بخشی از مقاله
چکیده :
یکی از روشهای استخراج اطلاعات از دادههای ابرطیفی، روشهای کدگذاری است. این روشها میتوانند با در نظر گرفتن شکل و رفتار طیف بازتابندگی و مشتقات آنها در تمامی باندها و مستقل از مکان و زمان و با صرف زمان کمتر، خصوصیات بیشتری را از طیف استخراج کنند. روشهای کدگذاری را میتوان به دو سته کدگذاری آستانه طیف بازتابندگی و کدگذاری مشتق تقسیم نمود. هدف از این مقاله، ارزیابی قابلیت این روشها در تخمین میزان سلامت گیاه گندم آلوده به زنگ است.
بدین منظور از چهار روش کدگذاری SPAM، SFBC، SDFC و BTSC استفاده شده است. پس از کدگذاری طیف بازتابندگی لکهی سبز بهعنوان کد مرجع که نشان دهنده سلامت گیاه است، کدگذاری نمونههای آموزشی نیز به همان روش تهیه شد و زاویه شباهت میان رشته کدها محاسبه گردید. سپس با ترسیم نمودار میزان درصد حضور لکه سبز برحسب کسینوس زاویه شباهت، معادلهای خطی به آن برازش دادهشد. بهترین خط برازش دادهشده برای روش کدگذاری BTSC با مقدار R2 و RMSE به ترتیب 0.94و 0.06 حاصل شد. نتایج نشاندهنده عملکرد مناسب روشهای کدگذاری در تخمین سلامتی گیاه است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر استفاده از تصویربرداری ابرطیفی با قدرت تفکیک طیفی بالاتر و وجود نواحی طیفی کافی، با کسب تصاویر همزمان در بسیاری از باندهای طیفی باریک و به هم پیوسته گسترش یافته است [1] و با جزئیات بیشتری برای طبقهبندی و شناسایی بهکار میروند .[2] امضای ابرطیفی حاصل از آنها که با ترسیم مقدار بازتابندگی هرنوع ماده برحسب طولموجها حاصل میشود، اطلاعات طیفی قابل توجهی را برای تمایز و تشخیص دقیقتر مواد فراهم میکند .
[3] در کنار تمام مزایای تصویربرداری ابرطیفی، پردازش اطلاعات حاصل از آنها با پیچیدگیها و مشکلاتی همراه است. بهگونهای که با توجه به حجم وسیع اطلاعات، پردازشهای مورد استفاده در تصاویر چندطیفی برای آنها کارساز نیست و نیاز به روشهای دیگری برای استخراج اطلاعات حاصل از آنها است. اغلب روشهای استفاده شده نیز سعی در کاهش ابعاد دادههای ابرطیفی با انتخاب ویژگیهای بهینه داشته اند.
با توجه به شباهت های ظاهری طیفهای بازتابندگی نیاز به استفاده از اطلاعات کل طیف بازتابندگی برای تمایز مواد مختلف و استفاده از روشهایی که ویژگیهای بیشتری را از طیف بازتابندگی با صرف زمان کمتری استخراج کنند، ضروری به نظر میرسد. به همین دلیل استفاده از روشهای کدگذاری که میتوانند شکل و رفتار طیف بازتابندگی را در کل باندها و مستقل از مکان و زمان در نظر بگیرند، مطرح شده است که باعث کاهش وابستگی اطلاعات به عوامل خارجی نیز میگردد .[4]
گوتز در سال 1990 روش کدگذاری دودویی طیفی را که نمایشی ساده از صفر و یک از روشنایی هر پیکسل در باندهای مختلف است، پیشنهاد داد .[5] پس از آن محققان مختلفی شروع به ارائه روشهایی برای نمایش بهتر اطلاعات با اعداد باینری نمودند. روش کدگذاری 1SPAM را میتوان اولین روش کدگذاری استفاده شده در سنجش از دور در نظر گرفت که توسط مازر و همکاران در سال 1988 ارائه شد .[6]
روشهای کدگذاری مطرح شده تا به امروز بیشتر برای شناسایی موادمعدنی 2]، 3، 4، 7 و [8 و کاربریهای اراضی [9] استفاده شده است و برای گیاهان و بیماریهای مربوط به آنها مورد استفاده قرار نگرفته است. برای شناسایی و تخمین بیماریهای گیاهی اغلب از شاخصهای طیفی بیماری و گیاهی و مدلهای آماری چندمتغیره استفاده میشود. از این رو در این مقاله سعی داریم با توجه به نزدیک بودن طیفهای بازتابندگی گیاه در مراحل مختلف بیماری از روشهای کدگذاری به منظور بررسی عملکرد این روشها برای تعیین میزان سلامت گیاه استفاده کنیم.
