Αστική τηλεπισκόπηση με τη χρήση πολλαπλών δεδομένων

Από RemoteSensing Wiki

Urban remote sensing using multiple data sets: Past, present, and future

Συγγραφείς: Paolo Gamba ,, Fabio Dell_Acqua , Belur V. Dasarathy

Εισαγωγή

Το αστικό περιβάλλον είναι τόσο σύνθετο και προκλητικό που ένας μεμονωμένος αισθητήρας δε μπορεί να παράσχει όλες τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για το χαρακτηρισμό του. Οι αισθητήρες αποκτούν μια αυξανόμενη ικανότητα να παρέχουν εικόνες της ίδιας περιοχής σε ποικίλες χρονικές κλίμακες .Πολυάριθμα σύνολα στοιχείων διατίθενται συνήθως για τις αστικές περιοχές μελέτης, με αναλύσεις που μπορούν να κυμανθούν από μερικά δέκατα του μέτρου ως λιγότερο από ένα μέτρο. Η πρώτη πρόκληση που τίθεται από τέτοια μεγάλα ποσά στοιχείων είναι η καθιέρωση εφαρμογής κατάλληλων κριτηρίων για τη επιλογή χρήσιμων στοιχείων. Μια συναφής πρόκληση είναι η ανάπτυξη των αυτόματων ή ημιαυτόματων τεχνικών ικανών να εξάγουν διανυσματικά επίπεδα από τα raster στοιχεία , προκειμένου αυτά να ολοκληρωθούν σε ένα γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών(GIS).

Υψηλής ευκρίνειας αισθητήρες χρησιμοποιούνται στη τηλεπισκόπηση, απαιτώντας κατά συνέπεια τη χρήση τεχνικών που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά στη φωτογραμμομετρία (όπως παραδείγματος χάριν, στερεοφωτογραμμομετρία που εφαρμόζεται για να τελειοποιήσει τα δορυφορικά δεδομένα) (Εικόνα 1).

Αφ' ετέρου, μια αυξανόμενη ποικιλία των εναέριων αισθητήρων καθιστά απαραίτητη τη χρήση τεχνικών που αρχικά αναπτύχθηκαν για τις γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις των δορυφορικών στοιχείων. Αυτά τα προβλήματα είναι ιδιαίτερα προκλητικά στις αστικές περιοχές. Εδώ απαιτούνται στοιχεία υψηλής ανάλυσης σε ένα σύνθετο και γρήγορα μεταβαλλόμενο περιβάλλον, και οι ασυνέχειες της επιφάνειας είναι συχνές και απαιτούν τις ειδικές προσπάθειες για τη συνδυασμένη χρήση στοιχείων από τις πολλαπλές πηγές.

Τρέχοντα θέματα σύνθεσης-συμπύκνωσης δεδομένων σε αστικές περιοχές

Αναλύονται 3 κατηγορίες θεμάτων:

• Τεχνικές σύνθεσης εικόνων, πληροφοριών, δεδομένων από ποικίλους αισθητήρες κατάλληλες για αστικές περιοχές
• Τεχνικές πολλαπλής χωρικής ανάλυσης και κλίμακας για τις αστικές περιοχές
• Θέματα σε ποικίλες χρονικές κλίμακες για τον έλεγχο αστικής περιοχής.

Τεχνικές σύνθεσης εικόνων, πληροφοριών, δεδομένων από ποικίλους αισθητήρες κατάλληλες για αστικές περιοχές

