مطالب تخصصی

سنجش از دور چند وجهی – بخش اول

نوشته شده توسط Amirhossein.Ahrari@Gmail.com

توسعه سنجنده های کاربردی در سنجش از دور منجر به تولید داده هایی با ماهیت ها و قابلیت های گوناگون شده است. به عنوان مثال برای یک منطقه امکان دسترسی به داده های چندطیفی، ابرطیفی، راداری و …. فراهم است. هریک از داده های مذکور از قابلیت هاو محدودیت هایی برخوردار هستند. استفاده ترکیبی از این داده ها امکان افزایش دقت مطالعات و کاهش عدم قطعیت را به همراه خواهد داشت. در همین راستا الگوریتم ها و روش علمی که امکان ترکیب این داده ها را فراهم می آورند از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند. در این مقاله آموزشی عموم روش های کاربردی در استفاده ترکیبی از داده ها مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.

در میان تمامی محصولاتی که از تصاویر ماهواره ای استخراج میشود، نقشه های موضوعی از موقعیت ویژه و پرکاربردی در مقایسه با سایر محصولات برخوردارند. طبقه بندی تصاویر و تولید نقشه های موضوعی نیز دارای چالش هایی است. عموم این چالش ها ناشی از ناهمگونی و پویایی منطقه مورد مطالعه است. تصویربرداری پیوسته سنجنده های سنجش از دوری امکان بروز رسانی نقشه های تولید شده با استفاده از تصاویر چند زمانه را فراهم کرده است. در مطالعاتی که نیاز به داده های چند زمانه است، انطباق داده ها از لحاظ رادیومتریکی و هندسی بسیار حائز اهمیت است. چرا که سنجنده های کاربردی در مطالعات چند زمانه از لحاظ مشخصات و قابلیت های فنی از تفاوت هایی برخوردار هستند.

امروزه با گسترش سنجنده ها و تنوع داده های کاربردی در این رابطه، اهمیت استفاده از تکنیک های علمی چون تلفیق داده های ماهواره ای بیش از گذشته اهمیت پیدا کرده است. در همین راستا همواره استفاده ترکیبی از داده های ماهواره ای به منظور افزایش دقت و کاهش میزان خطا توصیه شده است. به عنوان مثال یک سنجنده اطلاعات مکانی و دیگری اطلاعات طیفی بیشتری برخوردار است و استفاده ترکیبی آنها با استفاده از روش تلفیق تصاویر ماهواره ای امکان دسترسی به اطلاعات مکانی و طیفی کافی در آن واحد را به همراه خواهد داشت.

داده های ماهواره ای کاربردی در مطالعات علوم زمین روز به روز در حال توسعه است. به عنوان مثال ماهواره های سری لندست، مادیس، استر، و اخیرا سنتینل 1 و 2 امکان مطالعه جامع سیستم های مختلف سیاره زمین را با جزییات مکانی و طیفی بهینه فراهم آورده اند. جدیدترین سری از داده های ماهواره ای، ماهواره های سری سنتینل است که به تازگی ماموریت آن آغاز شده. مطالعات و تحقیقات نشان داده است که داده های سنتینل با توان تفکیک مکانی 10 متر و توان تفکیک زمانی 5 روزه امکان دسترسی به حجم عظیمی از داده های سنجش از دوری در دهه آینده در کنار داده های لندست و مادیس را فراهم خواهد آورد.


محصول آموزشی نقشه کاربری اراضی با استفاده از داده های سنتینل 2


توسعه عظیم داده های ماهواره ای در سنجش از دور باعث بروز دو مشکل مهم در آینده این علم خواهد شد:

1) حجم بسیار زیاد داده ها و سنگینی آنها که باعث کند شدن سرعت پردازش در سیستم های پردازنده میشود (افزایش هزینه زمانی)

2) الگوریتم های بهینه برای استفاده ترکیبی از این داده ها. به عنوان مثال الگوریتم های طبقه بندی به عنوان یکی از روش های استفاده ترکیبی از داده ها است. الگوریتم های طبقه بندی بهینه بایستی سریع، دقیق و قابل اطمینان باشند تا از این طریق امکان استخراج اطلاعات صحیح فراهم شود.

