Nuove proposte per la Classificazione Pixel-oriented di immagini multispettrali
Gianluca TRAMONTANA(*), Pier Luigi PORTA (**), Claudio BELLI (**) , Dario PAPALE (*)
(*) DISAFRI (Dipartimento di scienze dell’ambiente forestale e delle sue risorse), Università della Tuscia, [email protected](**) Terrasystem s.r.l, Via Pacinotti n.55 (VT), 0761250626 [email protected], [email protected]
Introduzione
La classificazione supervised pixel-oriented di immagini multispettrali rappresenta un valido mezzo per la produzione di cartografie tematiche (es. distribuzione delle colture agrarie permanenti).
La bontà dei risultati ottenuti è influenzata da:•similarità spettrale tra le classi da rappresentare;•eterogeneità di alcune classi di uso del suolo (es. i terreni agrari).
Errori più frequenti: •presenza di pixel isolati mal classificati;•confusione tra oggetti spettralmente simili.
Obbiettivo dell’elaborato: Migliorare l’accuratezza di classificazione, sulla base di elementi discriminanti individuati in:• indici di vegetazione multitemporali;• informazioni spaziali elaborate, a mezzo di un sistema di supporto decisionale Multicriteria evaluation (MCE), seguendo un approccio di tipo empirico.
Contesto di questo lavoro: produzione di una cartografia tematica dei noccioleti nel Nord della Turchia a mezzo di classificazione supervised pixel-oriented di immagini multispettrali a media risoluzione (Landsat TM5).
Obbiettivo
Materiali
L’area di studio: fascia al Nord della Turchia, compresa tra: 29.8° e 32.04° di longitudine est, 40.4° e 41.54° di latitudine Nord.
Immagini utilizzate: •LANDSAT TM 5 acquisite il 01/07/2005; •indici di vegetazione NDVI, acquisiti dal satellite MODIS (prodotto Mod 13), tra
gli anni 2003-2005, con una risoluzione spaziale di 250 m e temporale di 16 giorni;•DEM realizzato dalla NASA e dall’ente statunitense NGA (National Geospatial-Intelligence Agency), ad una risoluzione spaziale di 90m;•Immagini ad alta risoluzione disponibili sul portale on-line Google-Earth.
Metodi
Raccolta dati: •rilievo GPS dei siti a nocciolo ed ad altra classe di vegetazione, effettuato tra il 09/05/2006 ed il 30/05/2006. Per ogni sito sono state raccolte le seguenti informazioni: classe di uso del suolo, quota, pendenza, esposizione, copertura della vegetazione. Nel caso specifico dei noccioleti sono stati raccolti dati colturali quali: il sesto d’impianto, il numero di polloni per pianta, l’età della coltura etc;
•campionamento e fotointerpretazione di punti random sul portale Google-earth (in aree con alta risoluzione disponibile), per un totale di circa 1000 elementi campione per l’elaborazione qui presentata, (circa 2000 per tutta l’area).
Elaborazione preliminare delle immagini.
Immagini Landsat:•ortoproiezione nel sistema di riferimento UTM-36n con Datum WGS84;•correzione atmosferica con il metodo del Dark Object.
Immagini Modis:•ritaglio e georeferenziazione dell’area di interesse, nel sistema di riferimento UTM-36n, datum WGS84;•eliminazione dei pixel con valori anomali a mezzo dei codici binari Quality-check forniti dal produttore.
Metodi
Elaborazione multitemporale.Sono stati individuati tre periodi stagionali significativi, in cui il nocciolo risultava separabile dalle altre classi di vegetazione in virtù del differente ritmo fenologico.
Sono risultati significativi i periodi stagionali a partire dai giorni giuliani 65, 225 e 305, per una durata di circa 30-45 giorni.
Metodi
Per ogni periodo individuato, è stata calcolata l’immagine media di tre anni (2003-2005).
Andamento dell'indice Ndvi per i siti a nocciolo ed i boschi di latifoglie
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 100 200 300 400
giorni giuliani
Nd
vi Boschi di latifoglie
Noccioleti
Elaborazione Multicriteria-evaluation (MCE): individuazione dei criteri.
Per tutti i punti campione, sono stati determinati i valori dei seguenti fattori: quota, pendenza, distanza dal mare, ed indice di vegetazione NDVI, calcolato sulle bande spettrali Landsat.