Σήμερα, υπάρχει μια μεγάλη ποσότητα επικαλυπτόμενων διαθέσιμων στοιχείων σε μια δεδομένη περιοχή. Ένας τρόπος για την εκμετάλλευση αυτών θα ήταν η συμμετοχή αισθητήρων με παρόμοια ανάλυση, που να επιτρέπει τη σύλληψη διαφορετικών χαρακτηριστικών του ίδιου περιβάλλοντος. Αυτό θα μπορούσε να εφαρμοστεί για τα SAR και τα πολυφασματικά δεδομένα. Αυτές οι πληροφορίες συνδυάζονται μερικές φορές με τα επίπεδα GIS ή άλλα χωρικά γεωγραφικά στοιχεία. Η προσέγγιση, εντούτοις, απαιτεί, όχι μόνο εκμετάλλευση των διαφόρων αποκρίσεων στα διαφορετικά μήκη κύματος, αλλά και τον συνυπολογισμό σημαντικών στατιστικών διαφορών στη συμπεριφορά του επιστρεφόμενου σήματος όσον αφορά τα σύνθετα αστικά περιβάλλοντα. Εντούτοις, επισημαίνεται ότι περισσότερες πηγές πληροφοριών σημαίνουν συνήθως περισσότερες πηγές αβεβαιότητας.

Ένας άλλος τομέας ενδιαφέροντος είναι η τρισδιάστατη δομή του αστικού περιβάλλοντος, που τροφοδοτεί το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη των αισθητήρων και των εργαλείων που προορίζονται κυρίως για την ανίχνευση όλων των τρισδιάστατων χαρακτηριστικών των τοπίων, και ενισχύει τη μετακίνηση των τρισδιάστατων μετρήσεων των αστικών περιβαλλόντων από παραδοσιακότερες φωτογραμμομετρικές τεχνικές προς (InSAR) ή τους ανιχνευτικούς υψομετρητές λέιζερ (ραντάρ με ακτίνες laser).

Τεχνικές πολλαπλής χωρικής ανάλυσης και κλίμακας για τις αστικές περιοχές

Ένα σημαντικό σημείο στην αστική ανάλυση είναι η δυνατότητα να συνδυαστούν στοιχεία όχι μόνο από διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, αλλά και διαφορετικών επίγειων αναλύσεων και διαφορετικών πολώσεων. Οι πολύ υψηλής ευκρίνειας δορυφορικοί αισθητήρες τείνουν να είναι η μοναδική πηγή για τον αστικό έλεγχο, αλλά στερούνται μερικών κλασσικών χαρακτηριστικών. Το μεγάλο ποσό στοιχείων που προέρχονται από τους πολύ υψηλής ευκρίνειας αισθητήρες επιτρέπει τη χρήση των βασισμένων σε πυρήνα ταξινομητών, ή τουλάχιστον των φίλτρων μετα-ταξινόμησης βασισμένα στην ανάλυση σύστασης. Αυτές οι μέθοδοι παρουσιάζουν ελπιδοφόρα αποτελέσματα αφού λαμβάνουν υπόψη καλύψεις εδάφους για να παράσχουν μια ακριβέστερη χαρτογράφηση των κατηγοριών χρήσης γης. Στην πραγματικότητα, δεν είναι εφικτό να κάνει διακρίσεις μεταξύ βιομηχανικών και κατοικημένων περιοχών βασισμένοι μόνο στα φασματικά χαρακτηριστικά, αλλά η χωρική διάταξη των φασματικών υπογραφών δημιουργεί μια σημαντική διαφορά. Δεδομένου ότι τα αστικά περιβάλλοντα κατέχουν μοναδικά χαρακτηριστικά σε ένα ευρύ φάσμα κλιμάκων, ένα ισχυρό εργαλείο ανάλυσης πρέπει να είναι σε θέση να χαρακτηρίσει την υπό μελέτη εικόνα με έναν τρόπο πολλαπλής κλίμακας. Μερικές όμως φορές πάρα πολλά στοιχεία μπορεί να υπερφορτώσουν τη διαδικασία ταξινόμησης/ερμηνείας και έτσι μερικά από αυτά πρέπει να μην ληφθούν υπόψη.

