Ανίχνευση κτιρίων με γεωμορφομετρία και αντικειμενοστρεφή ανάλυση εικόνων - Μπέκα, Στυλιανή (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών. Τομέας Τοπογραφίας. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης, 2015)
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανίχνευση κτιρίων από την ψηφιακή επεξεργασία δεδομένων εικόνων που έχουν ληφθεί από μέσα τηλεπισκόπησης. Για την ανίχνευση των κτιρίων στις εικόνες, εφαρμόζεται συστηματική και συνδυαστική μεθοδολογία εφαρμογής σύγχρονων ψηφιακών αλγορίθμων, αφενός μεν αντικειμενοστρεφούς ανάλυσης (objects based image analysis) και αφετέρου δε γεω(μορφομετρικών) φίλτρων-δεικτών. Τα δεδομένα που ήταν διαθέσιμα καταγράφηκαν σε περιοχή της Γερμανίας. Η περιοχή μελέτης αφορά σε εικόνα μεγέθους 7640 x 4440 εικονοστοιχείων (pixels), ανάλυσης (resolution) 0,5μέτρων, η οποία για την ευχερέστερη επεξεργασία της, διαιρέθηκε σε τρείς μικρότερες περιοχές με εικόνες μεγέθους 2565 x 4440 pixels η κάθε μια. Η αντικειμενοστρεφής ανάλυση υλοποιείται μέσω του λογισμικού εικόνων e-Cognition (9.0) και η γεωμορφομετρική ανάλυση μέσω του λογισμικού System for Automated Geoscientific Analyses -SAGA-GIS (2.0.8). Το λογισμικό e-Cognition (9.0), αναπτύχθηκε από την DEFINIENS Imaging GmbH (πλέον Trimble Navigation Ltd), ενώ το λογισμικό SAGA-GIS (2.0.8) ανήκει στην κατηγορία ψηφιακών αλγορίθμων ανοικτής πηγής (Free Open Source Software -FOSS). Η επεξεργασία των δεδομένων καθώς και το σύνολο των υπολογισμών και διερευνήσεων υλοποιούνται σε προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή λειτουργούντα σε περιβάλλον Microsoft Windows 7 -64 bit, ο οποίος είναι εφοδιασμένος με κεντρικό επεξεργαστή Intel Core i7 2700k, με 8 Gigabyte μνήμης RAM και ξεχωριστής Κάρτας Γραφικών εφοδιασμένης με 2 Gigabyte Video RAM. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι πολυφασματικά και υψομετρικά. Τα πολυφασματικά δεδομένα, έχουν ληφθεί από γραμμικό σαρωτή τεσσάρων καναλιών και τα υψομετρικά δεδομένα από σαρωτή τεχνολογίας LiDAR. Τα εν λόγω δεδομένα συνοψίζονται στα ακόλουθα:  Ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο επιφανείας πρώτου παλμού μεγίστων τιμών DSM FE Highest values.  Ψηφιακό μοντέλο εδάφους DTM (Digital Terrain Model)  Ψηφιακό μοντέλο διαφορών DSM_FE-DSM_LE  Ψηφιακά δεδομένα εικόνων στα τέσσερα φασματικά κανάλια Red, Green Blue, Infrared. Από τα παραπάνω αρχικά δεδομένα που ήταν διαθέσιμα για τη διεκπεραίωση αυτής της εργασίας, τα πρώτα τρία (υψομετρικά) εισάγονται στο λογισμικό SAGA-GIS (2.0.8) έτσι ώστε να δημιουργηθούν τα παρακάτω θεματικά επίπεδα:  Διαφοράς του ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Terrain Model, DTM) από το ψηφιακό μοντέλο επιφανείας πρώτου παλμού μεγίστων τιμών (DSM First Echo Highest Values) DIFF (FEH-DTM)  Κλίσης (SLOPE) της διαφοράς του ψηφιακού μοντέλου επιφανείας τελευταίου παλμού (DSM_LE) από το ψηφιακό μοντέλο επιφανείας του πρώτου παλμού (DSM_FE) και  Τοπογραφικού δείκτη τραχύτητας του εδάφους (TRI) της διαφοράς του ψηφιακού μοντέλου επιφανείας τελευταίου παλμού (DSM_LE) από το ψηφιακό μοντέλο επιφανείας του πρώτου παλμού (DSM_FE) . Τα παραπάνω θεματικά επίπεδα, μαζί με τα αρχικά Ψηφιακά δεδομένα εικόνων στα τέσσερα φασματικά κανάλια Red, Green Blue & Infrared, εισάγονται στο