Ανίχνευση Αστικών και Περιβαλλοντικών Αλλαγών μέσω Τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Detection of Urban and Environmental Changes via Remote Sensing

Karim Ennori, Slim Smaoui, Mohamed Ali Triki

πηγή: [[1]]

Μετάφραση και περίληψη:

Εισαγωγή:

Οι αλλαγές στην επιφάνεια του πλανήτη έχουν μεγάλες συνέπειες στην παγκόσμια ισορροπία της ακτινοβολία και τις ροές ενέργειας, συμβάλλοντας σε αλλαγές στους βιογεωχημικούς και στους υδρολογικούς κύκλους και επηρεάζουν την οικολογική ισορροπία και την πολυπλοκότητα. Γενικά υπάρχει η αντίληψη ότι η κατανόηση της χρήσης γης και της κάλυψης γης είναι απαραίτητη για την βιωσιμότητα. Έχει παρατηρηθεί ότι σε όλη την γη έχουν παρατηρηθεί μεγάλες παραλλαγές. Ωστόσο παρά τις τεράστιες αλλαγές στις χρήσης και καλύψεις γης δεν υποστηρίζονται επαρκώς. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει οικονομικά αποδοτικές πολυφασματικές και πολυχρονικές πληροφορίες που είναι χρήσιμες για την ανάλυση και παρακολούθηση μοντέλων χρήσεων και καλύψεων γης. Οι πληροφορίες της τηλεπισκόπησης επιβεβαιώνουν την αναγκαιότητα να παρατηρούμε και να αναγνωρίζουμε τους μετασχηματισμούς μιας πόλης και παρέχει τις απαραίτητες πληροφορίες για μελλοντική πρόοδο. Οι περιβαλλοντικές, οικονομικές και πολιτικές εξελίξεις αυξάνουν την επιδημιολογική αβεβαιότητα, έτσι ευνοείται η εισαγωγή νέων παθογόνων μικροοργανισμών και η επανεμφάνιση παλαιών μολυσματικών ασθενειών που συνδέονται ιστορικά με τις αγροτικές κοινότητες. Αυτές οι ανησυχίες έχουν ωθήσει να ασχοληθούν οργανισμοί υγείας. Η αναγνώριση των αλλαγών είναι η μέθοδος εντοπισμού των διαφορών στην κάλυψη γης με την παρακολούθηση σε διάφορες χρονικές στιγμές.

Εισαγωγή:

Οι δορυφορικές εικόνες παρέχουν σημαντικά δεδομένα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Σύμφωνα με δυο μελετητές έχουν κατηγοριοποιηθεί σε τέσσερις τύπους εικόνων οι δορυφορικές εικόνες:

• Χωρική ανάλυση: Η χωρική ανάλυση είναι το μέτρο που εξηγεί το μήκος του εδάφους σε κάθε πλευρά του τετραγώνου του εικονοστοιχείου της εικόνας. Όσο μεγαλύτερη η χωρική ανάλυση τόσο χαμηλότερη η επιφάνεια που αντιπροσωπεύει το κάθε pixel. Η μεγάλη χωρική ανάλυση επιτρέπει την καλή όραση μικρών αντικειμένων.
• Φασματική ανάλυση: Η φασματική ανάλυση μια δορυφορικής εικόνας προσδιορίζεται ως ο αριθμός των φασματικών ζωνών που περιέχει και το μέγεθος της διακύμανσης του μήκους κύματος που συλλαμβάνει κάθε ζώνη δορυφορικών εικόνων.
• Χρονική ανάλυση: Η χρονική ανάλυση αναφέρεται στην ώρα που απαιτεί ένας δορυφόρος να εκτελέσει έναν πλήρη κύκλο γύρω από την γη.
• Ραδιομετρική ανάλυση: Η ραδιομετρική ανάλυση αναφέρεται στους βαθμούς φωτεινότητας των αισθητήριων στοιχείων που μπορούν να συλληφθούν από την δορυφόρο.

