مقاله روشی نوین در ادغام تصاویر لندست 8 و سنتینل 2جهت بهبود نتایج طبقه بندی

بخشی از مقاله

چکیده

مدیریت نوین محیط نیازمند روش هایي برای کسب اطالعات می باشد که عالوه بر کاهش هزینه هاي اقتصادي، سرعت استخراج اطالعات نیز باال باشد. یکی از تکنیک های مهم و پرکاربرد در استخراج اطالعات از داده های سنجش از دور، طبقه بندی تصاویر می باشد. دو عامل ثاثیرگزار بر روی این روش قدرت تفکیک مکانی و طیفی تصاویر می باشد که حال حاضر امکان تهیه تصویری که این دو ویژگی را با هم داشته باشند، به دلیل محدودیت های تکنولوژیکی هنوز فراهم نشده است. در این تحقیق با استفاده تلفیق تصویر چندطیفی و پانکروماتیک ماهواره لندست با رزولوشن مکانی 30و 15متر با استفاده از روش های IHS،PCA وGS تصویر چند طیفی بارزولوشن مکانی15 ایجاد شد.

نتایج ارزیابی های کمی کیفیت تصاویر حاصله از این سه روش نشان داد که روش PCA نسبت به دو روش دیگر دارای توانایی باالتری در حفظ اطالعات مکانی و طیفی دارد،در ادامه با تلفیق تصویر چندطیفی بدست آمده با رزولوشن مکانی 15 متر و تصویر پانکروماتیک ایجاد شده از باند های ماهواره سنتینل 2 ،تصویری چند طیفی با رزولوشن مکانی 10 متر ایجاد شد که باند های آن دارای ضریب همبستگی باالی0/90با باند های تصویر مرجع دارند و در نهایت با اعمال طبقه بندی IsoData بر روی تصویر ورودی و خروجی شاهد بهبود نتایج در تصویر حاصل از ادغام خواهیم بود.

-1 مقدمه

جوامع امروزي در طول حیات خود، تغییر و تحوالت گوناگوني را تجربه کرده و در آینده نیز تحوالت بیشتري را شاهد خواهند بود. از جمله تغییراتي که در طي سالیان گذشته، بر جوامع اثر گذاشته ، تغییرات قابل مالحظه در کاربری اراضی، منابع طبیعي و محیط زیست است که در اثر فعالیت هاي مخرب انسان به وجود آمده است.که کنترل،مدیریت و برنامه ریزی در این زمینه به یک امر بسیار مهم و پیچیده اي تبدیل شده است 12].،11،[6 یکی از کاربرد های مهم تجزیه و تحلیل آشکارسازی تغییرات،پیش بینی وضعیت آینده بر مبنای روند تغییرات انجام شده در گذشته است.

[3]در این میان استفاده از تکنولوژی سنجش از دور به عنوان بهترین وسیله برای آشکارسازی و ارزیابی تغییرات شناخته شده است چرا که با پیشرفت های انجام گرفته در این تکنولوژی و تولید تصاویر ماهواره ای با قدرت تفکیک طیفی و مکانی باال و همچنین انواع تکنیکهای پردازش تصویر می توان میزان تغییرات را برآورد نموده و نسبت به مدیریت آنها اقدام نمود.2]،[1 یکی از تکنیک های مهم و پرکاربرد در استخراج اطالعات از داده های سنجش از دور، طبقه بندی تصاویر است که کاربرد زیادی در بررسی تغییرات سطح زمین دارد.

طبقه بندی یا تبدیل تصاویر به نقشه موضوعی در اثر عواملی از جمله پیچیدگی منطقه مورد نظر،انتخاب داده،پردازش تصاویر و الگوریتم های مورد استفاده،در معرض چالش جدی بوده و ممکن است بر موفقیت طبقه بندی تاثیر بگذارد.هر چند توانایی تولید داده هایی با خصوصیات طیفی،مکانی و رادیومتریکی بال منجر به تجزیه و تحلیل بهتر و شناسایی موفقیت آمیز اهداف زمینی می شود که در نهایت با دقت باال در طبقه بندی همراه خواهد بود 5].،[13در حال حاضر امکان تهیه تصویری که هم از لحاظ قدرت تفکیک طیفی و هم لحاظ قدرت تفکیک مکانی دارای رزولوشن باالیی، به دلیل محدودیت های تکنولوژیکی هنوز فراهم نشده است.