تلفیق تصاویر ماهواره ای به عنوان یکی از روش های مرسوم در رهیافت سنجش از دور چند وجهی است. در این رهیافت منظور از چند وجهی بودن داده ها، ویژگی های متفاوت هریک از آنها است. به عنوان مثال محدوده اپتیکال و مایکروویو از دو محدوده طیفی متفاوت هستند و در عین حال تصاویر بدست آمده از آنها نیز از تفاوت های قابل ملاحظه ای نسبت به یکدیگر برخوردارند. محدوده اپتیکال اطلاعاتی در ارتباط با ویژگی ها و ترکیبات شیمیایی پدیده ها در اختیار کاربران قرار میدهد اما این در حالی است که طیف مایکروویو اطلاعاتی در ارتباط با ترکیب و ساختار هندسی و فیزیکی پدیده ها را منتقل میکند.

سنجش از دور از آغاز تا کنون بیشتر مبتنی بر داده های محدوده اپتیکی طیف الکترومغناطیس بوده است

سنجش از دور از آغاز تا کنون بیشتر مبتنی بر داده های محدوده اپتیکی طیف الکترومغناطیس بوده است. بر همین اساس بیشتر باندهای بازتابی در محدوده مرئی و مادون قرمز و مادون قرمز حرارتی برای مطالعات مورد استفاده قرار میگرفتند. اما امروزه استفاده از داده های مایکروویو فعال و غیر فعال نیز بسیار گسترش یافته است. دو عامل به استفاده گسترده مخاطبان سنجش از دور از داده های مایکروویو موثر بوده است.

1) افزایش سنجنده های توان تفکیک مکانی بالا راداری

2) رایگان شدن بسیاری از داده های ماهواره ای راداری برای کاربران. در این میان نقش عامل دوم بسیار مهم تر و تاثیرگذار تر است.


محصول آموزشی پردازش داده های راداری سنتینل 1


شاید یکی از مهم ترین ابهامات بسیاری از کاربران سنجش از دور در ارتباط با رایگان بودن بسیاری از داده های ماهواره ای در این صنعت باشد. چرا که سازمان ناسا و سازمان فضایی اتحادیه اروپا، میلیون ها دلار صرف طراحی و ساخت ماهواره هایی چون لندست و سنتینل میکنند اما در نهایت این داده ها بصورت رایگان در اختیار کاربران قرار داده میشود. حتی در کشور ایالات متحده آمریکا، سیاست باز سازمان ناسا در این رابطه بسیار مورد نقد قرار گرفته است. اما در حقیقت رایگان شدن بسیاری از داده های ماهواره ای به هدف توسعه و پیشرفت علم صورت گرفته است. در سیاست دسترسی رایگان به داده های ماهواره ای، توسعه علم سنجش از دور نیز با سرعت بیشتری امکان پذیر خواهد بود.

در میان الگوریتم های کاربرد در استفاده ترکیبی داده های ماهواره ای، الگوریتم های طبقه بندی و تلفیق داده های ماهواره ای از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. در سطح طبقه بندی از داده های مختلف برای طبقه بندی پدیده ها بصورت تلفیقی استفاده میشود. به عنوان مثال استفاده از باندهای حرارتی در طبقه بندی به همراه باندهای بازتابی به افزایش دقت طبقه بندی محدوده های شهری کمک میکند. استفاده از باندهای مایکروویو در استخراج هرچه بهتری بیومس و همچنین رطوبت خاک تاثیر گذار است. در سطح طبقه بندی گاهی از داده ها بصورت ترکیبی استفاده میشود، گاهی نیز از الگوریتم ها. به عنوان مثال تلفیق روش های طبقه بندی امکان تولید نتایج بهتر و دقیق را به همراه دارد. در همین راستا کلاس های تولید شده از الگوریتم های گوناگون نیز میتوانند با یکدیگر تلفیق شوند تا از این طریق بتوان نسبت به تولید نقشه موضوعی دقیق تر پرداخت.

