بخشی از مقاله
بررسی قابلیت تصاویر UltraCam-D در تشخیص گونههاي درختی به روش شیء-پایه در جنگلکاري
همسال آمیخته
چکیده
نکته مهم در بهرهگیري از تمام قابلیتهاي تصاویر هوایی رقومی در جنگلداري، اجراي روش بهینـه طبقـهبنـدي و اسـتخراج اطلاعات مفید است. در این راستا، روش طبقهبندي شیء-پایه، تغییرات طیفی درونطبقـهاي ناشـی از بافـت تـاج درختـان، فاصله بین تاجها و سایه را کاهش میدهد و با ایجاد قطعات همگن، امکان لحاظ کردن همزمان ویژگیهاي طیفی و هندسی را در طبقهبندي فراهم میآورد. هدف این تحقیق بررسی امکان تشخیص گونههاي درختی اصلی و تهیه نقشه آنها با استفاده از تصاویر هوایی رقومی UltraCam-D بهروش شیء-پایه در منطقه جنگلکاري شده اسـت. پـس از پـردازش اولیـه تـصاویر، مقادیر مختلف مشخصههاي قطعهبندي بر روي تصویر اجرا شد و بعد از انتخاب بهترین حالت، قطعهبندي بر اساس معیارهاي موجود، در دو سطح انجام گرفت. طبقات مورد نظر نیز متناسب با این سطوح، بهصـورت سلـسلهمراتبـی تعریـف و بـهکمـک توصیفگرهاي مناسب، تشریح شدند. پس از انتخاب نمونههاي تعلیمی، طبقهبندي بهروش نزدیکترین همسایه انجام گرفت و نتیجه آن با نقشه واقعیت زمینی که بهروش میدانی تهیه شده بود، مقایسه و صحت آن ارزیابی شد. صحت کلـی و ضـریب کاپاي بهدستآمده، بهترتیب 90 درصد و 0/82 است. براي ارزیابی بهتر روش و دادههاي مذکور بایـد تحقیقـات مـشابهی در ساختارهاي متفاوتی از جنگل انجام گیرد. همچنین استفاده از دادههاي ارتفـاعی مناسـب و دقیـق ماننـد LiDAR، DSM و DTM، در تجزیه و تحلیل این دادهها بسیار کمککننده، مفید و اغلب، ضروري است.
واژههاي کلیدي: UltraCam-D، طبقهبندي شیء-پایه، تشخیص گونههاي درختی، جنگلکاري همسال آمیخته، قطعهبندي
سلسله مراتبی .
مقدمه و هدف
امروزه سنجش از دور، جایگاه ویژهاي در جنگلـداري دارد و از کارامــدترین و مناســبتــرین ابزارهــا بــراي تولیــد و بهنگامسازي اطلاعات جنگل محسوب میشود. در دهههاي اخیر، روند جایگزینی دوربینهاي سنتی بـر پایـه فـیلم، بـا دوربینهاي رقومی و چندطیفی و تمایل به تصویربرداري و پردازشهاي رقومی شـتاب بیـشتري گرفتـه و بـا ظهـور و گــسترش ســنجندههــاي رقــومی هــوایی ماننــد ATM1,ADS240, HRSC3, DiMAC4, JAS5, DMC6 وUltraCam، فصل جدیدي در تهیـه نقـشههـاي موضـوعی بزرگ مقیاس آغاز شده اسـت .(Leberl & Gruber, 2005)
در میان تحقیقاتی که به استخراج اطلاعات کمـی و کیفـی جنگل بر اساس تصاویر رقومی هوایی پرداختهاند، مـیتـوان بـه پـژوهشهـاي سـهرابی، 1388؛ Millette & Hyward,2004; Naesset & Gobakken, 2005; Baltsavias et al., 2007; Chang et al., 2008; Ozdemir et al., 2008; Bohlin et al., 2007 ; Hirschmugl et al., 2007 ; Wang اشاره کرد.