Ανίχνευση αλλαγής χρήσης και κάλυψης γης:

Η χρήση και η αλλαγή στην κάλυψη της γης διαδραματίζουν βασικό ρόλο στην παγκόσμια αλλαγή και έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε πολλές διεθνείς πολιτικές εξελίξεις. Λόγο της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης η αλλαγή των χρήσεων γης και η κάλυψη της γης αποτέλεσε μεγάλη ανησυχία. Προκειμένου να κατανοήσουμε το πως η χρήσεις και οι καλύψεις γης αλληλοεπιδρούν με τον παγκόσμιο κόσμο είναι απαραίτητο να παρέχονται πληροφορίες για το ποιες αλλαγές συμβαίνουν, που και πότε φαίνονται, οι αξίες στις οποίες εμφανίζονται και οι φυσικοί και κοινωνικοί οδηγοί αυτών των αλλαγών. Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη γεωγραφική διασπορά της χρήσης γης και την αλλαγή της κάλυψης γης. Η ανίχνευση αλλαγών με τηλεπισκόπηση είναι η διαδικασία αναγνώρισης διαφορών στην κατάσταση ενός αντικειμένου σε διαφορετικές στιγμές του χρόνου.

Ανίχνευση αστικής αλλαγής:

Η αλλαγή κάλυψης και χρήσης γης αποτελούν βασικά στοιχεία της παγκόσμιας περιβαλλοντικής αλλαγής και έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε πολλές πτυχές των διαδικασιών και των λειτουργιών του οικοσυστήματος σε τοπικές, περιφερειακές και παγκόσμιες κλίμακες. Τα τελευταία χρόνια η αγροτική επέκταση και εντατικοποίηση, η αποψίλωση των δασών και αστικοποίηση έχουν επηρεάσει προοδευτικά πάνω από το μισό της γης. Μετατροπές της γης από δάσος και άλλες φυσικές εκτάσεις έως τις αστικοποιημένες εκτάσεις είναι τυπικά μόνιμες και μπορεί να οδηγήσουν σε πολλά προβλήματα που σχετίζονται με το οικοσύστημα. Η αστική ανάπτυξη μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στο κλίμα και στο οικοσύστημα. Τις τελευταίες δεκαετίες, στη τηλεπισκόπηση υπάρχουν τεχνικές ανίχνευσης για την παροχή ακριβών και έγκαιρων δεδομένων για την αλλαγή της αστικής γης. Η μετά-ταξινόμηση αποδείχθηκε η πιο επιτυχημένη μέθοδος ανίχνευσης αστικής αλλαγής. Η κύρια πρόκληση για την κατηγοριοποίηση της κάλυψης από αστική γη είναι ο ακριβής προσδιορισμός της αντανάκλασης από έναν αριθμό υλικών πάνω σε ένα αστικοποιημένο περιβάλλον.

Ανίχνευση αλλαγής:

