αλλαγών. Οι περισσότερες από τις μεθόδους ανίχνευσης βασίζονται σε φασματικές πληροφορίες. Υποθέτουν ότι οι αλλαγές του εδάφους προκαλούν σημαντικές αλλαγές στα πίξελ της εικόνας και ότι η πλειοψηφία των φασματικών αλλαγών αντανακλά στο έδαφος χωρίς να δέχεται παρεμβολές από την ατμόσφαιρα ή άλλα συστήματα. Υπάρχουν τρεις κύριες ομάδες τεχνικής ανίχνευσης αλλαγών που βασίζονται στις εξής διαδικασίες: άλγεβρα χάρτη, άμεση ταξινόμηση πολλαπλών ημερομηνιών και σύγκριση μεταταξινόμησης. Όταν πρόκειται για τη μελέτη αστικής/προαστιακής χρήσης/κάλυψης γης, οι φασματικές τεχνικές παρουσιάζουν κάποια μειονεκτήματα. Οι αστικές περιοχές είναι ετερογενείς καθώς περιλαμβάνουν διάφορους τύπους κάλυψης γης, όπως σκυρόδεμα, άσφαλτο, δέντρα, γρασίδι, νερό, έδαφος και όλα τα υλικά στέγης, τα οποία έχουν διαφορετικά ραδιομετρικά χαρακτηριστικά σε μια τηλεπισκόπηση. Είναι δύσκολο λοιπόν να υπάρξει μια ομοιογενής φασματική κατηγορία που να χαρακτηρίζεται αστική. Επιπλέον, ορισμένες κατηγορίες αστικής κάλυψης γης είναι φαινομενικά παρόμοιες με άλλες «μη αστικών» τύπων κάλυψης. Αυτό το άρθρο μελετά τις συνδυασμένες φασματικές-δομικές προσεγγίσεις για την ταξινόμηση και την ανίχνευση αλλαγών αστικών περιοχών. Η πυκνότητα στα άκρα που μετρήθηκε από εικόνες SPOT χρησιμοποιήθηκε για να βελτιώσει την ταξινόμηση χρήσης γης. Η οδική πυκνότητα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ένας τύπος δομικής πληροφορίας, ο οποίος είναι εύκολα κατανοητός. Αν και η αστική ανάπτυξη είναι ένα πολύπλοκο φαινόμενο, τα οδικά σχέδια λειτουργούν ως πλαίσιο καθώς μια αστική περιοχή συνήθως έχει πολύ πυκνότερο οδικό δίκτυο από ότι έχει μια μη αστική περιοχή. Έτσι λοιπόν, οι πληροφορίες σχετικά με την οδική πυκνότητα από εικόνες Landsat βελτίωσαν τα αποτελέσματα της κατάτμησης των αστικών και αγροτικών περιοχών σε σύγκριση με τη χρήση μόνο φασματικών πληροφοριών. Στόχος είναι η εξέταση της χρησιμότητας της οδικής πυκνότητας ως μια ουσιαστική δομή δείκτη για τη μελέτη της μετάβασης αστικού-προαστιακού εδάφους. Σε αυτό το άρθρο, προτείνονται δύο μέθοδοι ανίχνευσης αλλαγών, η σύγκριση φασματικής-δομικής μεταταξινόμησης (SSPCC) και η διαφοροποίηση φασματικής-δομικής εικόνας (SSID), για την ανάλυση εικόνων Landsat δύο ημερομηνιών. Τα αποτελέσματα από τις μεθόδους SSPCC και SSID συγκρίνονται τελικά με εκείνα από την ανίχνευση αλλαγών που βασίζεται μόνο σε φασματικές πληροφορίες.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Εικόνα 1. Landsat εικόνα του Πεκίνου, Κίνα, στις 2 Οκτωβρίου 1984, κανάλια 4, 3, 2.

Εικόνα 2. Landsat εικόνα του Πεκίνου, Κίνα, στις 21 Σεπτεμβρίου 1997, κανάλια 4, 3, 2.

