Αυτόματη Εξαγωγή Τοπογραφικών και Γεωμορφολογικών Χαρακτηριστικών Πυθμένα από Ψηφιακά Χωροθετημένα Βυθομετρικά Μοντέλα Πυθμένα με Αντικειμενοστραφή Ανάλυση

Abstract

Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι δυνατότητες της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης με αποκλειστική χρήση ψηφιακού μοντέλου εδάφους για την διερεύνηση και αυτόματη αναγνώριση τοπογραφικών γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του πυθμένα της θάλασσας. Σαν περιοχές μελέτης χρησιμοποιήθηκαν τμήματα του πυθμένα στο στενό του Ρίου Αντιρρίου καθώς και του στενού του Καφηρέα στην θαλάσσια περιοχή ανάμεσα στα νησιά Άνδρος – Εύβοια. Τα δεδομένα παραχωρήθηκαν από την εταιρεία akti engineering και ήταν πέντε τμήματα ψηφιακών μοντέλων εδάφους (ΨΜΕ) ανάλυσης 2,5x2,5 μέτρα για την περιοχή Ρίο Αντίρριο (δύο τμήματα) και 10x10 μέτρα για την περιοχή Άνδρος Εύβοια (τρία τμήματα), καθώς και φωτοσκιασμένες απεικονίσεις αυτών των τμημάτων αλλά και περαιτέρω πληροφορίες οι οποίες συνετέλεσαν σημαντικά στην ολοκλήρωση της μελέτης. Και τα δυο ΨΜΕ προέκυψαν από επεξεργασία μετρήσεων πολυδεσμικού ηχοβολιστή. Δημιουργήθηκαν τα παράγωγα ψηφιακού μοντέλου εδάφους τιμή κλίσης (slope gradient), προσανατολισμός κλίσης (slope aspect) και δείκτης θετικού openness (Morphometric Protection Index-MPI) στο ελεύθερο λογισμικό SAGA-GIS. Ακολούθως δημιουργήθηκαν πέντε διαφορετικά έργα-projects στην δοκιμαστική εκδοχή του προγράμματος αντικειμενοστραφούς ανάλυσης eCognition 2.1, ένα για κάθε τμήμα ΨΜΕ. Σε όλα τα projects δημιουργήθηκαν συνολικά έξι επίπεδα ανάλυσης, τέσσερα από αυτά μέσω της κατάτμησης πολλαπλής ανάλυσης και τα υπόλοιπα δυο μέσω της κατάτμησης βάσει ταξινόμησης. Κατά την κατάτμηση και την ταξινόμηση έγινε χρήση των θεματικών επιπέδων slope, aspect και MPI ενώ το ΨΜΕ δεν χρησιμοποιήθηκε αυτούσιο στην διαδικασία. Η κατάτμηση ξεκίνησε από το υψηλότερο επίπεδο 6, ακολούθησε το επίπεδο 5, το επίπεδο 3 και το επίπεδο 1. Τα επίπεδα αυτά ταξινομήθηκαν και σύμφωνα με κάποιες από τις κλάσεις που χρησιμοποιήθηκαν στην ταξινόμηση δημιουργήθηκαν τα επίπεδα 4 και 2 από τα 3 και 1 αντίστοιχα. Μετά την δημιουργία και ταξινόμηση του επιπέδου 2 διαγράφηκε η ταξινόμηση του επιπέδου 1 και δημιουργήθηκαν νέες κλάσεις για την ταξινόμηση των αντικειμένων του, οι οποίες και αποτελούν τις τελικές κατηγορίες. Οι κατηγορίες στις οποίες ταξινομήθηκαν τα αντικείμενα στο τελικό αποτέλεσμα είναι οι: υπόβαθρο εικόνας (final background), επίπεδο έδαφος (final level ground), κανάλια με απότομες κλίσεις (final steep), κανάλια με ομαλές κλίσεις (final gentle slopes), επιμήκεις κυρτοί σχηματισμοί-ράχες (final_ridges), άλλοι κυρτοί σχηματισμοί (final mounds), άλλοι κυρτοί σχηματισμοί μέσα σε κοίλους (final mounds on concave) κοίλοι σχηματισμοί εκτός από κανάλια-ουλές (final scars) και κοίλοι σχηματισμοί σε κυρτούς (final scars on convex). Οι περιγραφές των κλάσεων βασίστηκαν σε ασαφείς συναρτήσεις συμμετοχής τιμών παραγώγων του ΨΜΕ, χαρακτηριστικών σχήματος καθώς και σε κανόνες χωρικών σχέσεων μεταξύ των κατηγοριών. Τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν μέσω αλγορίθμων του λογισμικού για την ευστάθεια της ταξινόμησης σύμφωνα με τις περιγραφές των κατηγοριών αλλά και οπτικά για έλεγχο διαφορών ανάμεσα στα αποτελέσματα της αντικειμενοστραφούς ανάλυσης και των αποτελεσμάτων της εταιρείας η οποία παραχώρησε τα δεδομένα.

This thesis explores the possibilities of object oriented image analysis in delineating topographical and geomorpological features of the seabed. The study areas are parts of the Greek seabed in the areas between Rio Antirio and between the islands Andros-Evia. The data used in the project were granted for the purposes of the study by the company akti engineering and are composed of five pieces of Digital Elevation Models (DEM) with a resolution 5x5 meters for the two pieces of Rio Antirio and with a resolution of 10x10 meters for the rest, as well as shaded relief images of the DEM and useful information about the study areas. Both DEM were created from the processing of acoustic information acquired with a multibeam echo sounder. For the sake of the project DEM products such as slope gradient, slope aspect and positive openness (Morphometric Protection Index, MPI) images were derived from the original DEM using the SAGA-GIS, a free geographic information system. Overall five projects were created in the demo version of the object oriented image analysis software eCognition 2.1, one for each DEM. In each project six levels were created with segmentation, four of which with the multiresolution segmentation algorithm and the other two with the algorithm classification based segmentation –merge objects in new level. For the purposes of segmentation and classification only the layers slope gradient, slope aspect and MPI were used. The multiresolution segmentation algorithm was applied firstly for the creation of the higher level; level 6, then level 5, 3 and 1 were created. After classifying those four levels the classification was used in levels 3 and 1 for creating levels 4 and 2 respectively. After creating and classifying level 2 the classification of level 1 was deleted and a new class hierarchy and class descriptions were used for the new and final classification of level 1. The final classes are: final background, final level ground, final steep, final gentle slopes, final ridges, final mounds, final mounds on concave, final scars, final scars on convex. The class descriptions were defined by fuzzy membership functions of features such as layer values, object’s shape features and class relater features. Finally, an evaluation of the classification results was executed with two algorithms provided by the software as well as an assessment of whether the final classification agreed with the results provided by the company that granted the original data.