Η ανίχνευση αλλαγών σε έναν υπολογιστή μπορεί γενικά να αναγνωριστεί ως πρόβλημα με την αναγνώριση του χαρακτήρα και του μεγέθους των αλλαγών μεταξύ των δύο συγκρινόμενων εικόνων που περιγράφουν την ίδια σκηνή σε άλλους χρόνους. Η ανίχνευση της αλλαγής είναι μια πρόκληση καθώς επηρεάζει διάφορα στοιχεία όπως χρονικά, φασματικά και χωρικούς περιορισμού, ραδιομετρική ανάλυση και ατμοσφαιρικές συνθήκες. Οι μέθοδοι ανίχνευσης θεωρούν το εικονοστοιχείο ως την βασική μονάδα ανάλυσης και αλλαγής της εικόνας. Η παλινδρόμηση εικόνας προσπαθεί να προσαρμόσει τις τιμές του pixel της αντικειμενικής εικόνας σε αυτές της εικόνας αναφοράς. Δυστυχώς είναι δύσκολο να προσδιοριστούν ακριβείς συναρτήσεις παλινδρόμησης λόγω τοπικών διακυμάνσεων στην φωτεινότητα που υπάρχουν στις εικόνες. Σε αντίθεση με προηγούμενες τεχνικές ανίχνευσης αλλαγών που βασίζονται σε εικονοστοιχεία, η ανάλυση διανύσματος αλλαγής μπορεί να παρέχει πληροφορίες για το είδος της αλλαγής. Όλες οι μέθοδοι ανίχνευσης αλλαγών που βασίζονται σε εικονοστοιχεία (pixel) έχουν δυο βασικά μειονεκτήματα. Το πρώτο είναι ότι ένα όριο είναι απαραίτητο για την διάκριση μεταξύ των pixel που ανήκουν στην κλάση αλλαγής από αυτές που ανήκουν στην κλάση χωρίς αλλαγή. Αυτό το όριο είναι μια προβληματική διαδικασία και οι τεχνικές που βασίζονται στα pixel πέφτουν συνήθως σε σφάλματα. Το άλλο μειονέκτημα είναι ότι τα pixel βασίζονται στην χωρική σύνδεση με τα γειτονικά pixel. Αυτό αποκλείει από το χωρικό πλαίσιο πρωτογενείς πληροφορίες που θα συνέβαλαν στην ακριβή ανίχνευση των αλλαγών. Οι λύσεις στην ανίχνευση των αλλαγών για αυτούς τους αλγόριθμους βασίζονται στην βαθμολογία των μετρήσεων ομοιότητας μεταξύ των παραθύρων που συγκρίνονται. Για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί στις τεχνικές ανίχνευσης μέσω pixel έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι που βασίζονται σε αντικείμενα. Οι περισσότερες τεχνικές ανίχνευσης αλλαγών που βασίζονται σε αντικείμενα μπορούν να ταξινομηθούν σε οποιοδήποτε πεδίο η σε μέθοδο που βασίζεται σε ακμές. Η προσέγγιση στο τεχνικό νευρικό δίκτυο μπορεί να φέρει σημαντικά αποτελέσματα στην ανίχνευση αλλαγών, ιδιαίτερα όταν οι κατηγορίες δεν κατανέμονται κανονικά, αλλά θέλει πολύ χρόνο και είναι ευαίσθητο στον όγκο των δεδομένων εκπαίδευσης. Ακόμα, το πλεονέκτημα των μηχανικών διανυσμάτων υποστήριξης είναι ότι δεν κατασκευάζουν υποθέσεις σχετικά με την υποκείμενη διανομή δεδομένων και να επεξεργαστεί το έργο της ανίχνευσης των αλλαγών ως πρόβλημα διπλής ταξινόμησης. Τελευταία, ο αλγόριθμος των τυχαίων δασών έχει γίνει πολύ διάσημος στον τομέα των απομακρυσμένων ανιχνεύσεων και είναι μια γρήγορη σύνδεση με άλλες μεθοδολογικές μηχανές μάθησης. Έτσι αυτός ο αλγόριθμος αντί να χρησιμοποιεί ένα μεμονωμένο δέντρο αποφάσεων, ο αλγόριθμός συναρμολογεί έναν μεγάλο αριθμό δέντρων αποφάσεων.

Συμπεράσματα:

Η φαινομενική αστική ανάπτυξη οδηγείται από την αύξηση του πληθυσμού, την οικονομική επέκταση και την τεχνολογική πρόοδο και έχει γίνει διεθνής τάση. Αυτή η ανάπτυξη συχνά θεωρείται ως η δύναμη μια ντόπιας οικονομίας. Ωστόσο, έχει εποικοδομητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, όπως η απώλεια βιοποικιλότητας η διάβρωση του εδάφους, υδρολογικές διαταραχές, ρύπανση του νερού και των στερεών και την παγκόσμια υπερθέρμανση. Ο έλεγχος και η μοντελοποίηση της αστικής χωρικής επέκτασης είναι απαραίτητες για την οικολογική βιωσιμότητα και των πολεοδομικό σχεδιασμό. Λόγω της ικανότητας αντιμετώπισης μη γραμμικών και πολύπλευρών φαινομένων, η ενοποίηση αναλυτικών τεχνικών και μεθόδων με την τηλεπισκόπηση έχει βελτιώσει την απόδοση της ταξινόμησης εικόνων για το ασυνεχές και ποικίλο τοπίο στο αστικό περιβάλλον. Το άλλο συστατικό είναι η διαφοροποίηση της χωρικής αστικής επέκτασης στην πρακτική ζώνη και οι κυψελοειδείς φάσεις χρησιμοποιώντας τρεις μεθοδολογίες: τον σχεδιασμό αλλαγής της αστικής γης, έρευνα μετρήσεων τοποθεσίας και εξέταση κινούμενων παραθύρων.