نکته مهم در این زمینه، اجراي روش بهینـه طبقـهبنـدي و استخراج اطلاعات مفید از این دادههـاي بـا تـوان تفکیـک مکانی زیاد7 است. همیشه با افزایش تـوان تفکیـک مکـانی تصاویر، نتیجه طبقهبندي بهتر نمیشود، چـرا کـه کـاهش اندازه پیکسلها، موجب تغییـرات شـدید درونطبقـهاي8 و کاهش صحت طبقهبندي در روشهاي سنتی پیکسلپایـه9 میشود .(Schiewe, 2002) با افزایش توان تفکیک مکـانی، تفاوت طیفی پیکسلهاي داخل هر طبقه بیشتر مـیشـود، تفکیکپذیري طبقات کاهش مییابد و در نتایج طبقهبندي بهدلیل اینکه تکپیکسلهاي طبقهبنديشده با پیکسلهاي مجاور خود تفاوت دارند، حالت فلفل-نمکی10 ظاهر میشود .(Yu et al., 2006) از سوي دیگر در این نـوع تـصاویر کـه اندازة پیکسلها از بسیاري از پدیدههـا کوچـکتـر اسـت و امکان بهدست آوردن اطلاعات ترکیبی11 از آنها وجود دارد، روش شیء-پایه12 از نظر تئوري و عملی منطقـیتـر اسـت .(Baatz & Schape , 1999) این روش بـهویـژه در جنگـل، تغییرات طیفی منطقهاي ناشی از بافت تاج درختان، فاصـله بین تاجها13 و سایه را کاهش میدهـد و بـا ایجـاد قطعـات همگن14، امکان لحاظ کردن همزمان ویژگیهـاي طیفـی و هندسی (مانند شکل، انـدازه و بافـت(15 را در طبقـهبنـدي فراهم میآورد
فرزانه (1385) تهیه ایـن دادههـا را از جنگـلهـاي شـمال اعلام کرده و به معرفی آنها پرداخته اسـت. تنهـا انجـام دو پژوهش با استفاده از تصاویر UltraCam-D در جنگلهـاي ایران گـزارش شـده اسـت. سـهرابی (1388) قابلیـت ایـن دادهها را براي برآورد مشخـصههـاي کمـی جنگـل آزمـون کرده است. رفیعیان و همکاران (1388) به بررسی کیفـی و قابلیتهاي این داده از جنگلهاي شـمال اقـدام کـردهانـد. روش شیء-پایه نیز بهندرت در ایران اسـتفاده شـده اسـت.
شتایی (1382) قابلیت این روش را در مقایسه با روشهاي متداول پیکسلپایه و بـر اسـاس دادههـاي در یـک منطقـه جنگلـی بررسـی کـرده اسـت. فیـضیزاده (1386) نیز این روش را براي بررسیهاي شهري و کاربري اراضی بـهکـار بـرده اسـت. تـاکنون ایـن تـصاویر بـه روش شیء-پایه در جنگلهاي شمال ایران، تجزیه و تحلیل نشده است. این پژوهش در یک جنگلکاري آمیختـه پهـنبـرگ و سوزنیبرگ در شمال ایران انجام شده اسـت. هـدف از ایـن تحقیق بررسی امکان تشخیص گونههـاي درختـی اصـلی و تهیه نقشه آنها به روش شیء-پایه است. - منطقه تحقیق منطقه چمستان در جنوب دریاي خزر و شهرستان نـور در استان مازندران قرار گرفته است. ایـن منطقـه در محـدودة جنگلهاي جلگهاي منطقـه رویـشی هیرکـانی واقـع شـده (شکل-1الف) و بهدلیل تخریب در گذشـته، بخـشهـایی از این تودة جنگلی یکآشکوبه و تقریباً همسال بوده و بیـشتر آن با گونههاي پهنبـرگ و سـوزنیبـرگ جنگلکـاري شـده شامل دو گونـه Quercus castanifolia و Pinus teada بـا است. این منطقه مسطح بـوده و ارتفـاع آن از سـطح دریـا آمیختگی بـهصـورت گروهـی، بـههمـراه تـکپایـههـایی از حدود 200 متر اسـت. تحقیـق حاضـر در محـدودهاي 1/5 گونـــه arizonica Cuppresus و بوتـــههـــاي متـــراکم هکتاري از این جنگلهاي دستکاشت بیـست سـاله انجـام Rubus idaeus است. گرفت (شکل .(1
مواد و روشها