Θέματα σε ποικίλες χρονικές κλίμακες για τον έλεγχο αστικής περιοχής

Η ανάλυση των αστικών περιοχών σε διάφορες χρονικές κλίμακες έχει αναπτυχθεί κυρίως για να αντιμετωπίσει δύο προβλήματα. Αφ' ενός, πρέπει να ελεγχθεί η αστική αύξηση-αστική εξάπλωση ειδικά των αναπτυσσόμενων χωρών. Αφ' ετέρου, πρέπει να ελεγχθούν οι αστικές περιοχές επειδή έχουν την πλειοψηφία των ανθρώπων, και βρίσκονται συχνά σε ή κοντά σε επικίνδυνες, από περιβαλλοντική άποψη, περιοχές. Ο αστικός έλεγχος, εντούτοις, απαιτεί τη διαθεσιμότητα στοιχείων που αντιστοιχούν σε διάφορες χρονικές στιγμές με μια δεδομένη συχνότητα και ενδεχομένως από τον ίδιο αισθητήρα, αλλά αυτό δεν είναι συνήθως δυνατό. Έτσι, πολλές από αυτές τις μελέτες στηρίζονται στα σύνολα στοιχείων που προέρχονται από διαφορετικούς αισθητήρες, κάθε ένας σε μια διαφορετική ημερομηνία. Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση στοιχείων διαφόρων χρονικών κλιμάκων είναι υποχρεωτική προκειμένου να επιτευχτεί ικανοποιητική ακρίβεια στην αστική περιβαλλοντική ανάλυση. Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή στοιχείων με ποικίλη χρονική ανάλυση είναι ο συνδυασμός εικόνων DSMP/OLS.. Ο συσχετισμός μεταξύ των εστιών φωτός τη νύχτα και της πυκνότητας πληθυσμών επιτρέπει μια πολύ λεπτομερή χαρτογράφηση της αστικής χρήσης γης καθώς επίσης και της επέκτασης των αστικοποιημένων περιοχών σε όλο τον κόσμο.

Παρ όλα αυτά υπάρχουν πολλά προβλήματα με τα τρέχοντα δορυφορικά πολλαπλών χρονικών σειρών (multi-temporal) σύνολα στοιχείων για τις αστικές περιοχές που προκύπτουν από τη χονδροειδή χωρική καθώς και τη φασματική ανάλυση. Ειδικότερα, τα δορυφορικά δεδομένα SAR παρέχουν προς το παρόν μια ανάλυση της οποίας το μέγεθος είναι συγκρίσιμο με την μέση διάσταση των αντικειμένων. Μια διαφορετική χρήση των multi-temporal δεδομένων για την αστική ανάλυση είναι η δυνατότητα να ελεγχθεί η επέκταση και η αλλαγή στις αστικοποιημένες ζώνες μέσω της ανάπτυξης αλγορίθμων ανίχνευσης αλλαγής. Παρόμοιες τεχνικές μπορούν να εφαρμοστούν στη διαχείριση καταστροφής. Σε αυτήν την περίπτωση η κλασική προσέγγιση είναι η χρήση στοιχείων πριν και μετά το γεγονός. Παραδείγματος χάριν, για την ανάλυση της πλημμύρας η επικρατούσα πρακτική είναι η χρήση των δεδομένων SAR, ή ένας συνδυασμός SAR και πολυφασματικών δεδομένων για μια καλύτερη αξιολόγηση των πλημμυρισμένων περιοχών.

Ένα διαφορετικό είδος διαχείρισης καταστροφής από τις εικόνες τηλεπισκόπησης είναι η αξιολόγηση της ζημίας σεισμού. Π.χ. Η χρήση εικόνων ποικίλης χρονικής και χωρικής ανάλυσης ολοκληρώνεται σε ένα GIS για την αυτοματοποιημένη ανίχνευση των κτηρίων ή με σε μια παρόμοια προσέγγιση προτείνεται η χρήση μιας φωτογραφικής μηχανής CCD ως πηγή εικόνας. Τέλος, πρόσφατα η σύγκριση τρισδιάστατων στοιχείων πριν και μετά το γεγονότος παρέχει περισσότερες πληροφορίες για τις ζημίες, όπως τις καταρρεύσεις που δύσκολα ανιχνεύονται από τις αεροφωτογραφίες.