بدین منظور از دادههای طیفسنجی شده از برگ گیاه گندم آلوده به بیماری زنگ استفاده شده است. ساختار این توشتار به این صورت است: در بخش اول مقدمهای بر تصویربرداری ابرطیفی و ضرورت استفاده از روشهای جدید مانند کدگذاری ارائه شد. دربخش دوم برروشهای کدگذاری استفاده شده در سنجش از دور ابرطیفی و معیارهای مقایسه آنها، مروری میشود. سپس روشهای کدگذاری، دادهها و نتایج پیادهسازی ارائه میشود و در بخش آخر نتیجهگیری کلی بیان میگردد.
-2 مواد وروشها
این قسمت از دو بخش تشکیل میشود: در بخش اول خلاصهای از روشهای کدگذاری به طور مختصر توصیح داده میشود و در بخش دوم به پیادهسازی و ارزیابی 4روش از این روشها برای تخمین میزان سلامت گیاه گندم آلوده به زنگ، پرداخته میشود. تعیین میزان سلامت گیاه گندم با استفاده از روشهای...
-1-2 روشهای کدگذاری
در حالت کلی، میتوان روشهای کدگذاری را به دودسته کدگذاری آستانه برای طیف بازتابندگی و کدگذاری مشتق تقسیمبندینمود. در کدگذاری آستانه بسته به تعداد بیت مورد نیاز برای توصیف بهتر طیف بازتابندگی از 1 یا تعداد بیشتری حدآستانه استفاده میشود بنابراین میتوان روشهای کدگذاری را برحسب تعداد بیت نسبت داده شده به هرباند نیز دستهبندی نمود: مانند گدذاری دوگانه - ساده ترین حالت کدگذاری - و کدگذاری چهارگانه و دهگانه .[10] در ادامه از دستهبندی اول برای معرفی روشها استفاده میشود.
-1-1-2 کدگذاری آستانه برای طیف بازتابندگی
در این روشها با تعیین حدآستانه هایی برای طیف بازتابندگی عملیات کدگذاری انجام میشود. بدین صورت که به مقادیر بالاتر از آستانه عدد یک و مقادیر کوچتر عدد صفر نسبت داده میشود. بسته به تعداد حدآستانهها، کدگذاری میتواند از یک بیت تا تعداد بالاتری باشد. مسئله مهم در این روش تعیین مناسب آستانهها به گونهای است که بتواند متناظر با هدف ویژگیهای بیشتری را از طیف استخراج کند. درادامه به تعدای از آستانههای استفاده شده اشاره میشود.
· آستانه میانگین: این آستانه سادهترین نوع کدگذاری است که برای اولین بار توسط مازر و همکاران در سال 1988 ارائه شد .[6] با فرض اینکه s = - s1, s2' …' V l - یک امضای ابرطیفی با L باند باشد کدگذاری با روابط - 1 - انجام میشود.
· آستانه میانه: استفاده از میانه طیف بازتابندگی بهجای میانگین که توسط چنگ در سال 2013 مطرح شد .[11]
· آستانه نیمفاصله: در این حالت از نیم فاصله بیشترین و کمترین مقدار طیف بازتابندگی بهعنوان آستانه استفاده میشود .[11]
· آستانه ناحیه احتمال برابر: این روش از ایده متفاوتی نسبت به روشهای قبلی برخوردار است و توسط چنگ در سال 2013 با تعمیم روش کدگذاری لینچ مورد استفاده برای حذف نویز، ارائه شده است .[11]
· آستانه انحراف از میانگین: این نوع از آستانه در سال 1996 توسط کیان و همکاران مطرح شد و متوسط تفاضل دادهها از میانگین طیف بازتابندگی را به عنوان حدآستانه در نظر میگیرد .[12] میتوان گفت، اغلب محققانی که از روش کدگذاری برای استخراج اطلاعات استفاده میکنند،کدگذاری آستانه را بهعنوان جزئی از روش خود در کنار کد مشتق در حالتهای مختلف معرفی میکنند.