داده های مراجع مختلف

پیش تر به این نکته اشاره شد که سنجش از دور چند وجهی اشاره به داده های متنوع سنجنده ها با ماهیت های گوناگون دارد. این داده ها نسبت به یکدیگر از محدودیت ها و مزیت هایی برخوردار هستند اما با این حال مهم ترین ویژگی آنها مکمل بودنشان است. یکی از بهترین نمونه های این موضوع، در استفاده ترکیبی از داده های چند طیفی (سادگی در تفسیر و پردازش، حساس به ابر) و راداری (دشواری تفسیر و پردازش، غیر حساس نسبت به تغییرات جوی) میتوان مشاهده کرد. این دو نوع داده متفاوت در حیطه تولید نقشه های کاربری و پوشش اراضی بصورت کاملا کاربردی و موثری مکمل یکدیگر هستند و در نهایت دقت نقشه های تولید شده را افزایش میدهند. نتایج مطالعات و تقیقات نشان داده است که استفاده از این دو نوع داده ها بصورت ترکیبی، دقت استخراج کلاس ها را افزایش میدهد.


محصول آموزشی تلفیق تصاویر لندست و سنتینل 1


بنابراین چند وجهی بودن به معنای تحلیل یک منطقه از دیدهای گوناگونی است که بواسطه امواج الکترومغناطیسی بخش های مختلف طیف بدست آمده است. تلفیق داده های ماهواره ای و الگوریتم های مربوط به آن امروزه شرایط و امکانات لازم برای ترکیب این نوع داده ها بصورت مکمل را فراهم می آورد. برای تلفیق داده ها لازم است تا ابتدا آنها مورد پیش پردازش قرار بگیرند و خطاهاو نویزهای رادیومتریکی و هندسی در آنها تصحیح شود. مزیت تصحیح رادیومتریکی تصاویر پیش از انجام فرایند تلفیق آن است که وابستگی تصاویر به وضعیت های روشنایی متفاوت در زمان ها و شرایط توپوگرافیکی گوناگون را از بین میبرد. بر همین اساس پیش از انجام تلفیق تصاویر ماهواره ای لازم است تا بازتاب سطح بالای اتمسفر برای تصاویر ماهواره ای محاسبه شود. در صورتی که در فرایند تلفیق از باندهای حرارتی استفاده شود، لازم است تا دمای درخشندگی در آنها محاسبه گردد. مزیت محاسبه دمای درخشندگی در داده های حرارتی آن است که امکان تفسیر و تحلیل داده های حرارتی را به شکل هرچه بهتری فراهم می آورد. در استفاده از داده های راداری نیز نیاز است تا حتما. درصورتی که از داده های راداری در فرایند تلفیق تصاویر استفاد شود، پارامترهایی چون میزان بازپراکنش امواج مایکروویو و رفع خطای اسپکل ضروری است.  پس از تصحیحات رادیومتریکی، داده های مکمل مورد استفاده در فرایند تلفیق بایتی از لحاظ هندسی نیز نسبت به یکدیگر هم مرجع شوند. در همین راستا انجام فرایند کورجیستر سازی تصاویر لازم و ضروری است.

چند وجهی بودن به معنای تحلیل یک منطقه، از دیدهای گوناگونی است که بواسطه امواج الکترومغناطیسی، بخش های مختلف طیف بدست آمده است

محصول آموزش جامع پیش پردازش تصاویر ماهواره ای


رهیافت های کاربردی در تلفیق تصایر ماهواره ای

الگوریتم ها و روش های مختلفی در ارتباط با تلفیق تصاویر ماهواره ای در سنجش از دور ارائه شده است. هریک از این الگوریتم ها برای حل یک مشکل مهم طراحی و کاربردی شده اند. هریک از این الگوریتم ها برای کاربردها، داده ها و پردازش های مختلفی طراحی و آماده سازی شده اند.