Η παρακολούθηση του περιβάλλοντος αποτελεί ζωτικό ζήτημα στο Πεκίνο, την πρωτεύουσα της Κίνας. Η αναπτυσσόμενη οικονομία και ο μεγάλος πληθυσμός οδηγούν σε μια πόλη που μεγαλώνει με ταχύ ρυθμό. Ο συνολικός πληθυσμός της πόλης έφτασε τα 12,17 εκατομμύρια το 1997 από 9,45 εκατομμύρια το 1984 ενώ η κατοικημένη περιοχή έχει επεκταθεί από τα 366 km2 το 1984 σε 488 km2 το 1997. Πολλές κατασκευές πραγματοποιήθηκαν τόσο στην περιφέρεια αστικών περιοχών όσο και στον πυρήνα της πόλης. Για τον προσδιορισμό της απότομης ανάπτυξης των αστικών οικιστικών περιοχών, αναπτύχθηκαν νέες τεχνικές ανίχνευσης αλλαγών και συγκρίθηκαν με τις παραδοσιακές μεθόδους. Αποκτήθηκαν δύο Landsat εικόνες για το Πεκίνο, στις 2 Οκτωβρίου 1984 και στις 21 Σεπτεμβρίου 1997 αντίστοιχα. Η εικόνα 1 δείχνει ένα σύνθετο ψευδούς χρώματος της περιοχής μελέτης το 1984 και η εικόνα 2 δείχνει την εικόνα της ίδιας περιοχής το 1997. Παρατηρείται ότι ο πυρήνας της πόλης βρίσκεται στο κέντρο των εικόνων. Η πόλη έχει επεκταθεί προς τα έξω σχεδόν προς όλες τις κατευθύνσεις, ειδικά προς τα βορειοανατολικά και τα νότια. Ορισμένες λεπτομέρειες εμφανίζονται στα δύο παράθυρα των εικόνων. Οι αριθμοί των ψηφιακών εικονοστοιχείων (DN) ποικίλλουν ανάλογα με τη χρονική περίοδο κατά την οποία έχει κατασκευαστεί μια συγκεκριμένη περιοχή. Οι υπό κατασκευή και οι πρόσφατα ανεπτυγμένες περιοχές εμφανίζονται πιο φωτεινές στις ορατές ζώνες. Το εσωτερικό της πόλης παρουσιάζει μια σχετικά ομοιόμορφη ζώνη με σκοτεινούς τόνους, με διάσπαρτα φωτεινά σημεία, πολλά από τα οποία είναι νεόδμητα κτίρια. Η ολική μεταβολή των εικόνων από φωτεινούς σε σκοτεινούς τόνους προκύπτει από τη σταδιακή αυξανόμενη κάλυψη της πόλης από δέντρα. Η πόλη του Πεκίνου έχει μακρά ιστορία καθώς κάποια από τα κομμάτια της πόλης χρονολογούνται την περίοδο της Δυναστείας των Γιουάν (14ος αιώνας). Η φύτευση δέντρων γύρω από τα κτιριακά συγκροτήματα και κατά μήκος του δικτύου των δρόμων αποτελεί παράδοση.

ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ

1.Η γεωμετρική εγγραφή εικόνας σε εικόνα. 2.Ομαλοποίηση σχετικών σκηνών

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΑΛΛΑΓΩΝ

Εικόνα 3. Διαδικασίες φασματικής-δομικής ανίχνευσης αλλαγών.

Προκειμένου να ενσωματωθούν οι πληροφορίες οδικής πυκνότητας για την ανίχνευση αλλαγών, προτάθηκαν δύο νέες μέθοδοι για φασματικά-δομικά σύνολα δεδομένων, η SSPCC και SSID. Οι δομικές πληροφορίες που βασίζονται στην οδική πυκνότητα παράχθηκαν από έναν αλγόριθμο ανάλυσης. Τα κανάλια για την οδική πυκνότητα ήταν τοποθετημένα στις πολυφασματικές βάσεις και αντιμετωπίζονταν ως συμπληρωματικά κανάλια. Για τη μέθοδο SSPCC, τα κανάλια οδικής πυκνότητας συνδυάστηκαν με τις φασματικές ζώνες από το ίδιο έτος για την ταξινόμηση της εικόνας. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα των δύο ημερομηνιών επικαλύφθηκαν για την ανίχνευση αλλαγών. Για τη μέθοδο SSID, το αποτέλεσμα της διακύμανσης της οδικής πυκνότητας συνδυάστηκε με το αποτέλεσμα της διαφοροποίησης της φασματικής ζώνης Landsat. Οι διαδικασίες περιλαμβάνουν: (1) δημιουργία χαρτών οδικής πυκνότητας και για τα δύο χρόνια, (2) ταξινόμηση εικόνων χρησιμοποιώντας συνδυασμένα φασματικά-δομικά κανάλια, (3) μεταταξινόμηση ανίχνευσης αλλαγών και (4) ανίχνευση αλλαγών χρησιμοποιώντας συνδυασμό της διαφοροποίησης της οδικής πυκνότητας και της φασματικής ζώνης, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3. Τέλος, τα αποτελέσματα ανίχνευσης αλλαγής από φασματικά-δομικά κανάλια και φασματικά κανάλια συγκρίθηκαν οπτικά και αξιολογήθηκαν ποσοτικά.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Εικόνα 4. Τα αποτελέσματα ταξινόμησης από τα κανάλια 2, 4, 5: (α) 1984, (β) 1984 με οδική πυκνότητα.