ارتفاع پرواز 330 و 1400 متر، اندازة تفکیک در ایـن بانـد - دادهها بهترتیب برابر با 3 و 12/5 سانتیمتر خواهـد بـود ( فرزانـه، در ایــن تحقیــق از تــصاویر دوربــین هــوایی دیجیتــال 1385؛ .(Leberl & Gruber, 2005 UltraCam-D استفاده شد. این دوربین، تصاویر چندطیفی تصویر بهکار رفته در این تحقیق، در چهـار بانـد طیفـی بـا در محدودههـاي طیفـی آبـی، سـبز، قرمـز و مـادون قرمـز تـوان تفکیـک رادیـومتري 16 بیـت در 26 مهـر 1387 در نزدیـــک در ابعـــاد 4008 × 2672 پیکـــسل و تـــصویر ســطح تــصحیحات 3 و بــهصــورت ادغــامشــده بــا بانــد پانکروماتیک در ابعاد 11500 × 7500 پیکـسل را بـهطـور پانکروماتیک1 بود. هر فریم، با اندازة پیکسل 7 سانتیمتري، همزمان تولید میکند. اندازة فیزیکی پیکسل، 9 میکرون در منطقــهاي بــهابعــاد 600×300 متــر را پوشــش مــیدهــد باند پانکروماتیک است که به تـوان تفکیـک زمینـی بـسیار (شکل-1ب). منطقـه تحقیقـی، پنجـرهاي بـهابعـاد × 100 زیاد و متناسب با ارتفاع پرواز منجر میشود. براي مثـال در 150 متـر 2142×1428) پیکـسل) از فـریم مـذکور اسـت (شکل-1ج).
- پیشپردازش تصویر دادههاي تصویري این دوربین، قابلیت زمـین مرجـع شـدن مستقیم با استفاده از دادههاي GPS وIMU1 پرواز را دارند
(معصومی، .(1385 بـهعبـارت دیگـر، پـارامترهـاي توجیـه خارجی(X, Y, Z, ω, φ, κ) 2 هنگام پرواز ثبت میشود و با در اختیار داشتن دادههاي تجهیزات نامبرده و بدون نیاز به نقطه کنترل زمینی، میتوان عملیات مثلثبندي3 را انجـام داد. بهمنظور تـصحیح هندسـی دقیـقتـر تـصاویر در ایـن تحقیق، علاوه بر دادههاي پروازي، از نقـاط کنتـرل زمینـی برداشتشده توسط DGPS4 نیـز اسـتفاده شـد. عـلاوه بـر باندهاي طیفی اصلی، تصاویر پـردازششـده ماننـد NDVI، HIS5 و PCA ایجاد و در فرایند قطعهبندي6 و طبقـهبنـدي بهکار رفت.
- قطعهبندي قطعهبندي نوعی فرایند یکپارچهسازي پیکسلهـا بـر اسـاس همگنی قطعات یا پدیدههاي تصویري7 است و بهکمـک سـه مشخصه رنگ/ شکل، فشردگی/ همواري8 و مقیاس9 کنتـرل میشـود .(Benz et al., 2004) "رنـگ" بـهویـژه در تـصاویر چندطیفی و تصاویري با توان رادیومتري زیاد، اهمیت زیادي دارد. در تـصاویر پانکروماتیـک، نقـش "رنـگ" انـدك اسـت.
"شکل" در تصاویر داراي بافت قوي10، نقش مؤثري در بهبود نتیجـه قطعـهبنـدي دارد و بـهکمـک مشخـصه "فـشردگی/ همـواري" کنتـرل مـیشـود .(Definiense AG (a), 2006)
در چنین دادههایی، مشخصه "شکل" مـیتوانـد بـه حفـظ لبههاي هموار و شکل فشرده کمـک کنـد. از نظـر کیفـی، چنــین قطعــاتی بهتــر و مفیــدتر از قطعــات نــامنظم و شاخهدارند .(Baatz & Schape , 1999) هر چند که تـصویر مورد استفاده از توان تفکیک مکانی بسیار زیادي برخـوردار بود، اما کیفیت رادیومتري بسیار خـوب و اطلاعـات طیفـی ارزشمند آن موجب شد وزن کمتري به "شکل" داده شود.
همچنین بر خلاف نقشههاي کاربري اراضی که مجموعـهاي از پدیدههاي متنوعاند، در این تحقیق همه پدیدههاي مورد طبقهبندي، از یک نـوع (درخـت) هـستند. از سـوي دیگـر درهمتنیدگی و اختلاف ارتفاع تاج درختان، وجود سـایه در بخشی از تاج و فاصله از مرکز فریم موجب شـد کـه شـکل تاج درختان از قاعدة خاصی پیروي نکند و تـاج یـک گونـه خاص، در شکلهـاي متنـوعی ظـاهر شـود، بنـابراین دادن اهمیت زیاد به مشخصه "شکل" منطقی بهنظر نمیرسد.