  • تلفیق داده های ماهواره ای در سطح زیر پیکسل : داده های مکمل بر اساس اطلاعات موجود در زیر پیکسل ها با یکدیگر تلفیق میشوند.
  • تلفیق داده های ماهواره ای در سطح پیکسل : داده های مکمل بر اساس اطلاعات موجود در سطح پیکسل های متناظر با یکدیگر تلفیق میشوند.
  • تلفیق داده های ماهواره ای در سطح ویژگی : داده های مکمل بر اساس ویژگی های متناظر موجود در تصاویر ورودی با یکدیگر تلفیق میشوند.
  • تلفیق داده های ماهواره ای در سطح تصمیم گیری : خروجی های متناظر مکمل بدست آمده از الگوریتم های مختلف با یکدیگر تلفیق میشوند.

هریک از روش های مذکور برای کاربردها، داده ها و اهداف مختلف طراحی و کاربردی شده اند.


محصول آموزشی تلفیق تصاویر ماهواره ای در نرم افزار ENVI


شاخص های اعتبار سنجی نتایج تلفیق تصاویر

همانطور که پیش تر به آن اشاره شد، هریک از الگوریتم های تلفیق تصاویر ماهواره ای برای یک کاربرد خاص استفاده میشوند.

  • تفسیر بصری : در بسیاری از مطالعات و تحقیقات هدف از انجام فرایند تلفیق افزایش کیفیت بصری تصاویر ماهواره ای است. مزیت این امر  افزایش قابلیت تفسیر و تحلیل بصری است که در استخراج اطلاعات کیفی و مکانی اثر گذارخواهد بود.
  • طبقه بندی : در برخی از مطالعات و تحقیقات هدف از تلفیق افزایش دقت نقشه های طبقه بندی شده ذکر شده است. خصوصا در مناطقی که تفکیک طیفی پدیده ها با استفاده از یک محدوده طیفی خاص قابل انجام نیست.

محصول آموزشی تلفیق نتایج طبقه بندی با استفاده از الگوریتم تصمیم گیری درختی


کاربردهای تلفیق تصاویر تنها به این موارد محدود نیست بلکه در زمینه های متعدد دیگری نیز قابل استفاده است. با توجه نوع کاربرد تلفیق تصاویر، روش اعتبار سنجی نتایج بدست امده از آن نیز متفاوت است. به عنوان مثال برای اعتبار سنجی نتایج تلفیق تصاویر کاربردی در طبقه بندی با کاربرد تفسیر تصاویر کاملا متفاوت است.

تلفیق تصاویر ماهواره ای در سنجش از دور، عموما برای 4 هدف صورت میگیرد:

  • طبقه بندی داده ها : تولید نقشه های کاربری و پوشش اراضی
  • آشکارسازی : آشکارسازی تغییرات و سری های زمانی
  • بازیابی پارامترهای بیوژئو فیزیکی : مانند حرارت، رطوبت و کلروفیل
  • افزایش اطلاعات مکانی در دسترس : با استفاده از باند پانکروماتیک

در اعتبار سنجی نتیجه تلفیق در فرایند طبقه بندی، پارامترهایی چون F-Score، ضریب کاپا و دقت کلی Overall Accuracy حائز اهمیت است. رگرسیون تصاویر امکان برآورد همگونی مکانی، دقت و میزان خطای موجود در داده های ماهواره ای را فراهم میکند. در فرایند تلفیق با استفاده باند پانکروماتیک، پارامترهای آماری نقش بسیار مهمی در اعتبار سنجی داده ها ایفا میکنند. به عنوان مثال اختلاف شیب طیفی Spectral Angel Mapper به عنوان یکی از کاربردی ترین پارامترهای مورد استفاده در این زمینه است.


محصول جامع طبقه بندی و آشکارسازی تغییرات در ENVI


بخش دوم این مقاله بزودی منتشر خواهد شد . . .

دیدگاهتان را بنویسید