Ανάπτυξη συστήματος επεξεργασίας δεδομένων τηλεπισκόπησης για αυτόματη ανίχνευση και ταξινόμηση περιοχών με περιβαλλοντικές αλλοιώσεις

Abstract

Με τον όρο τηλεπισκόπηση εννοείται η επιστήμη παρατήρησης φαινομένων και χαρακτηριστικών από απόσταση. Στη διεθνή βιβλιογραφία χρησιμοποιείται ο όρος Remote Sensing. Σήμερα με το όρο Τηλεπισκόπηση εννοούμε "την επιστήμη και την τεχνολογία παρατήρησης και μελέτης των χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας από απόσταση, βάσει της αλληλεπίδρασης των υλικών που βρίσκονται επάνω σε αυτή με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία". Η παρατήρηση της επιφάνειας της γης είναι δυνατή με τη χρήση ψηφιακών σαρωτών (τηλεπισκοπικών ανιχνευτών) που ανιχνεύουν την αντανάκλαση ή εκπομπή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της γήινης επιφάνειας και την αποδίδουν ως ψηφιακή εικόνα. Οι σαρωτές μπορεί να είναι εγκατεστημένοι σε τεχνητούς δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη γη ή να βρίσκονται σε αερομεταφερόμενα μέσα (αεροσκάφη, ελικόπτερα). Ανάλογα με την προέλευση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία αντανακλάται και στη συνέχεια ανιχνεύεται, οι δέκτες - σαρωτές (ή αισθητήρες) μπορούν να διακριθούν σε παθητικούς και σε ενεργητικούς. Παθητικοί είναι εκείνοι που ανιχνεύουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προερχόμενη από μία φυσική πηγή (συνήθως ο ήλιος), ενώ ενεργητικοί σαρωτές είναι εκείνοι που "φωτίζουν" (προσβάλλουν) οι ίδιοι το στόχο χρησιμοποιώντας την δική τους πηγή ακτινοβολίας, π.χ. εικονοληπτικά ραντάρ. Η κατηγορία αυτή κερδίζει όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της ικανότητάς τους να λειτουργούν ημέρα και νύχτα, παραμένοντας σχεδόν ανεπηρέαστα από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Τα δεδομένα που παράγουν ονομάζονται «εικόνες συνθετικού ανοίγματος» (SAR, Synthetic Aperture Radar) τα οποία χαρακτηρίζονται από το περιεχόμενο υφής αλλά και την παρουσία θορύβου. Το έντονο περιεχόμενο υφής των δεδομένων SAR τα καθιστούν εξαιρετικά δημοφιλή σε εφαρμογές ανίχνευσης στόχων (πλοία) ενώ ιδιαίτερες τεχνικές συμβολομετρίας επιτρέπουν στην δημιουργία χαρτών ανάγλυφου. Η παρούσα διατριβή είχε σαν κύριο στόχο την ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων SAR υπό το πρίσμα του περιεχομένου υφής για την ανίχνευση περιοχών με περιβαλλοντικές αλλοιώσεις όπως είναι οι παράνομες εναποθέσεις απορριμμάτων. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονταν από τον δορυφόρο ENVISAT και το όργανο ASAR του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος με διακριτική ικανότητα 12.5m και 30m για τις λειτουργίες μονής και διπλής πολικότητας αντίστοιχα καθώς και από τον δορυφόρο Terra-SAR με διακριτική ικανότητα 3m και HH πολικότητα. Χρησιμοποιήθηκαν κλασσικές τεχνικές ανάλυσης και ταξινόμησης υφής όπως GLCM, Markov Random Fields, Gabor Filters και Neural Networks. Τα πειραματικά αποτελέσματα ανέδειξαν τις αδυναμίες του είδους των διαθέσιμων δεδομένων για την επίτευξη του αρχικού στόχου που ήταν η ανίχνευση των περιβαλλοντικών αλλοιώσεων. Η μελέτη προσανατολίστηκε στην ανάπτυξη νέων μεθόδων ταξινόμησης υφής για αυξημένη αποτελεσματικότητα. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολυφασματικά και SAR. Για τα πολυφασματικά δεδομένα προτάθηκε η χρήση της spectral co-occurrence ως χαρακτηριστικό υφής που χρησιμοποιεί πληροφορία φασματικού περιεχομένου. Για τα δεδομένα SAR αναπτύχθηκε μία νέα μέθοδος ταξινόμησης η οποία βασίζεται σε συνήθεις περιγραφείς υφής (GLCM, Gabor, MRF) οι οποίοι μελετώνται για την ικανότητά τους να διαχωρίζουν ζεύγη μεταξύ τάξεων. Για κάθε ζεύγος τάξεων προκύπτουν χαρακτηριστικά υφής που βασίζονται στις στατιστικές ιδιότητες της cumulative καθώς και της πρώτης και δεύτερης τάξης αυτής. Η μέθοδος leave one out χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό των χαρακτηριστικών που μπορούν να διαχωρίσουν τα δείγματα ανά ζεύγη τάξεων στα οποία αντιστοιχίζεται και ένας ξεχωριστός και ανεξάρτητος γραμμικός ταξινομητής. Η τελική ταξινόμηση γίνεται με τη μέθοδο της πλειοψηφίας η οποία εφαρμόζεται στο πρόβλημα των δύο τάξεων και τριών τάξεων αλλά επεκτείνεται και στο πρόβλημα των N-τάξεων δεδομένης της ύπαρξης κατάλληλων χαρακτηριστικών.