"مشخصه مقیاس" حـداکثر نـاهمگنی ممکـن را بـراي هـر قطعه تعیین میکند و با تغییر آن میتوان اندازة قطعـات را تغییر داد. در قطعهبندي تصویر که پایه و اساس طبقهبندي شیء- پایه محسوب میشود، دسـتیابی بـه انـدازة مناسـب قطعات بسیار مهم است. اصل کلی در این زمینه این اسـت که قطعات باید تا حد امکان بـزرگ باشـد و در عـین حـال مناطق متفـاوت را از هـم تفکیـک کنـد. بـهعبـارت دیگـر، قطعات باید در داخل خود همگن و تنها نمایندة یک طبقـه باشند نه ترکیبـی از چنـد طبقـه و در عـین حـال در کـل تصویر، ناهمگنی و اختلاف بین پدیـدههـاي مجـاور وجـود داشــته باشــد .(Definiense AG (b), 2006) ایجــاد سلسلهمراتب در قطعهبندي11 بـهوسـیله مشخـصه مقیـاس امکانپذیر است که در آن سطوح مختلفی از قطعات ایجـاد میشود. در این سلسلهمراتب، قطعات کوچکتـر12 همـواره محاط در قطعات سطوح بالاتر13 هستند. بر ایـن اسـاس در این منطقه، یک قطعهبندي براي تفکیـک طبقـات کلـیتـر (والد(14 و یک قطعهبندي فرعی براي طبقـهبنـدي طبقـات جزییتر (وارث(15 اجرا شد (شکل.(2 با مدنظر قرار دادن مـوارد ذکـرشـده، حالـتهـاي مختلـف قطعهبنـدي (ترکیـبهـاي بانـدي مختلـف، ضـرایب وزنـی متفاوت باندها و مشخصههاي مختلف قطعهبندي) با آگاهی لازم و بـهصـورت هدفمنـد، آزمـون شـدند. مطلـوبتـرین باندهاي اصلی، تصاویر پـردازششـدة NDVI و Saturation قطعهبندي بـا مقـادیر مشخـصههـاي منـدرج در جـدول 1 که بهویژه براي تفکیک پهنبرگان از سوزنیبرگـان مناسـب بهدست آمد که در آن بیشتر قطعات همگن و تنها نماینـدة بودند، با ضریب وزنی 2 در قطعهبندي شرکت داده شدند. تاج یـک طبقـه خـاص بودنـد. در ایـن تحقیـق، عـلاوه بـر خشکهدار و سایه کامل بود. در این سطح، چـون بخـشی از چنانچه در بخش قبلی بیان شد، قطعهبندي در دو
- تعریف طبقات
سطح انجام تاج برخی گونهها (QU, RU, PI) بهدلیل قرارگیري در نـور گرفت: به این ترتیب کـه یـک شـبکه سلـسلهمراتـب وراثتـی مستقیم خورشید، بسیار روشن و بخش دیگـر تحـت تـأثیر طبقات1 ایجاد شد که در سطح بالاتر سه طبقه کلی (طبقـات ایه شاخههاي بالاتر، تیرهتر بود، هرکدام از این حالـتهـا والد) پهنبرگ، سوزنیبرگ و سایه کامل (در طبقـهبنـدي بـا بــهعنــوان طبقــه مجــزا تعریــف شــد (بــراي مثــال نامهاي: Hardwood، Softwood، (Deep shade تعریف شـد (QU in shadow, QU in full sun امـا در سلـسلهمراتـب (شکل-3ب) و طبقات جزییتـر گونـههـاي اصـلی و غالـب گروهی طبقات6 مجمـوع ایـن دو طبقـه، زیـر عنـوان کلـی منطقــه متــشکل از QU2, RU3 , PI4, CU5 و همچنــین همان درخت (QU) قرار گرفت (شکل-3ج) شکل-3 مراحل طبقهبندي و سلسلهمراتب متناظر هر طبقه: تصویر اصلی (الف)، نقشه طبقهبنديشده در سطح طبقات والد (ب)، نقشه طبقهبنديشده در سطح طبقات وارث (ج)، نقشه نهایی گونههاي غالب پس از یکپارچه کردن طبقات بر اساس سلسلهمراتب گروهی طبقات (د) و نقشه واقعیت زمینی (ه). - طبقهبندي شیء-پایه این نوع طبقهبندي بر مبناي قطعهبندي صورت مـیگیـرد. طبقات بر اساس یک سري توصیفگرها1 تشریح میشـوند. این توصیفگرها میتوانند بر مبناي ارزش طیفی (میانگین، انحراف معیار، نسبت، حداقل، حداکثر و...)