λογισμικό e-Cognition (9.0), προκειμένου να υλοποιηθεί η αντικειμενοστρεφής ανάλυση. Η ανάλυση πραγματοποιείται με δύο μεθοδολογικές προσεγγίσεις, κατ’ αρχήν ξεχωριστά για κάθε μια από τις τρείς περιοχές στις οποίες χωρίζεται η αρχική εικόνα και στη συνέχεια και με την εφαρμογή στις δύο τελευταίας περιοχές, ενιαίας βάσης γνώσης που δημιουργείται στο λογισμικό e-Cognition, με βάση τις κατηγορίες της πρώτης περιοχής μελέτης. Στην πρώτη μεθοδολογική προσέγγιση, η επεξεργασία των δεδομένων στις τρείς υπό επεξεργασία περιοχές, περιλαμβάνει την δημιουργία δύο (2) επιπέδων κατάτμησης και ισάριθμων επιπέδων ταξινόμησης. Αρχικά τα αντικείμενα διαχωρίζονται σε ψηλά και χαμηλά και εντοπίζονται και οι ακμές. Η τελική ταξινόμηση πραγματοποιείται στο δεύτερο επίπεδο, αποτέλεσμα της οποίας είναι ο εντοπισμός των κτιρίων. Σε όλες τις εξεταζόμενες περιοχές ακολουθούνται παρόμοιες διαδικασίες, με λίγες μόνο τροποποιήσεις στα όρια των πεδίων τιμών των ιδιοτήτων των κατηγοριών που δημιουργήθηκαν στο στάδιο της ταξινόμησης. Στη δεύτερη μεθοδολογική προσέγγιση, μετά από τη δημιουργία, στο λογισμικό e- Cognition 9.0, βάσης γνώσης για τις κατηγορίες της πρώτης περιοχής, διερευνάται και εφαρμογή της ως ενιαίας βάσης γνώσης, για την αυτοματοποιημένη αναγνώριση κτιρίων από παρόμοια δεδομένα στις περιοχές δύο και τρία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα κτίρια εντοπίστηκαν και με τις δύο μεθοδολογίες που ακολουθήθηκαν. Κατόπιν, ακολουθεί αξιολόγηση των ταξινομήσεων η οποία πραγματοποιείται με χρήση των εργαλείων που ενσωματώνει το λογισμικό e-Cognition (9.0). Συγκεκριμένα, οι ταξινομήσεις αξιολογούνται με τρείς τρόπους, τη μέθοδο καλύτερης ταξινόμησης (best classification result), τη μέθοδο σταθερότητας ταξινόμησης(classification stability) και τη μέθοδο του πίνακα σύγχυσης βασισμένου σε δείγματα (error matrix based on samples). Για την πρώτη μεθοδολογική προσέγγιση (ανάλυση των περιοχών ξεχωριστά), η αξιολόγηση των ταξινομήσεων δίδει πολύ καλά αποτελέσματα και οι μέσες τιμές όλων σχεδόν των κατηγοριών (τάξεων), κυμαίνονται κοντά στη μονάδα. Αντίστοιχα για τη δεύτερη μεθοδολογική προσέγγιση (ανάλυση με ενιαία βάση γνώσης) η αξιολόγηση δίδει επίσης πολύ καλά αποτελέσματα και οι μέσες τιμές όλων σχεδόν των κατηγοριών κυμαίνονται μεταξύ του 0,83 και της μονάδας. Ειδικότερα, η αξιολόγηση με τη μέθοδο του πίνακα σύγχυσης βασισμένου σε δείγματα με την οποία εξασφαλίζεται σχεδόν απόλυτα η απαιτούμενη σαφήνεια αξιολόγησης, αποδίδει εξαιρετικά ικανοποιητικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, η συνολική ακρίβεια του δεύτερου επιπέδου κατάτμησης – ταξινόμησης, κυμαίνεται μεταξύ 0,9 και 0,98 ανεξάρτητα μεθοδολογικής προσέγγισης και αντίστοιχα ο δείκτης “Kάπα” (Kappa Index of Agreement ) κυμαίνεται μεταξύ 0,88 και 0,98. Μετά την ολοκλήρωση της αξιολόγησης των ταξινομήσεων ακολουθεί η καταγραφή των συμπερασμάτων που αφορούν τόσο στη συνολική εμπειρία, που αποκομίσθηκε από την υλοποίηση της παρούσας εργασίας, όσο και σε επιμέρους αντικείμενα της μεθοδολογίας υλοποίησης. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται με τη διατύπωση των προοπτικών που ανοίγονται από την παρούσα, αφενός σαν θέματα περαιτέρω εξέτασης και αφετέρου σαν πρακτικές εφαρμογές της μεθοδολογίας που εφαρμόσθηκε.