تصویر ابرطیفی

فنآوری سنجش از دور ابرطیفی دارای کاربردهای فراوان در طبقه بندی پوشش های زمین و بررسی تغییرات آنها است. معمولترین روش جهت طبقهبندی تصاویر ابرطیفی، طبقه بندی مبتنی بر پیکسل بوده که در آن هر پیکسل فقط با اطلاعات طیفی خود و بدون در نظر گرفتن پیکسل های همسایه، به کلاس مشخصی اختصاص می یابد. پیشرفتهای اخیر و ایجاد تصاویری با قدرت تفکیک مکانی بالا، لزوم استفاده توأم از اطلاعات طیفی و مکانی را در طبقه بندی تصاویر ابرطیفی ایجاب می کند. در این تحقیق روشی جدید برای طبقه بندی طیفی-مکانی تصاویر ابرطیفی و بر اساس الگوریتم قطعه بندی هرمیمبتنی بر نشانه معرفی میشود. در میان الگوریتمهای مختلف طبقهبندی طیفی-مکانی تصاویر ابرطیفی، تاکنون الگوریتم قطعهبندی هرمی مبتنی بر نشانه در ترکیب با الگوریتم طبقه بندی ماشین بردار پشتیبان به بهترین نتایج دست یافته است. در روش پیشنهادی برای انتخاب نشانهها از ترکیب قطعهبندی واترشد (Watershed)و طبقهبندی ماشین بردار پشتیبان استفاده میشود. برای این منظور از میان پیکسلهای با بیشترین جمعیت برای هر ناحیه از نقشه قطعهبندی، آنهایی که دارای بالاترین درجه تعلق به یک کلاس هستند، به عنوان نشانه انتخاب میگردند. سپس بر روی نشانه های بدست آمده، الگوریتم قطعهبندی هرمی پیادهسازی میشود. در نهایت نقشه قطعه بندی بدست آمده به کمک قانون تصمیم رأی اکثریت با نقشه طبقهبندی ماشین بردار پشتیبان ترکیب می گردد. روش پیشنهادی بر روی سه تصویر ابرطیفی Pavia، Berlin و DC Mall پیادهسازی شد، نتایج آزمایشات بدست آمده برتری روش پیشنهادی را در مقایسه با الگوریتم هرمی مبتنی بر نشانه اولیه نشان میدهد. این برتری برابر با 4، 6 و 5 درصد در پارامتر ضریب کاپا و به ترتیب برای تصاویر Pavia، Berlin و DC Mall میباشد.

سابقه و هدف: فنّاوری سنجش از دور ابرطیفی، در دو دهه گذشته، شاهد پیشرفت چشمگیری بوده است. این پیشرفت در طراحی و ساخت سنجنده ها و همچنین در توسعه و اجرای روش های پردازش داده بسیار مشهود است. امروزه بیشتر تحقیقات، در زمینه فنّاوری سنجش از دور ابرطیفی، بر طبقه بندی این تصاویر تأکید دارد. روش های طبقه بندی تصاویر ابرطیفی در دو دسته طبقه بندی طیفی یا مبتنی بر پیکسل و طبقه بندی طیفی– مکانی یا مبتنی بر شیء قرار می گیرند. در این تحقیق، به طبقه بندی طیفی – مکانی تصویر ابرطیفی، در محیطی شهری، پرداخته شده است. ازآنجاکه محیط های شهری، از نظر عناصر به کاررفته در آنها، ویژگی های پیچیده ای دارند، داده های ابرطیفی به شناسایی و استخراج و تولید نقشه از عناصر سازنده آنها کمک مؤثری می کنند. شناسایی مواد گوناگون در محیط های شهری اهمیت بسیاری در زمینه کاربردهای گوناگون، همچون ارتباط تلفن های همراه، واقعیت مجازی، معماری و مدل سازی شهری و برنامه ریزی و مدیریت شهرها دارد.