Εικόνα 5. Τα αποτελέσματα ταξινόμησης από τα κανάλια 2, 4, 5: (α) 1997, (β) 1997 με οδική πυκνότητα.

Αποτελέσματα της ταξινόμησης: Όπως φαίνεται στις εικόνες 4 και 5, τα αποτελέσματα της ταξινόμησης των οικιστικών και μη οικιστικών περιοχών από όλους τους συνδυασμούς των καναλιών εισόδου, είναι γενικά σε καλό επίπεδο. Όταν χρησιμοποιούνταν μόνο τα φασματικά κανάλια, η σύγχυση ήταν μεγαλύτερη όσον αφορά στα γυμνά αγροτικά χωράφια και σε κάποιες περιοχές με χτισμένα κομμάτια. Μια άλλη σύγχυση παρατηρήθηκε μεταξύ των κατοικημένων περιοχών με πυκνή βλάστηση και άλλων μη ανεπτυγμένων εκτάσεων με βλάστηση. Με την προσθήκη του καναλιού της οδικής πυκνότητας, η σύγχυση επιλυόταν καθώς η οδική πυκνότητα στις αγροτικές περιοχές είναι αρκετά χαμηλή. Επιπλέον, η οδική πυκνότητα για οικιστικές περιοχές με βλάστηση είναι μεγαλύτερη από αυτή που εμφανίζουν οι δασικές ή οι εξωαστικές περιοχές. Η ποσοτική αξιολόγηση δείχνει ότι η χρήση του καναλιού οδικής πυκνότητας βοηθά στη βελτίωση όλων των κατηγοριών.

Ταξινόμηση με χρήση 6 και 3 Landsat καναλιών: Τα αποτελέσματα από τη χρήση έξι καναλιών είναι καλύτερα από αυτά με τη χρήση τριών καναλιών, με ή χωρίς το κανάλι οδικής πυκνότητας. Με το συνδυασμό του καναλιού της οδικής πυκνότητας, η διαφορά μεταξύ των έξι και των τριών καναλιών μειωνόταν, γεγονός που δείχνει ότι η δομική πληροφορία συμπληρώνει τη φασματική πληροφορία.

Πίνακας 1. Σύγκριση της ακρίβειας ανίχνευσης αλλαγών.

Αποτελέσματα ανίχνευσης αλλαγών: Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, η μέθοδος SSPCC παράγει μεγαλύτερη ακρίβεια ανίχνευσης αλλαγών από την παραδοσιακή μέθοδο μεταταξινόμησης. Τα κανάλια οδικής πυκνότητας συνέβαλαν στην παραγωγή πολύ καλύτερης ακρίβειας, με αύξηση ακρίβειας άνω του 6%, τόσο για τα έξι κανάλια όσο και για τα τρία. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική αστική εξάπλωση μεταξύ του 1984 και 1997. Τα αποτελέσματα της ταξινόμησης σε συνδυασμό με την οδική πυκνότητα δείχνουν ότι το 1984 υπήρχαν 385 km2 κατοικημένης γης και ο αριθμός αυξήθηκε σε 568 km2 το 1997. Υπάρχουν 183 km2 γης που μετατράπηκαν από μη οικιστικά σε οικιστικά και αποτυπώνονται στην ανίχνευση αλλαγών.

Σύγκριση μεταταξινόμησης και διαφοροποίησης εικόνας ανίχνευσης αλλαγών: Η μελέτη έδειξε ότι τα αποτελέσματα ανίχνευσης αλλαγών από τη σύγκριση μεταταξινόμησης είναι καλύτερα από αυτά της διαφοροποίησης εικόνας. Η μεταταξινόμηση είναι λιγότερη ευαίσθητη στην καταχώρηση σφαλμάτων ενώ επίσης είναι δυνατόν να ενσωματώσει τη γνώση του διερμηνέα στη διαδικασία της ταξινόμησης. Αυτό εξηγεί και τα καλύτερα αποτελέσματα τα οποία παράχθηκαν από αυτή τη μέθοδο.

