Ανάπτυξη μεθόδων συγχώνευσης τηλεπισκοπικών δεδομένων και εφαρμογή στην παρατήρηση βλάστησης σε περιοχές με προηγούμενη μεταλλευτική δραστηριότητα

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά εις την ανάπτυξη νέων μεθόδων συγχώνευσης δορυφορικών εικόνων. Σκοπός της συγχώνευσης εικόνων είναι ο συνδυασμός εικόνων πουπεριλαμβάνουν διαφορετικές πληροφορίες σε μια μοναδική εικόνα. Η συγχώνευσητηλεπισκοπικών εικόνων αποδεικνύεται χρήσιμη σε αρκετές εφαρμογές της Τηλεπισκόπησης (π.χ. παρακολούθηση βλάστησης, εντοπισμός και παρακολούθηση επιφανειακής ρύπανσης, γεωλογία και ανίχνευση ορυκτών πόρων, στρατιωτικές εφαρμογές κ.α.). Τα δορυφορικά πολυφασματικά συστήματα έχουν τη δυνατότητα ταυτόχρονης καταγραφής παγχρωματικών και πολυφασματικών εικόνων. Οι παγχρωματικές εικόνες επιτρέπουν τον καλό διαχωρισμό διάφορων αντικειμένων στο χώρο (π.χ. φυτά, οχήματα, κατοικίες) αλλά όχι απαραίτητα την αναγνώριση της ταυτότητας αυτών. Εξεναντίας, οι πολυφασματικές εικόνες επιτρέπουν τον ποιοτικό διαχωρισμό των επιφανειών ήαντικειμένων (π.χ. γυμνά ή σε αρχικό στάδιο καλλιέργειας εδάφη, δασικές περιοχές, στάδια ανάπτυξης και κατάσταση υγείας κάθε φυτού), αλλά χαρακτηρίζονται από χαμηλή χωρική διακριτική ικανότητα. Σε εμπορικό επίπεδο, δεν υπάρχουν εικόνες που να χαρακτηρίζονται ταυτόχρονα από υψηλή χωρική και φασματική διακριτική ικανότητα. Η συγχώνευση εικόνων αποτελεί την καλύτερη λύση σε αυτό το πρόβλημα, καθότι επιτυγχάνεται συνδυασμός της υψηλής χωρικής και φασματικής πληροφορίας, που περιλαμβάνεται στις παγχρωματικές και πολυφασματικές εικόνες αντίστοιχα, σε μία μοναδική εικόνα. Στη βιβλιογραφία απαντούν διάφορες τεχνικές συγχώνευσης εικόνων. Ορισμένες από τις ευρείας χρήσης τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν, ως μέτρο σύγκρισης, για την αξιολόγηση των εικόνων που προέκυψαν από συγχώνευση με τις νέες μεθόδους που αναπτύχθηκαν στην παρούσα διατριβή. Οι υπάρχουσες στη βιβλιογραφία τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στηδιατριβή είναι ο μετασχηματισμός IΗS, η Ανάλυση Κυριών Συνιστωσών (PCA), οι μετασχηματισμοί κυματιδίων Mallat και «Á trous», καθώς και συνδυασμοί των μετασχηματισμών Mallat και «Á trous» με τους μετασχηματισμούς ΙHS και PCA. Τα δεδομένα στα οποία εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι συγχώνευσης συνίστανται από μια Quickbird παγχρωματική και μια Quickbird πολυφασματική δορυφορική εικόνα της νήσου Μήλου. Συγκεκριμένα, τις περιοχές μελέτης αποτέλεσαν δυο αποκατεστημένα, με δεντροφύτευση, λατομεία· ένα στην περιοχή Αχιβαδολίμνη και ένα στην περιοχή Πάχαινα. Σκοπός της εφαρμογής αυτής ήταν η χρήση των συγχωνευμένων εικόνων για τηνπαρατήρηση των δεντροφυτευμένων περιοχών, ως προς την ανάπτυξη και την υγεία των φυτών. Η χωρική ανάλυση των παγχρωματικών εικόνων Quickbird επιτρέπει τη χωρική διάκριση των θάμνων και μικρών δέντρων που συνιστούν τις κύριες μορφές βλάστησης στη Μήλο. Η πολυφασματική εικόνα Quickbird παρέχει τη δυνατότητα ποιοτικού εντοπισμού και αναγνώρισης της βλάστησης. Συγχώνευση των δυο εικόνων επιτρέπει τον ακριβή εντοπισμό ενός φυτού στον χώρο και παρέχει πληροφορίες για το στάδιο ωριμότητας ή την υγεία αυτού. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν 14 νέες μέθοδοι συγχώνευσης εικόνας. Η πρώτη μέθοδος (Fourier Domain Filtering Fusion – FDFF) που αναπτύχθηκε βασίζεται στην εφαρμογή φίλτρων διέλευσης υψηλών και χαμηλών συχνοτήτων στο φάσμα Fourier των εικόνων. Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν και άλλες μέθοδοι που αποτελούν συνδυασμό της FDFF με τους μετασχηματισμούς PCA και «Á trous». Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκαν δυο παραλλαγές της παραδοσιακής μεθόδου συγχώνευσης εικόνων με το μετασχηματισμό PCA. Κάθε μια από τις νέες μεθόδους που αναπτύχθηκαν αξιολογήθηκε καισυγκρίθηκε, με τα αποτελέσματα των ήδη γνωστών μεθόδων, ως προς τη δυνατότητα διατήρησης της αρχικής χωρικής και φασματικής πληροφορίας των προς συγχώνευση εικόνων. Η αξιολόγηση και σύγκριση των συγχωνευμένων εικόνων, όπως αυτές προέκυψαν από κάθε μια από τις διαδεδομένες μεθόδους που υλοποιήθηκαν καθώς και τις νέες μεθόδους που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής, βασίστηκε σε υποκειμενικά (οπτικός έλεγχος) και στατιστικά κριτήρια (ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος, συντελεστής χωρικής και φασματικής συσχέτισης, μεταβολή τυπικής απόκλισης ιστογράμματος, μετατόπιση μέσης τιμής ιστογράμματος και συντελεστής συσχέτισης δείκτη βλάστησης NDVI,). Από την αξιολόγηση προέκυψε ότι οι μέθοδοι FDFF, FDFFπαγχρ-Á trous-PCA_Περ.Γ, FDFFπαγχρ-Á trous, και FDFF-Á trous-PCA_Περ.Γ υπερτερούν των υπολοίπων μεθόδων που εφαρμόστηκαν, ως προς τη διαφοροποίηση των φυτών χωρικά ή ποιοτικά. Στις συγχωνευμένες εικόνες που δημιουργήθηκαν από τις συγκεκριμένες μεθόδους ο χωρικός διαχωρισμός της βλάστησης είναι εμφανής. Επιπρόσθετα η διατήρηση, σε ικανοποιητικό βαθμό, της φασματικής πληροφορίας παρέχει τη δυνατότητα αναγνώρισης τη υγείας και του σταδίου ανάπτυξης των φυτών και δέντρων.