در بسیاری از کاربردهای سنجش از دوری، الزم است از تصاویری استفاده شود که به طور همزمان هر دو قدرت تفکیک مکانی و طیفی باال را داشته باشند 16].،15،[14بر طبق مطالعات، ادغام تصویر پانکروماتیک و چندطیفي با قدرت تفکیک مکاني پایین به ابزاري قدرتمند جهت بسیاري از کاربردها تبدیل شده و به همین علت روشهاي مختلف ادغام در دو دهه اخیر ارائه شده است ادغام تصویر چند طیفي با قدرت تفکیک مکاني پایین و تصویر پانکروماتیک با قدرت تفکیک مکاني باال براي بسیاري از کاربردهاي سنجش از دور شامل طبقه بندي، قطعه بندي و شناسایي عوارض حائز اهمیت است.

در حوزه سنجش از دور واژه pan_sharpening به عنوان اصالحی مورد استفاده قرار میگرد که به طور خاص،اشاره به ادغام تصاویر پانکروماتیک و چند طیفی دارد،که خروجی آن تصویری چند طیفی با رزولوشن مکانی تصویر پانکروماتیک خواهد بود 18].،[17 امروزه الگوریتم هاي ادغام تصاویر متفاوتي به منظور ترکیب اطالعات مکاني تصویر پانکروماتیک با اطالعات طیفي تصویر چند طیفي با قدرت تفکیک پایین، جهت تولید تصویري با قدرت تفکیک مکاني باال بهبود داده شده اند.

روش های تلفیق در حالت کلی به سه سطح طبقه بندی می شوند: - الف - سطح پیکسل - ب - سطح عارضه - ج - سطح تصمیم گیری.[18] در این پژوهش از روش های مبتنی بر سیستم تصویر و انتقال مانند IHS،PCA وGAکه زیر مجموعه ای از روش تلفیق در سطح پیکسل می باشد،استفاده شد.[19]و هدف تولید تصویر چند طیفی با رزولوشن مکانی 10 متر با استفاده از داده های ماهواره لندست8 و سنتینل 2،جهت بهبود نتایج طبقه بندی می باشد.

-1-1 پیشینه تحقیق

درطول دو دهه گذشته روش های متنوع با پیچیدگی و ویژگی های مختلف به منظور ادغام تصاویر پانکروماتیک و چند طیفی اخذ شده توسط سنجنده های مختلف ارائه شده است. در مقاله ای توسط Pohl وVan Genderen اشاره ای به روش های ارائه شده در دهه 90 برای کاربرد های ادغام تصاویر پانکروماتیک و چند طیفی ، که به طور عمده مبتنی بر روابط ساده ریاضی بودند ، شد.در این روش ها تصویر ادغام شده با ترکیب ریاضی پیکسل های تصاویر ورودی ساخته می شوند.این ترکیب ریاضی یا به صورت جمع وزن دار دو تصویر ورودی ویا حاصلضرب آن ها می باشد.بسته به کاربرد ،اعداد مختلفی به عنوان وزن های تصاویر ورودی پسیشنهاد و منجر به تنوع باالی روش های ریاضی در این دوره شده است.

[20] این روش برای ادغام تصاویر SPOT PAN و Landsat TM به طور موفقیت آمیزی مورد استفاده قرار گرفت.یکی ازپرکاربرد ترین روش های ادغام بر اساس روابط ساده ریاضی، میانگیری تصاویر ورودی بوده است.[21 ] اما امروزه عمال در بحث Pan_Sharpening به منظور ادغام تصویر پانکروماتیک و چندطیفی سنجندهایی با قدرت تفکیک مکانی باال کاربردی ندارد.یکی دیگر از روش های پرکاربرد در ادغام تصاویر پانکروماتیک و چندطیفی که مدت زیادی است مورد استفاده قرار گرفته ،روش تبدیل رنگی IHS است. سادگی پیاده سازی ،سرعت باالی پردازش و همچنین کیفیت مکانی باالی تصویر حاصل از ادغام از دالیل مهم کاربرد این روش است.

