بخشی از مقاله
چکیده
فنآوري سنجش از دور فراطیفی، در دو دهه گذشته پیشرفت چشمگیري داشته است. این پیشرفت در طراحی و ساخت سنجندهها و همچنین در توسعه و پیادهسازي روشهاي پردازش دادهها، بسیار مشهود بوده است. یکی از آنالیزهایی که بر روي تصاویر فراطیفی انجام میشود، آشکارسازي هدف است. نقشه برداري مواد را می توان به صورت آشکارسازي چند مرحله اي در نظر گرفت. در میان روشهاي مختلف آشکارسازي اهداف یکی از پرکاربردترین روشها اندازهگیري تشابه بوده که خود به دو صورت اندازهگیري قطعی و آماري انجام میشود.
در این مقاله اندازه گیريهاي قطعی مانند فاصله طیفی، زاویه طیفی، وابستگی طیفی و مقدار تشابه طیفی براي اندازهگیري تشابه مورد بررسی قرار گرفتهاند. به موازات این روشها از روش دیگري نیز تحت عنوان کمینه سازي مقید انرژي استفاده شده است. تکنیک هاي فوق بر روي یک سري از داده-هاي تصویري سنجنده - Compact Airborne Spectrographic Imager - CASI که از منطقه شهري تولوز واقع در جنوب فرانسه برداشت شده است، اعمال شدند. این مقاله یک نمونه از بکارگیري دادههاي فراطیفی در کاربردهاي عمرانی و شهري را تشریح مینماید. نتایج به کارگیري روشهاي غیر کلاسیک در استخراج اطلاعات موردنیاز از این نوع دادهها، موفقیت نسبی را نشان میدهد که معمولا از بکارگیري روشهاي کلاسیک بر روي این دادهها حاصل نمیشود.
-1 مقدمه
سال هاست که متخصصان مختلف علوم زمین و برنامهریزي جهت مدیریت و بهرهبرداري بهینه از منابع محدود این کره خاکی، اقدام به مدلسازي هاي مختلف کرده اند. یکی از عوامل بسیار موثر در این امر جمع آوري دادههایی است که مدلسازي بر اساس آن انجام میشود. هر چه این دادهها به واقعیت نزدیکتر باشند مدل برآورد شده واقعگراتر و جامعتر خواهد بود. ابزارهاي مختلفی تاکنون جهت جمع آوري دادههاي موردنیاز این مدلسازيها ابداع و به کار رفته است. روش هایی چون نقشه برداري، فتوگرامتري، هیدروگرافی، مطالعات میدانی جغرافیایی و زمین شناسی، تفسیر عکسهاي هوایی و سرانجام ابزار قدرتمند سنجش از دور از این قبیل هستند. سنجش از دور را شاید بتوان یکی از کاربردهاي صلح آمیز و عمرانی از فضا و از مهمترین ابزارهایی دانست که تاکنون جهت جمع آوري دادههاي زمینی به کار رفته است.
از سه دهه گذشته تاکنون و با پرتاب ماهوارههاي مشاهده زمین، منبع بسیار مناسبی براي جمعآوري این نوع دادهها در دسترس محققین قرار گرفت. به تدریج با پیشرفت موازي در صنایع اپتوالکترونیک و انفورماتیک دنیاي سنجش از دور بسیار متحول شد. به طور ویژه، پیشرفت در فن آوري فیزیک حالت جامد که منجر به تولید سی سی دي ها - CCD - و سلول هاي حساس نوري شد، از یک طرف و از طرف دیگر پیشرفتهاي سخت افزاري و نرم افزاري، منجر به گسترش سیستمهاي جمع آوري، تجزیه و تحلیل داده هاي سنجش از دور شده است. سنجش از دور فراطیفی - Hyperspectral Remote Sensing - یا تصویربرداري طیفنگاري - Imaging - Spectrometry به طور ویژه جمع آوري، بکارگیري و تحلیل دادههایی است که تاکید بیشتري بر روي قدرت تفکیک طیفی دارد.[1]
یکی از کاربردهایی که در مقایسه با تصاویر چندطیفی از تازگی ویژهاي برخوردار است، کاربردهاي عمرانی و مطالعه مناطق شهري و نیمه شهري توسط این دادهها و روشهاست. از آنجائیکه یک محیط شهري داراي ویژگیهاي پیچیدهاي از نظر فیزیکی، هندسی و عناصر به کار گرفته شده در ساختمانهاست[3]، دادههاي فراطیفی کمک شایانی به شناسایی، استخراج و تولید نقشه از عناصر سازنده یک محیط شهري می کنند. معمولا داده هاي چندطیفی چنین قابلیتی را ندارند یا نتایج داراي دقت قابل مقایسهاي نیست. شناسایی مواد ساختمانها در محیطهاي شهري، اهمیت زیادي در کاربردهاي مختلف چون ارتباطات تلفنهاي همراه، واقعیت مجازي، معماري و مدلسازي شهري، برنامه ریزي و مدیریت شهرها دارد.