مواد و روش ها: در این تحقیق، برای ارزیابی روش پیشنهادی از دو تصویر ابرطیفی پاویا و برلین، که جزء تصاویر معیار در حوزه سنجش از دور ابرطیفی است، استفاده شد. در روش پیشنهادی، ابتدا ابعاد تصویر ابرطیفی به کمک الگوریتم PCA کاهش می یابد؛ سپس ده ویژگی مکانی میانگین، انحراف معیار، درجه تباین، یکنواختی، همبستگی، نبودِ تشابه، انرژی، آنتروپی، تبدیل موجک و فیلتر گابور از روی باندهای کاهش یافته استخراج می شود. در ادامه، الگوریتم ژنتیک وزن دار بر ویژگی های طیفی و مکانی به دست آمده اعمال می شود و در انتها، ویژگی های حاصل به کمک الگوریتم MLP طبقه بندی می شود.نتایج و بحث: در آزمون های انجام شده در زمینه الگوریتم ژنتیک، کروموزوم ها دارای ژن هایی برابر با تعداد ویژگی های طیفی و مکانی اند. در این آزمون ها، میزان تقاطع و جهش به ترتیب برابر با 5/0 و 05/0 در نظر گرفته شد. همچنین، برای ایجاد تناسب بین دو پارامتر دقت و زمان محاسبات، تعداد جمعیت اولیه 30 و حداکثر تعداد تکرار، برای توقف، 100 در نظر گرفته شد. البته در عمل، درمورد هر دو تصویر ابرطیفی با توجه به استفاده از شرط فعال برای توقف الگوریتم، روند تکرار به مرحله 100 نمی رسد و قبل از آن، الگوریتم به وضعیت پایدار می رسد و متوقف می شود. الگوریتم طبقه بندی MLP با سه لایه پنهان، شامل و 6 و 8 نورون، اجرا و با پانصد تکرار ارزیابی شد. روش طبقه بندی پیشنهادی بیان شده با الگوریتم های SVM، MLP و MSF مقایسه شد. در هر دو تصویر ابرطیفی، نقشه حاصل از روش پیشنهادی در مقایسه با سایر الگوریتم ها مناطق یکنواخت تری را دربرمی گیرد. روش پیشنهادی، در تصویر پاویا، باعث افزایش 13، 7 و 6درصدی و در تصویر برلین، باعث افزایش 9، 6 و 5درصدی پارامتر ضریب کاپا، در قیاس با به ترتیب الگوریتم های SVM، MLP و MSF شده است. دلیل این افزایش دقت روش پیشنهادی می تواند استفاده از اطلاعات نزدیک ترین همسایگی و دو مرحله کاهش ابعاد باشد.نتیجه گیری: در این تحقیق، روشی جدید به منظور طبقه بندی طیفی – مکانی تصاویر ابرطیفی معرفی شد. در روش پیشنهادی، ابتدا ابعاد تصویر ابرطیفی کاهش یافت و ده ویژگی، به منزله اطلاعات نزدیک ترین همسایگی ها، از باندهای کاهش یافته استخراج شد. در ادامه، الگوریتم ژنتیک وزن دار روی ویژگی های به دست آمده، به منظور کاهش وابستگی بین آنها، اعمال شد. الگوریتم ژنتیک یکی از کارآمدترین و مؤثرترین روش ها در کاهش ابعاد تصاویر ابرطیفی است. در الگوریتم باینری ژنتیک، هر کروموزوم دارای مقادیر یک و صفر است؛ درحالی که در الگوریتم ژنتیک وزن دار، مقادیر وزنی بین صفر و یک است. روش پیشنهادی روی دو تصویر ابرطیفی پاویا و برلین اجرا شد که آزمایش ها برتری کمّی و کیفی به کارگیری این روش را نشان می دهد. کم بودن دقت نتایج در تصویر برلین می تواند به دلیل پیچیدگی این تصویر، در مقایسه با تصویر پاویا باشد.