استفاده از تبدیل IHS با هدف ادغام تصاویر برای اولین بار در سال1982 توسط Haydn و همکارانش پیشنهاد شد و بعد از آن برای ادغام داده های مختلف مورد استفاده قرار گرفت و همچنان به عنوان یکی از روش های پرکاربرد مطرح می باشد.24]،23،22،Richards [20 و Xia بر اساس تبدیل مولفه اصلی که تکنیکی برای فشرده سازی و کاهش حجم است ،روش آماری تلفیق دوتصویر را بیان کردند. تبدیل آماری مولفه اصلی - PCA - یکی دیگر از روش هایی است که به دلیل قابلیت جداسازی اطالعات طیفی و مکانی ،در ادغام تصاویر پانکروماتیک و چندطیفی سنجنده های مختلف کاربرد زیادی داشته است.مزیت این روش نسبت به روش IHS آن است که قابلیت اعمال بیش از سه باند را دارند.

27]،26،[25 تبدیل گرام –اشمیت یکی دیگر از ابزار های ریاضی مورد استفاده در ادغام است که توسطBrower و Laben در سال2000 پیشنهاد و از سال 2004 تحت ماژول Pan_Sharpening در نرم افزار ENVI مورد استفاده قرار گرفت . [28] زینب قنبری علویجه در پایان نامه کارشناسی ارشد خود با موضوع طیقه بندی منطقه شهری با استفاده از تلفیق تصاویر ماهواره ای و اپتیکی روش IHS را یکی از معروفترین روش های تلفیق دانست که به علت کارایی و توان تفکیک مکانی باالی خروجی بسیار استفاده می شود.

ولی،خروجی این روش به علت جایگزینی تصویر شدت با تصویر پانکروماتیک انحراف طیفی دارد، در این تحقیق یک روش جدید برای بهبود کیفیت طیفی تصویر تلفیقی معرفی شد.در روش پیشنهادی تصویر با رزلوشن مکانی باالتر و تصویر شدت بر اساس اطالعات آماری خود تلفیق می شوند،سپس تصویر تلفیقی جایگزین تصویر شدت شده و تبدیل معکوس IHS اعمال می شود.روش پیشنهادی بر دو مجموعه داده که شامل الف - تصاویر چندطیفی و پانکروماتیک سنجنده آیکونوس،ب - تصویر چند طیفی سنجنده آیکونوس و تصویر HH سنجنده TerraSAR_X اعمال شد.برای ارزیابی روش پیشنهادی بر روی هر دو مجموعه داده عمل طبقه بنده اعمال شده که نتایج افزایش 5/6 و2 درصدی دقت کلی طبقه بندی را نشان دادند.

[7] ربابه صادقی چهارده در پایان نامه کارشناسی ارشد خود به بررسی و ارزیابی تلفیق تصویر فراطیفی هایپریون با تصاویر با قدرت تفکیک مکانی باال از قبیل تصاویر چند طیفی AVNIR ، تصویر پانکروماتیک ALI ،تصویر چند طیف-P6 IRS ،تصویر چندطیفی پانکروماتیک IRS-P5 تصویر چندطیفی و پانکروماتیک IKONOS با استفاده از الگوریتم های رایج تلفیق از قبیل IHS،PCA، Fast IHS،Wavelet_IHS و FFT-IHS با دو تبدیلIHS خطی و غیر خطی پرداخت.

نتایج ایشان نشان داد که تلفیق تصویر فراطیفی و تصویر با قدرت تفکیک مکانی باال امکان پذیر است و می توان از این الگوریتم ها در تلفیق این تصاویر استفاده شود و رابطه مستقیمی نیز بین دقت تصحیح هندسی و کیفیت تصاویر تلفیق شده وجود دارد، هر چه دقت تصحیح هندسی باالتر کیفیت طیفی و مکانی تصاویر تلفیق شده باالتر خواهد بود، همچنین استفاده از تلفیق موجب بهبود دقت طبقه بندی می شود. [8]

-2 مبانی نظری تحقیق

-1-2روش های تلفیق

1-1-2 -روش IHS

روش های مختلفی برای نمایش تصاویر رنگی تعریف شده است،که از نظر ریاضی رنگ ها را می توان به دو صورت توصیف کرد: الف - تصاویر رنگی RGB - بر اساس مقادیر ترکیبی از مقادیر اصلی - ، ب - توصیف رنگی دیگر به روشنایی و درخشندگی جسم مورد نظر وابسته است،که استفاده از این روش به تولید تصاویر IHS می انجامد،این نوع نمایش تصاویر سه شاخص اصلی شدت، شکل و اشباع را شامل می شودکه اولین شاخص مربوط به روشنایی کلی یک رنگ است و شاخص های دوم و سوم به ترتیب مربوط طول موج رنگ و میزان خلوص رنگ را نشان می دهد.