بخشی از مقاله
چکیده:
مسئله اختلاط طیفی و پیکسلهای مختلط در تمامی تصاویر سنجش از دوری، پدیده ای اجتناب ناپذیر است. از این رو، یافتن راه حلی برای این مسئله یکی از مباحث مهم و مورد توجه در جامعه سنجش از دور است. در این راستا، تصویربرداری فراطیفی دادههای لازم برای این مسئله را فراهم کرده استکه غالباً با روش جداسازی طیفی و بر مبنای مدل اختلاط طیفی خطی اقدام به حل این مسئله میشود. این مدل بیان میکند که طیف تابش یک پیکسل مختلط را میتوان به صورت یک ترکیب خطی از طیف مواد خالص - اعضای خالص - درون آن پیکسل، نوشت که با نسبت سطح اشغال شده توسط آنها در آن پیکسل - مقادیر فراوانی - ، وزن گرفتهاند.
اما با وجود سنجندههای گوناگون فراطیفی ماهوارهای و هوایی و جمعآوری داده های مناسب برای کاربردهای گوناگون علوم زمین مانند محیط زیست، زمینشناسی، کشاورزی و شهری، مجموعه دادهای که بتوان مدل اختلاط طیفی خطی را با آن ارزیابی کرد، وجود ندارد. در این مقاله فرآیندی طراحی و پیادهسازی شدهاست تا به کمک اندازهگیریهای طیفی توسط دستگاه اسپترورادیومتر، یک مجموعه داده ی ابرطیفی دقیق و مناسب ساخته شود.
این دادهها شامل مقادیر بازتاب طیفی نسبی از کاغذهای رنگی قرمز، سبز و آبی با درجه اختلاط آماری و مکانی مختلف، تحت شرایط آزمایشگاهی در محدوده طول موج مرئی است. نتایج ارزیابی با دادههای تولید شده نشان میدهد مقادیر فراوانی اعضای خالص، علاوه بر اینکه به مقدار سطح اشغال شده توسط آنها وابسته است، بلکه به موقعیت مکانی آنها داخل آن پیکسل مختلط نیز وابسته است که باعث تغییر در مقادیر فراوانی در حدود 6 درصد میشود. این اختلاف نشان میدهد که مدل اختلاط طیفی خطی در دقتهای بالا صحیح نمی باشد و نیاز به مدلهایی است که موقعیت مکانی عناصر خالص داخل پیکسلهای مختلط را مدل سازی کرده باشد.
-1 مقدمه:
در تصاویر سنجش از دوری، به پیکسلهایی که فقط یک ماده در تشکیل آنها حضور دارد پیکسل خالص گفته میشود. اما با توجه به قدرت تفکیک مکانی سنجندهها، ممکن است سهم مکانی اشغال شده از سطح یک پیکسل، توسط یک ماده از اندازه پیکسل زمینی آن کوچکتر باشد. همچنین ممکن است بافت مواد موجود در صحنه تصویربرداری طوری باشد که ترکیبی از آنها در میدان دید سنجنده قرار گیرد - مانند مناطق ساحلی - ، در نتیجه در چنین شرایطی انرژی دریافت شده در سنجنده، ترکیبی از اجزاء مختلف تشکیل دهنده آن پیکسل است.
به چنین پیکسلهایی که بیش از یک عضو خالص در تشکیل آنها حضور داشته است، پیکسل مختلط گفته میشود 5] و .[6 تعداد پیکسلهای مختلط در تصاویر هر سنجنده بستگی به قدرت تفکیک مکانی آن سنجنده و همچنین به زمین و صحنهای که تصویر از آن تهیه شده، وابسته است. Iron و همکارانش نشان دادند که تعداد پیکسلهای مختلط در تصاویر TM، بین % 29.6 برای نواحی آبی سطح زمین؛ تا % 68.3 برای نواحی با پوشش گیاهی تنک متغیر است .[7] بنابراین میتوان گفت که پیکسلهای مختلط نقش تعیین کنندهای در اطلاعات قابل دستیابی از تصاویر ماهوارهای دارند.
بنابراین برای بدست آوردن اطلاعات موجود در این پیکسلها نیاز به روشهایی است که این پیکسلها را به اجزاء تشکیل دهنده آنها تجزیه کند. جداسازی طیفی شیوهای است که امکان استخراج اطلاعات را در سطح زیرپیکسل برای تصاویر فراطیفی فراهم آورده و روشی مناسب برای جداسازی اعضای تشکیل دهنده پیکسلهای مختلط است 5] و .[8 هر شیوهای برای اینکه بتواند به طور موثری داده های فراطیفی را تفکیک کند، در ابتدا باید با یک مدل نحوه شکلگیری طیف متناظر با پیکسل مختلط را تشریح کند.