Τρεις κρίσιμες ερευνητικές γραμμές για την αστική τηλεπισκόπηση

Οι δύο πρώτες η σύνδεση δισδιάστατων και τρισδιάστατων κατατμήσεων και η ολοκλήρωση στοιχείων ποικίλης θεώρησης είναι συνήθως τεχνικές προκλήσεις, ενώ η τρίτη είναι η περιβαλλοντική τηλεπισκόπηση

Σύνδεση δισδιάστατης και τρισδιάστατης κατάτμησης

Η σύγχρονη χρήση 2D και των 3D στοιχείων δεν έχουν εφαρμοστεί ευρέως στις εσωτερικές αστικές περιοχές, λόγω της πολυπλοκότητας. Το οδικό δίκτυο, που εξάγεται με τη σύνδεση των αρχικών γραμμικών στοιχείων σε ένα αρχικό δίκτυο της δισδιάστατης εικόνας, διορθώνεται στη συνέχεια με τη σύγκριση της τρισδιάστατης θέσης κάθε διασταύρωσης, φανερώνοντας τις ασυνέπειες του προηγούμενου βήματος επεξεργασίας.

Ολοκλήρωση δεδομένων πολλαπλής θεώρησης

Μπορεί να είναι χρήσιμο στο συνδυασμό οδικών δικτύων που εξάγονται στη ίδια εικόνα με τη βοήθεια των διαφορετικών ανιχνευτών οδών. Μια αποδοτική στρατηγική εξαγωγής οδικών δικτύων πρέπει να βασιστεί στις τεχνικές σύνθεσης στοιχείων, σε διαφορετικά επίπεδα. Στην πραγματικότητα, η σύντηξη στοιχείων σε επίπεδο φατνίου χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση ή τη διάκριση οδών/μη-οδών. Αφ' ετέρου, η τήξη στοιχείων σε επίπεδο χαρακτηριστικών επιλέγεται μόνο όπου είναι διαθέσιμοι αποδοτικοί αλγόριθμοι οδικής εξαγωγής.

Περιβαλλοντική αστική τηλεπισκόπηση

Ενώ ο περιβαλλοντικός χαρακτηρισμός απαιτεί έναν μεγάλο αριθμό εισαγωγών που προέρχονται κυρίως από τις άμεσες μετρήσεις, υπάρχουν διάφορες καταστάσεις όπου οι αισθητήρες της τηλεπισκόπησης μπορούν να είναι χρήσιμοι. Μερικές φορές αυτοί οι αισθητήρες παρέχουν τις πληροφορίες που είναι σύνθετες ή ακόμα και αδύνατες να εξαχθούν από μια κανονική επιτόπια ανάλυση. Υπάρχουν μερικοί περιβαλλοντικοί παράγοντες κινδύνου ή ποιοτικοί δείκτες στις αστικές περιοχές που μπορούν να εξαχθούν από τα δορυφορικά στοιχεία τηλεπισκόπησης

Ειδικότερα, οι διαδικασίες ελέγχου αστικής καθίζησης, όπως στην τεχνική PS, βοηθούν στη βελτίωση του χαρακτηρισμού του εδάφους και των μετακινήσεων των χτισμάτων μέσα στο αστικό περιβάλλον Επιπλέον, ο συνδυασμός των στοιχείων καθίζησης με τα διαφορετικά στρώματα πληροφοριών μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό των κτηρίων που έχουν επηρεαστεί από την παραμόρφωση, ή να συσχετίσει την εδαφολογική σύνθεση με τα φαινόμενα καθίζησης. Μια διαφορετική πρόκληση είναι αυτή της ανάπτυξης των τεχνικών για να ποσοτικοποιηθεί η ατμοσφαιρική ρύπανση μέσα στις αστικές περιοχές χρησιμοποιώντας για παράδειγμα υπέρυθρη τομογραφία και να συγκριθούν με άλλες μετρήσεις τηλεπισκόπησης, δηλαδή θερμικές υπέρυθρες ακτινοβολίες LANDSAT.