، شکل (مساحت، محیط، طول، عرض، تقارن، راستا، تراکم، فشردگی، نرمـی، گردي و...) و بافت هر یک از قطعات در هر کدام از باندهاي ورودي باشند. همچنین براي توصیف یک طبقه میتـوان از ویژگی همراهی2 یعنی نحوة ارتباط بـا طبقـات یـا سـطوح دیگر استفاده کرد .(Definiense AG (a), 2006) ابتدا یک طبقهبندي بهروش نزدیکترین همسایه در سـطح طبقات وارث انجام گرفت. پـس از آزمـون توصـیفگرهـا و باندهاي مختلف و اصـلاح نمونـههـاي تعلیمـی، در نهایـت بهترین طبقـهبنـدي انتخـاب و نهـایی شـد. بـراي انتخـاب بهترین حالـت طبقـهبنـدي از معیـارهـایی چـون پایـداري طبقـهبنـدي3، تفکیـکپـذیري طبقـات4 و ارزیـابی صـحت طبقهبندي، بر مبناي نمونههاي تعلیمی و واقعیـت زمینـی استفاده شد. در ادامه و با این هدف که گونههاي پهنبـرگ (QU, RU) فقط در محدودة طبقه Hardwood و درختـان CU, PI تنهـا در محـدودة طبقـه Softwood طبقـهبنـدي شوند، همه قطعات متصل به هم این طبقات کلی، یکپارچه شده و دوباره بهعنوان قطعهبندي سطح بالاتر استفاده شـد.
سپس قطعهبندي مجدد با همان مشخصهها و دخالـت دادن قطعهبندي کلـی حاصـل از یکپارچـهسـازي یادشـده، انجـام گرفت و به این ترتیب یک قطعهبندي در سـطح پـایینتـري محاط در قطعهبندي طبقات والد ایجاد و آمادة طبقـهبنـدي قطعات جزیـیتـر شـد. بـراي تـشریح طبقـات وارث، شـرط عضویت در طبقه سطح بالاتر یا والـد، متنـاظر بـا هـر طبقـه اعمال شد.
- تهیه نقشه واقعیت زمینی و نمونههـاي تعلیمـی بـهروش میدانی براي ارزیابی صحت، نقشههاي طبقهبنديشـده بایـد بـا یـک نقشه واقعیت زمینی مقایسه شوند. بهاین منظور یـک نقـشه واقعیت زمینی نمونهاي بهروش میدانی تهیـه شـد. عملیـات میدانی در مهرماه 1388 با حضور در محل قطعه نمونههـایی که پیشتر روي تصویر مشخص شده بود، انجام گرفت. پس از یافتن مرکز قطعه نمونه با تطبیق تصویرنقـشه چـاپ شـده و استفاده از دستگاه گیرنـدة DGPS، قطـر و نـوع گونـه همـه درختان قطورتر از 15 سانتیمتـر در داخـل قطعـه نمونـهاي دایرهاي بهشعاع 30 متر (برابـر بـا 0/28 هکتـار و 18درصـد مساحت منطقه تحقیقاتی) ثبت شد. بـراي تعیـین موقعیـت تکتک درختان، ابتدا فاصله و آزیموت هر درخت بـهترتیـب بهوسیله متر لیزري و قطبنما اندازهگیري شد و بر اساس آن نقشه نقطهاي رقومی موقعیت درختان در قطعه نمونـه تهیـه شد. در مرحله بعد، تصویرنقـشه قطعـه نمونـه بـا اسـتفاده از تصویر UltraCam-D در مقیاس مناسب تولید و چاپ شـد و پس از حضور مجدد در عرصه، بـا تعیـین محـدودة تـاج هـر درخت و اصـلاح خطاهـا بـر روي آن در عرصـه، یـک نقـشه پلیگونی نوع درختان تهیه شد (شکل-3ه).