در واقع مدلهای ترکیب طیفی تلاش میکنند تا بنیاد فیزیکی مسئله را بازسازی نمایند. فرض پایه در مدلهای ترکیب طیفی این است که منطقه مورد مطالعه از تعداد محدودی ماده متمایز که مشخصات طیفی نسبتاً ثابتی دارند تشکیل شده باشد. به این مواد متمایز اعضای خالص و به سهم هر یک از این مواد در پیکسل مختلط، مقادیر فراوانی گفته میشود 3]، 5 و .[8 پس از شکلگیری چنین مدلهایی الگوریتمهای جداسازی طیفی تلاش میکنند با طی مسیر معکوس، اعضای خالص و مقادیر فراوانی متناظر با آنها را در هر پیکسل استخراج کنند. این مدلهای اختلاط طیفی را به دو دسته کلی، خطی و غیر خطی طبقهبندی کردهاند.
چنانچه اعضای خالص در یک ناحیه به صورت الگوهای مکانی مجزا ظاهر شوند، اختلاط صورت گرفته در منطقه از نوع ماکروسکوپیک میباشد و طیف یک پیکسل مختلط را میتوان به صورت یک ترکیب خطی از اعضایخالص تشکیل دهنده آن پیکسل دانست که نسبت به سطح اشغال شده توسط اعضای خالص وزن دار شدهاند، به همین دلیل به این مدل ها مدل اختلاط طیفی خطی گفته میشود .[5]
علیرغم اینکه مزایای استفاده از روش های غیر خطیکاملاً آشکار است اما از آنجایی که این مدل ها نیازمند اطلاعات کاملی از قبیل خصوصیات بازتابش اعضای خالص، پراکنش سطح، زوایای جهتگیری سنجنده و اعضایخالص نسبت به یکدیگر، مدل رقومی ارتفاعی زمین و مهمتر از همه، اندازه ذرات اعضای خالص و حالتهای ترکیب و دگرگونی آنها، است، از این مدل به طور گسترده استفاده نمیشود .[5]
اما چون اجرای مدل اختلاط طیفی خطی، به آسانی امکان پذیر است، از این مدل به طور گسترده استفاده شدهاست 5]، 8 و .[9 علی رغم استفاده زیاد از این مدل، دادهای که بتوان مدل اختلاط طیفی خطی را با آن ارزیابی کرد وجود ندارد. در چنین دادهای علاوه بر معلوم بودن طیف پیکسلهای مختلط و اعضای خالص آنها، باید مقادیر فراوانی اعضای خالص در هر پیکسل نیز به طور دقیق معلوم باشد.
در مورد تصاویر سنجش از دور چون انطباق یک نقطه بر روی یک پیکسل با دقت نصف ابعاد پیکسل انجام میشود تعیین مقادیر فراوانی اعضای خالص یک پیکسل مختلط ممکن نیست. اما در آزمایشگاه و در یک شرایط کنترل شده، به کمک دستگاه طیفسنج، ساخت چنین دادهای امکان پذیر است. در این مقاله در آزمایشگاه اتاق تاریک، به کمک دستگاه طیفسنج، طیف بازتاب نسبی اهدافی1 که از کاغذهای رنگی قرمز، سبز و آبی ساخته شدهاند، برداشت میشود.
برای محاسبه سطح اشغال شده هر رنگ در هر هدف - مقادیر فراوانی واقعی - از آنها اسکن گرفته و سپس با روش ماشینهای پشتیبان برداری - 2SVM - طبقهبندی میشوند. سپس برای ارزیابی مدل اختلاط طیفی خطی، مقادیر فراوانی طیفهای برداشت شده، به روشی که در ادامه بیان خواهد شد، محاسبه شده و با مقادیر فراوانی واقعی آنها مقایسه میشود.
-2 جمعآوری دادههای طیفی
جمعآوری دادههای طیفی به منظور ارزیابی مدل اختلاط طیفی خطی، شامل دو مرحله اصلی، طراحی و ساخت اهداف مناسب و سپس برداشت طیف اهداف ساخته شده است. ابتدا لازم است مشخصات دستگاه طیفسنجی که استفاده میشود، بیان شود. طیفسنج مورد استفاده برای برداشت طیفی، دستگاه اسپکترورادیومتر ساخت شرکت 3ASD با نام تجاری Fieldspec 3، است که مشخصات آن در جدول .1 آورده شده است .[1]