Εφαρμοσιμότητα μεθόδων SSPCC και SSID: Αυτή η μελέτη κατέδειξε τα πλεονεκτήματα των μεθόδων ανίχνευσης αλλαγών SSPCC και SSID έναντι των παραδοσιακών φασματικών μεθόδων. Οι πληροφορίες οδικής πυκνότητας έδωσαν ένα παράδειγμα χρήσιμων δομικών πληροφοριών. Άλλες δομικές πληροφορίες, όπως η πυκνότητα ακμής και το μέγεθος αντικειμένων, θα ήταν επίσης χρήσιμες και αξίζουν περαιτέρω έρευνα. Η αστική ανάπτυξη έχει μια σειρά σταδίων. Οι φασματικές και δομικές μέθοδοι μπορούν να δουλέψουν αποτελεσματικά για διάφορα στάδια. Σύμφωνα με τους Jensen και Toll (1982), τα 10 στάδια της οικιστικής ανάπτυξης που αναγνωρίζονται από ορθο-αεροφωτογραφίες βασίζονται σε παράγοντες καθαρισμού, υποδιαίρεσης, μεταφοράς, κατασκευής και εξωραϊσμού. Η ανάλυση εικόνας παίζει σημαντικό ρόλο στην εξαγωγή των δομικών πληροφοριών. Η ανάλυση των εικόνων Landsat επηρέασε την παραγωγή χαρτών οδικής πυκνότητας σε αυτή τη μελέτη. Αν και οι εκβαλλόμενοι δρόμοι παρουσιάζουν το γενικό μοτίβο του οδικού δικτύου, κάποιοι δρόμοι δεν είναι ορατοί από τις εικόνες. Κατά την εξαγωγή των δρόμων, χρησιμοποιήθηκε ανάλυση 15 m αντί για την αρχική ανάλυση 30 m και παράχθηκαν καλύτεροι οδικοί χάρτες. Υψηλότερα δεδομένα χωρικής ανάλυσης προτιμώνται για την παραγωγή δομικών πληροφοριών. Εκτός από την παραγωγή δομικών πληροφοριών, όπως η οδική πυκνότητα, μια υπάρχουσα GIS βάση δεδομένων έχει αποδειχθεί χρήσιμη για την ταξινόμηση της αστικής χρήσης/κάλυψης γης, παρέχοντας πρόσθετες γνώσεις σχετικά με την περιοχή. Από την άλλη πλευρά, οι πληροφορίες χρήσης/κάλυψης γης από τηλεπισκόπηση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικαιροποίηση των υπαρχόντων βάσεων δεδομένων GIS. Η τηλεπισκόπηση και το GIS μαζί μπορούν να παράσχουν έγκαιρα και ακριβή στοιχεία καθώς και τις πληροφορίες που χρειάζονται για τον πολεοδομικό σχεδιασμό και τη διαχείριση αυτού.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης παρέχουν εντυπωσιακές χωρικές λεπτομέρειες σχετικά με την επιφάνεια της γης, παρέχοντας μια καλύτερη πηγή δεδομένων για μελέτες περιβαλλοντικών αλλαγών, όπως οι μεταβολές των αστικών-αγροτικών περιοχών. Αυτό το άρθρο δείχνει ότι οι δομικές πληροφορίες μπορούν να εξάγονται από δορυφορικές εικόνες και να χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση αλλαγών σε αστικές και προαστιακές περιοχές. Οι προτεινόμενες μέθοδοι ανίχνευσης αλλαγών SSPCC και SSID αφορούν στην ολοκλήρωση των δομικών και φασματικών πληροφοριών. Η οδική πυκνότητα χρησίμευσε ως παράδειγμα δομικής μέτρησης σε αυτή τη μελέτη. Η καλύτερη επίδοση από τις νέες μεθόδους έδειξε ότι η προσθήκη διαρθρωτικών πληροφοριών, όπως η οδική πυκνότητα, είναι χρήσιμη για την ταξινόμηση πολυφασματικών τηλεπισκοπικών εικόνων και την πολλαπλών χρονικών μεταβολών ανίχνευση. Σε σύγκριση με τα αποτελέσματα των φασματικών πληροφοριών, η συνολική ακρίβεια βελτιώθηκε κατά 2,3-3,77%. Η βελτιωμένη ανίχνευση αλλαγών που προκύπτει από τις προτεινόμενες μεθόδους μπορεί να παρέχει πιο ακριβείς πληροφορίες για τον πολεοδομικό σχεδιασμό και τη διαχείριση αυτού για μια τόσο γρήγορα αναπτυσσόμενη πόλη, όπως το Πεκίνο. Το γεγονός ότι οι πληροφορίες σχετικά με την οδική πυκνότητα αποδείχθηκαν χρήσιμες για την επίλυση δύο τύπων φασματικής σύγχυσης (γυμνά αγροτικά εδάφη έναντι δομημένης περιοχής, χτισμένη γη με βλάστηση έναντι των δασών και των καλλιεργειών) παρέχει μεγάλες δυνατότητες διάκρισης της κάλυψης γης σε αστικές και προαστιακές περιοχές. Η μέθοδος της ενσωμάτωσης της οδικής πυκνότητας μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες μελέτες αστικών-περιφερειακών περιοχών για διαφορετικούς σκοπούς εφαρμογής που περιλαμβάνουν ταξινόμηση εικόνων.