Distribuzione dei boschi di latifoglie in relazione alla quota
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
quota (m)
fr(y
|x)
Distribuzione dei siti a nocciolo in relazione alla quota
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45
quota (m)
fr(y
|x)
Serie1
Metodi
Distribuzione dei siti a bosco di latifoglie in relazione alla pendenza
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0-5 05-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50
pendenza (°)
fr(y|
x)
Per ogni classe e fattore, sono state elaborate, delle distribuzioni campionarie empiriche, al fine di individuare degli elementi legati
all’uso del suolo.
Elaborazione Multicriteria-evaluation (MCE): i fuzzy-set.
Considerando singolarmente le varie classi, le immagini relative ai fattori legati alla distribuzione dei siti, sono state elaborate a mezzo di funzioni fuzzy.
Metodi
Distribuzione dei noccioleti in funzione della quota
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
50 150
250
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
quota (m)
d (
y|x)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
Distribuzionicampionarie
Valori fuzzy
per x < 250
2
*1cos)( 2 ab
axxf
per 350 < x < 1000
2
*cos)( 2 cd
cxxf
per 250 < x < 350
f(x) = 1
I fuzzy-set, così definiti, esprimono il grado di appartenenza di un’area ad una classe, in relazione ad uno specifico criterio.
Metodi
Distribuzione dei boschi di latifoglie in relazione alla pendenza
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
2.5 7.5 12.5 17.5 22.5 27.5 32.5 37.5 42.5 47.5
pendenza (°)
d(y
|x)
Distribuzionicampionarie
Valori fuzzy
2
*1cos)( 2 ab
axxf
Elaborazione Multicriteria-evaluation (MCE): i fuzzy-set.
Metodi
Fattori utilizzati per la definizione dei fuzzy-set, relativamente alla varie classi di uso del suolo: Agrario: quota, pendenza, indice NDVI;Boschi di latifoglie: quota, pendenza, indice NDVI; Boschi di conifere: quota, pendenza, indice NDVI;Incolti: quota, pendenza, indice NDVI;Noccioleti: quota, indice NDVI;Pioppeti: pendenza.
Funzioni fuzzy applicate
Elaborazione Multicriteria-evaluation (MCE): i fuzzy-set.
Aggregazione dei fuzzy-set.
Singolarmente per ogni classe, è stata effettuata l’aggregazione dei fuzzy-set a mezzo di combinazione lineare ponderata (elaborazione Multicriterio Monobbiettivo).
Metodi
Sono state effettuate 4 differenti prove di classificazione:
1. Classificazione di verosimiglianza sulle bande Landsat;
2. Classificazione di verosimiglianza sulle bande Landsat ed indici di vegetazione NDVI (Modis) multitemporali;
3. Classificazione di verosimiglianza sulle bande Landsat, indici di vegetazione multitemporali e immagini elaborate con gli algoritmi MCE;
4. Classificazione soft con algoritmi Bayesiani, sulle bande Landsat ed indici di vegetazione multitemporali, utilizzando le immagini elaborate con il metodo MCE come immagini di probabilità a priori.
Prove di classificazione.
Risultati
1. Classificazione di verosimiglianza sulle bande multispettrali Landsat.
Indici di accuratezza per la classe Nocciolo:kia*= 0.78; kia**= 0.61accuratezza per l’utilizzatore* e per il produttore**
Risultati2. Classificazione di verosimiglianza su base Landsat ed indici di Vegetazione NDVI multitemporali.
Indici di accuratezza per la classe Nocciolo:kia*= 0.81; kia**= 0.67accuratezza per l’utilizzatore* e per il produttore**
Risultati
3. Classificazione di verosimiglianza su base Landsat, indici NDVI multitemporali, ed immagini elaborate con algoritmi MCE.
Indici di accuratezza per la classe Nocciolo:kia*= 0.88; kia**= 0.86accuratezza per l’utilizzatore* e per il produttore**
Risultati
4. Classificatore soft Bayesiano.
Indici di accuratezza per la classe Nocciolo:kia*= 0.87; kia**= 0.86accuratezza per l’utilizzatore* e per il produttore**
Risultati
Classificatore soft BayesianoClassificazione di verosimiglianza con algoritmi MCE ed NDVI multitemporali
Classificazione di verosimiglianza con indici Ndvi multitemporali
Classificazione di verosimiglianza sulle bande Landsat Tm5
Massima verosimiglianza su base Landsat
Massima verosimiglianzacon indici Ndvi multitemporali
Massima verosimiglianza con immagini landsat,
indici Ndvi multitemporali, ed
immaginielaborate con il MCE.
