آموزش تهیه نقشه ارتفاع ساختمان ها با تصاویر ماهواره ای

تأثیر فعالیت های انسانی بر زمین و خصوصا در مناطق شهری باعث شده است تا تغییرات محیطی در بسیاری از مناطق رخ دهد. در نتیجه، پدیده های محیطی با دگرگونی روبه رو شده است. جمعیت شهرها به صورت روز افزون در حال افزایش است. در حال حاضر، سه چهارم جمعیت ایران در شهرها زندگی می کنند و انتظار می ­رود که روند مهاجرت به شهرها بدون وقفه ادامه یابد. در حالی که شهرها فقط بخش کوچکی از سطح پوشش زمین را تشکیل می دهند، تأثیر آن­ها بسیار گسترده است.

به عنوان مثال، شهرها حدود ۸۰٪ کل انرژی را مصرف می­ کنند و ۷۵٪ انتشار کربن نیز مربوط به محیط های شهری است. از این رو درک فرایند­های مربوط به مناطق شهری و تاثیرات محیطی آن اهمیت دارد. اطلاع از ارتفاع ساختمان­ ها و ساختار مکانی­ آن­ها از جمله ویژگی ­های مهم در آنالیز محیط شهری است. بنابراین ساختار عمودی شهرها به عنوان یک پارامتر اصلی برای سیستم سازی شهری در ساختار چند بعدی شناخته شده است.

دولت ها، شهرداری ها و شرکت های محلی نیاز دارند تا مولفه ­های مختلف محیطی را در مناطق شهری ارزیابی کنند و برای کاهش اثر پدیده های مضر اقدام کنند. مولفه­ های مختلفی با ارتفاع ساختمان ­ها دارای رابطه هستند. به عنوان مثال، حجم سه بعدی ساختمان که شامل اطلاعات ارتفاع است شاخص مهمی برای تخمین مصرف انرژی است. همچنین اطلاعات ارتفاع محیط شهری در انتشار گازهای گلخانه ای، سطح رفاه انسان، اثرات جزیره حرارتی شهری و توزیع جمعیت موثر است. بحث توزیع جمعیت از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا دانش در مورد توزیع و تمرکز جمعیت می تواند به درک بهتر خطر شیوع بیماری های عفونی کمک کند.

با وجود اینکه، مناطق شهری و خصوصیات عمودی آن­­ها دارای تاثیرات متنوع و گسترده­ای بر محیط زیست هستند، هنوز اطلاعات مناسبی با وضوح مکانی بالا در دسترس قرار ندارد. اطلاعات نقشه شهرها به صورت دوبعدی توسط منابع مختلفی تولید شده است (از جمله نقشه تولیدی پوشش اراضی ۱۳ کلاسه ایران با رزولوشن ۱۰ متر)، اما هیچ کدام حاوی اطلاعات سه بعدی از قبیل ارتفاع ساختمان ها نیستند.

توضیحات آموزش

استفاده از تصاویر سنجنده ­های رایگان موجود در سطح جهان برای پردازش داده ها و تخمین ارتفاع ساختمان در مقیاس بزرگ و با وضوح مناسب ضروری است. در میان صدها ماهواره سنجش از دور، تنها تعداد کمی از سامانه ­ها این الزامات را برآورده می کنند. برنامه اروپایی کوپرنیکوس شامل ماهواره­ های سنتینل-۱ و سنتینل-۲ دارای پتانسیل بالایی برای تولید نقشه ارتفاع ساختمان هستند.

ماهواره راداری سنتینل-۱ (SAR) در تمام شرایط جوی، و ساعات شبانه روز قادر است داده­ هایی با رزولوشن مکانی ۱۰ متر فراهم کند. استفاده از داده سنتینل-۱ برای تخمین اطلاعات سه بعدی شهرها هنگام تولید نقشه ارتفاع ساختمان­ ها می­تواند مفید باشد. یعنی هر پیکسل می­تواند نشان دهنده­ یک ارتفاع متوسط ​​​​از ارتفاع ساختمان و سطوح اطراف باشد. این واقعیت به این نکته اشاره دارد که به طور کلی اندازه سیگنال سنتینل-۱ با ارتفاع ساختمان دارای همبستگی مثبت است.

رابطه بین سیگنال بازگشتی راداری و ارتفاع ساختمان، یک موضوع شناخته شده است. هدف ما کاهش اثر جهت ساختمان با استفاده از قطبش های مختلف تصویر برداری راداری در هر دو مدار راداری صعودی و نزولی است. سایر اثرات هندسی مانند طرح ها و سازه های شهری می­تواند باعث double-bouncing شوند و همچنین اثرات overlay نیز می­ تواند با افزایش تراکم ساختمان بر داده ­های راداری اثر بگذارد. در حالی که چنین اثرات هندسی تقریباً در داده های نوری به نظر نمی رسد و بر خلاف داده های رادار، تصاویر نوری نیز تحت تأثیر ساختارهای سطحی قرار نمی گیرند. همچنین پوشش ­های متراکم درختی می­ تواند بر پیش بینی ارتفاع ساختمان با داده های راداری تأثیر منفی بگذارد.

از سوی دیگر، تصاویر نوری سنجش از دور با وضوح متوسط برای استخراج اطلاعات ارتفاع سه بعدی ساختمان کافی نیست. بنابراین، به نظر می رسد افزودن اطلاعات از تصاویر نوری به تصاویر راداری این امکان را فراهم می­ کند که اطلاعات مبهم در سیگنال راداری را تکمیل کند و ارتباط سیگنال با ارتفاع ساختمان را بهبود بخشد. ماموریت ماهواره سنتینل-۲ مشاهدات نوری چند طیفی در ۱۳ طول موج با رزولوشن مکانی ۱۰ تا ۶۰ را فراهم می­ کند.

بنابراین، تلفیق داده­ های چند زمانی راداری و چند طیفی می­ توانند به خوبی مکمل باشند. در این پژوهش، هدف ما ایجاد یک روش برای تخمین ارتفاع ساختمان از تصاویر رایگان ماهواره ای با استفاده از روش­ های یادگیری ماشین است. ما یک نقشه ارتفاع ساختمان برای با رزولوشن مکانی ۱۰ متر تولید کردیم.

برای این منظور، ما از سری های زمانی ماهواره­ های راداری سنتینل-۱ و چند طیفی سنتینل-۲ استفاده می کنیم و از داده های آموزش و تست بسیار دقیق از مناطق مورد مطالعه استفاده می­کنیم. در نتیجه، نقشه ارتفاع ساختمان در شهرهای ایران را تولید شد.

به طور کلی، نتایج حاصل از مدل ما نشان دهنده­ یک همبستگی مثبت بین ارتفاع ساختمان در نقشه پیشنهادی و مراجع بررسی زمینی است.

اپلیکیشن گوگل ارث انجین (GEE App) از طریق لینک زیر قابل دسترسی است.

https://temporary.users.earthengine.app/view/height2iran

در شکل ­های زیر به ترتیب، نقشه ارتفاع ساختمان ها در بابل، تهران، اصفهان و تبریز نشان داده شده است.

شکل ۱: نقشه ارتفاع ساختمان ها در بابل

شکل ۲: نقشه ارتفاع ساختمان ها در تهران