Διερεύνηση μεθόδων ανίχνευσης μεταβολών σε τηλεπισκοπικές εικόνες, με ανάπτυξη ελεύθερου λογισικού στην πλατφόρμα Orfeo Toolbox

Abstract

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας ήταν η παρουσίαση, ανάλυση και αξιολόγηση της βιβλιοθήκης λογισμικού, ελεύθερου κώδικα, Orfeo Toolbox και η υλοποίηση ανίχνευσης μεταβολών μέσω αυτής. Πρόκειται για μια ελεύθερη βιβλιοθήκη γραμμένη σε C++, που περιέχει πληθώρα τηλεπισκοπικών εφαρμογών. Παρόλο που το OTB αποτελεί μια νέα πλατφόρμα κώδικα, οι αλγόριθμοι που περιέχει είναι πολλοί και καλύπτουν τις βασικές εργασίες τηλεπισκόπησης. Έτσι και αλλιώς η πλατφόρμα συνεχώς εμπλουτίζεται και βελτιώνεται, καθώς ανά τακτά χρονικά διαστήματα είναι διαθέσιμες καινούργιες εκδόσεις της στους χρήστες. Το γεγονός μάλιστα, ότι αποτελεί λογισμικό ελεύθερου και ανοιχτού κώδικα, καθιστά την βελτίωση του πολύ πιο εύκολη, καθώς οποιοδήποτε πρόβλημα και έλλειψη υπάρχει στον κώδικα, μπορεί να εντοπιστεί και να διορθωθεί από όλους τους χρήστες της. Το περιεχόμενο της διπλωματικής εργασίας, χωρίζεται σε δύο ξεχωριστά μέρη. Το πρώτο μέρος, αναφέρεται στην εξοικείωση του χρήστη με την πλατφόρμα και το γραφικό της περιβάλλον (monteverdi). Στο μέρος αυτό, πραγματοποιούνται κάποιοι βασικοί αλγόριθμοι τηλεπισκόπησης, έτσι ώστε ο χρήστης να εξοικειωθεί με το περιβάλλον και να καταλάβει την φιλοσοφία δόμησης του κώδικα. Οι κώδικες (εκτελέσιμα αρχεία) που εκτελέστηκαν στο συγκεκριμένο κομμάτι, είτε υπήρχαν σαν παράδειγμα μέσα στην πλατφόρμα, είτε τροποποιήθηκαν προκειμένου να εφαρμοστούν στην αντίστοιχη εφαρμογή. Σε κάθε περίπτωση όμως, μέσα από το εγχειρίδιο, ο χρήστης μπορεί να δεί πως δομούνται οι βασικές εργασίες τηλεπισκόπησης σε οπτικά δεδομένα, και να κατασκευάσει τα δικά του αρχεία που να περιέχουν τις δικές του ρουτίνες. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας, έγινε μια προσπάθεια εμπλουτισμού του κώδικα της πλατφόρμας, που πραγματοποιεί ανίχνευση μεταβολών. Αφού λοιπόν, παρουσιάστηκαν αναλυτικά και εκτελέστηκαν οι αλγόριθμοι ανίχνευσης μεταβολών που χρησιμοποιούν οπτικά δεδομένα και παρέχονταν ήδη από την βιβλιοθήκη, έγινε μια προσπάθεια κατανόησης του τρόπου δόμησης των ανάλογων κλάσεων έτσι ώστε αυτές να χρησιμοποιηθούν και για τος νέους αλγορίθμους που δημιουργήθηκαν. Πέρα από τους ενσωματωμένους αλγορίθμους ανίχνευσης μεταβολών, οι οποίοι προσαρμόστηκαν στις συνθήκες της εφαρμογής μας, προγαμματίστηκαν στο πλαίσιο συνεισφοράς στην ελεύθερη βιβλιοθήκη OTB και με βάση τις προδιαγραφές της, τέσσερις επιπλέον αλγόριθμοι, διαδεδομένοι σε σύγχρονα εμπορικά λογισμικά. Οι αλγόριθμοι αυτοί είναι ο αλγόριθμος της Διαφοράς Έντασης, ο Tasseled Cap, ο αλγόριθμος Διαχωρισμού Χρωμάτων και ο αλγόριθμος Διαφορών Κλίσεων. Σε πρώτο στάδιο, σε κάθε αλγόριθμο έγινε ο κατάλληλος μετασχηματισμός των εικόνων και στην συνέχεια υλοποιήθηκαν οι τεχνικές κανονικοποιημένου λόγου και κανονικοποιημένης διαφοράς. Όλοι οι αλγόριθμοι εφαρμόστηκαν σε εικόνες Ikonos του 2000 και 2007, για την περιοχή της Αττικής Οδού και έγινε αξιολόγηση των αποτελεσμάτων τα οποία κρίνονται πολύ ικανοποιητικά.

The present Diploma Thesis aims at the presentation, analysis and enrichment of the free/open source library Orfeo ToolBox as well as the application of the algorithms of change detection through it. This open source library is written in C++ programming language and contains a multitude of image processing algorithms. Beside this large number of applications, it also covers the main functionalities of remote sensing image processing, however new it may be. Furthermore it is being continuously enriched and improved, since new releases are quite often available to the users. The fact that is an open source software makes its improvement easier, as every problem and deficiency that may exist in the code, could be located and repaired by its users. This Thesis, is divided in two parts. The first part, refers to the familiarization of the user with the graphical environment of the platform (Monteverdi). Moreover several remote sensing applications are realized, in order to help the user to get familiarized with and understand the philosophy of the code. The code files executed in the particular part, were either examples in the platform or they were modified in order to apply in every application. In every case, the user can observe through this manual how the basic applications of remote sensing in optical data are constructed, and make his own files with his own routines. The second part of this Diploma Thesis, is an effort of enriching the code of the platform, that realizes change detection techniques. After the analytic presentation and execution of the existing change detection algorithms which use optical data, an effort was made to understand the way that the existing classes were constructed and used in the existing algorithms. Apart from the use and modification of the existing change detection algorithms, there was an effort to program four new algorithms, anailable in commercial software, according to the OTB development requirements. These algorithms are the following: Magnitude Difference, Tasseled Cap, Color Difference and Band-Slope Difference. Firstly, in every algorithm the suitable transform of the images was performed. Then the techniques of normalized ratio and normalized difference were used in order to derive the changes. All the algorithms were applied and evaluated at Ikonos images of years 2000 and 2007, in Attica region (Attiki Odos construction sites) and the results were satisfactory.