Classificatore Bayesiano
Classe kia* kia** kia* kia** kia* kia** kia* kia**Noccioleti 0.78 0.61 0.81 0.67 0.88 0.86 0.87 0.86Latifoglie 0.64 0.57 0.7 0.59 0.86 0.78 0.83 0.8
Conifere 0.61 0.78 0.59 0.78 0.75 0.84 0.77 0.8
Incolti 0.25 0.47 0.43 0.72 0.98 0.93 1 0.86
Agrario 0.58 0.22 0.54 0.43 0.8 0.94 0.57 0.95Frutteti 0 0 0 0 1 1 0Pioppeti 0.06 0.27 0.06 0.13 1 1 1 1
Prati 0.06 0.16 0.14 0.32 1 1 1 0.95
Urbano Suoli Nudi
0.86 0.94 0.83 0.94 0.98 0.98 0.96 0.94
Corpi idrici 1 0.91 1 0.91 1 1 1 0.45
Overall kappa
Overall kappa
Overall kappaOverall kappa
0.59 0.65 0.88 0.81
Risultati
accuratezza per l’utilizzatore* e per il produttore**
Confronto tra le classificazioni mediante gli indici di accuratezza kia.
Classificazione con indici NDVI multitemporali
Risultati
Immagine tratta da Google Earth Classificazione su base Landsat
Classificazione con immagini elaborate al Mce e indici Ndvi multitemporali
Classificatore Bayesiano
NoccioletiBoschi di latifoglieBoschi di ConifereIncoltiTerreni agrariPratiFruttetiPioppetiUrbanoCorpi Idrici
Legenda
Immagine tratta da Google Earth Classificazione su base Landsat
Classificazione con indici NDVI multitemporali
Classificazione con immagini elaborate al Mce e indici Ndvi multitemporali
Classificatore Bayesiano
Risultati
NoccioletiBoschi di latifoglieBoschi di ConifereIncoltiTerreni agrariPratiFruttetiPioppetiUrbanoCorpi Idrici
Legenda
Conclusioni
L’elaborazione qui proposta si presenta come un’alternativa semplice ed efficace per il miglioramento delle classificazioni pixel-oriented di immagini multispettrali (sia per quanto riguarda gli errori di omissione che di commissione) finalizzate alla produzione di cartografie tematiche su vasti comprensori ed a bassi rapporti di scala.
Gli algoritmi MCE hanno consentito di:a) introdurre e utilizzare informazioni ancillari, legate ai tematismi classificati in maniera
specifica e differenziata, compensando l’eterogeneità spettrale tipica di alcune classi (es. terreni agrari);
b) integrare informazioni sia di carattere empirico che analitico.
E’ evidente una consistente riduzione dei pixel isolati mal-classificati, probabilmente legata all’introduzione di un’informazione relativa alla continuità spaziale delle classi.
L’elaborazione multitemporale ha rappresentato lo strumento migliore al fine di massimizzare la distinzione su base spettrale di classi di vegetazione tra loro simili (es. boschi di latifoglie e noccioleti) in virtù del ritmo fenologico.
Conclusioni
Le immagini classificate con l’ausilio del sistema di supporto decisionale risultano molto generalizzate. Ciò potrebbe esser dovuto al ridotto numero di criteri adottati. Tale caratteristica va tenuta presente quando si decida di utilizzare questo metodo.
Ai fini dell’individuazione delle aree potenziali, risulta sempre necessaria una conoscenza della realtà a terra, finalizzata anche alla digitalizzazione di maschere booleane e/o fuzzy.
Possibili sviluppi:
•sulla base periodi individuati nelle serie storiche degli indici Ndvi Mod 13, inserire nel classificatore bande multitemporali ad una maggiore risoluzione (es. immagini Landsat);
•migliorare il sistema di supporto decisionale, individuando altri criteri in fattori vari, legati alla biologia della coltura (es. mappe climatiche), agronomici (es. mappe dei suoli), o antropici (es. la distanza dai centri urbani e/o di lavorazione).
Grazie a tutti per la cortese e paziente attenzione!