یکی از عوامل مهم در مدل سازي یک منطقه شهري یا طبیعی، دادههاي مورد نیاز مدل سازي است. در هر مدل سازي، دادههاي هندسی و دادههاي توصیفی همچون اطلاعات مربوط به پوشش زمین و نوع مواد از ضروریات هستند. دادههاي هندسی در محیطهاي شهري معمولا از به کارگیري روشهایی چون فتوگرامتري، اینترفرومتري رادار و یا سیستم هاي لیدار براي تولید مدل هاي رقومی ارتفاع حاصل میشوند. دادههاي توصیفی نیز معمولا با توجه به مزایا و هزینه هاي اقتصادي روشهاي سنجش از دور از این طریق تولید می گردند.
-2 نقشه برداري مواد1
تکنیکهاي پردازش تصویر بر مبناي خصوصیات مکانی قادر نیستند اطلاعات موجود در تصویر فراطیفی را استخراج کنند، از این رو نوع دیگري از تکنیک ها که در پردازش سیگنال مورد استفاده قرار می گیرد در آنالیز تصاویر فراطیفی استفاده می شود. در آنالیز تصاویر فراطیفی به دستهاي از تکنیکها که به طور ویژه از اطلاعات طیفی استفاده میکنند نقشه برداري مواد گفته می شود که در حقیقت نوعی طبقهبندي تصاویر و تولید نقشه هاي پوشش زمین هستند.[5] روشهایی که در پردازش این نوع داده ها استفاده می شوند، همگی جزء گروه هاي مختلف روشهاي شناسایی الگو قرار می گیرند. بر این اساس و با توجه به سطح دانش به کار رفته، به روشهایی چون کشف، طبقه بندي، شناسایی و تفکیک اشیاء می توان اشاره کرد.
براي هر کدام از این سطوح راهکارهاي مختلفی از قبیل روشهاي آماري، هندسی و غیره مورد مطالعه محققین قرار گرفته است. در این میان روش هاي آماري با توجه به نیاز به اطلاعات مقدماتی از اشیاء مورد شناسایی و مسئله تعداد ابعاد داده هاي فراطیفی، پیچیدگی و دشواري خاصی در اجرا و پردازش داده ها ایجاد می کنند. لذا روشهاي دیگري که از سادگی و سرعت در تجزیه و تحلیل این نوع داده ها برخوردارند، مورد استقبال قرار گرفته است، به طور نمونه میتوان به روش همیابی طیفی - Spectral Matching - اشاره کرد.[7] مزیت این روش، نیاز به حداقل اطلاعات از شیء یا کلاس مورد شناسایی است. این اطلاعات میتواند به یک عامل منفرد به نمایندگی از یک کلاس، مثلا میانگین داده ها خلاصه شود.این مسئله هنگامی که با حجم زیادي از داده ها سروکار داریم بسیار با اهمیت است.
-3 همیابی طیفی
ایده اصلی در این روش، تعریف یک معیار شباهت بین بردار الگو یا مرجع، معرف شیء مورد شناسایی و تک تک پیکسلهاي تصویر است. بردار مرجع را میتوان از کتابخانه هاي طیفی مواد و اشیاء زمینی یا با نمونه برداري و تفسیر مستقیم تصاویر انتخاب کرد. تا به امروز در تحلیل داده هاي فراطیفی، دو خانواده از معیارها مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته اند[7]، معیارهاي آماري و معیارهاي قطعی. در این مقاله، چهار نوع مختلف از معیارهاي قطعی شامل زاویه طیفی، همبستگی طیفی، فاصله اقلیدسی طیفی و مقدار تشابه طیفی مورد بررسی قرار گرفته است، به موازات از روشی پیشرفته تر به نام کمینه سازي مقید انرژي استفاده شده است. علت انتخاب این گروه از معیارها به چند دلیل بوده است؛ اولا و همانطور که ذکر شد، این روشها به کمترین اطلاعات پیرامون هدف مورد شناسایی نیاز دارند.
ثانیا، این روشها را به راحتی می توان با پیاده سازي شناسایی چندمرحله اي، جهت کاربرد نقشه برداري مواد به کار برد. ثالثا، پس از ارزیابیهاي اولیه روي داده ها در مناطق شهري و به خصوص روي ساختمانهایی که داراي بام هاي شیروانی هستند - این قبیل ساختمانها و بام ها در اکثر مناطق پرباران مانند شمال ایران متداول است - ، مشاهده شد که بین پرتوهاي بازتابی از دو سمت بام یک ساختمان که داراي یکنواختی در بافت و مواد هستند، اختلاف قابل تاملی وجود دارد، این اختلاف تا حدي است که روشهاي آماري کلاسیک کشف هدف و طبقه بندي را با مشکل مواجه می سازد. برخلاف این اختلاف، همبستگی خطی نسبتا زیادي بین دو بردار مربوط به دو سمت یک بام وجود دارد. لذا معیارهایی که به نوعی خطی هستند، می توانند اثر تغییرات توپوگرافی بر پرتوهاي بازتابی را تا حدود نسبتا خوبی حذف کنند.
-1-3 اندازه گیري مبتنی بر فاصله - DBM2 -
فاصله بین امضاهاي طیفی مربوط به دو بردار پیکسل، می تواند به شکل فاصله اقلیدسی - ED - در آنالیزهاي واقعی بدست آید. فاصله اقلیدسی داراي مقادیر کمینه اي برابر صفر هستند. این بدین معنی است که اگر فاصله طیفی بین پیکسل هدف و پیکسل مجهول برابر یا نزدیک به صفر باشد، می توان این پیکسل را به عنوان هدف مورد جستجو، شناسایی نمود.
