در سنجش از دور با استفاده از ماهواره های مشاهده زمین فرایند داده برداری از پدیده های مختلف سطح زمین انجام می شود. کار اصلی سنجش از دور برداشت داده ها و استخراج اطلاعات کاربردی از آن ها است. در همین راستا کار کارشناسان سنجش از دور تولید پروداکت های کاربردی از تصاویر ماهواره ای خام است که قابلیت استفاده در مطالعات مختلف را داشته باشد. اما سوال این جا است که این پروداکت ها تا چه خدی دقیق هستند و تا چه اندازه قابل اطمینان. این مقاله در ارتباط با موضوع دقت پروداکت هایی است که با استفاده از تکنیک های پردازش تصاویر ماهواره ای تولید می شود. اگر می خواهید با انواع خطاها و دقت تصاویر ماهواره ای آشنا شوید این مقاله را تا انتها مطالعه کنید.
انواع خطاها در سنجش از دور
موضوع دقت در تصاویر ماهواره ای و پروداکت های آن از سه بعد قابل ارزیابی است که در زیر به هریک از آن ها اشاره شده است:
خطای مکانی در حقیقت همان خطای هندسی است. یک تصویر ماهواره ای از لحاظ هندسی باید دقیق باشد. به عبارت دیگر دقت هندسی اشاره به این دارد که مختصات های نمایش داده شده در تصویر تا چه اندازه درست هستند و اینکه آیا از لحاظ مختصاتی با سایر داده های موجود هم خوانی و تطابق دارند؟ امروزه بسیاری از داده های ماهواره ای بصورت زمین مرجع شده عرضه می شوند و از لحاظ هندسی قابل اطمینان هستند. در غیر این صورت با استفاده از تکنیک های تصحیحات هندسی می توانید نسبت به اصلاح خطاهای موجود در این رابطه اقدام نمایید.
بسیاری از تصاویر ماهواره ای بصورت تصحیح شده عرضه می شوند با این حال هنوز کاربران بصورت کامل از مرحله تصحیحات رادیومتریکی به منظور برطرف سازی خطاهای طیفی جدا نشده اند. تصاویر ماهواره ای از لحاظ رادیومتریکی و طیفی دارای خطاهایی هستند که پیش از آغاز مراحل استخراج اطلاعات باید نسبت به اصلاح آن ها اقدام شود. به عنوان مثال تصحیح اثر اتمسفر یکی از مرسوم ترین روش های تصحیح خطاهای طیفی است که بواسطه آن می توان نسبت های بازتابی صحیح هریک از پدیده ها را محاسبه کرد.
خطای موضوعی یا همان thematic errors اشاره به میزان دقت نقشه های تولید شده از تصاویر ماهواره ای دارد. اینکه کلاس های نقشه های تولید شده تا چه اندازه با پوشش های سطح زمین تطابق دارند مربوط به دقت موضوعی آن است که معمولا با استفاده از تکنیک های مربوط به ماتریس خطاها قابل اندازه گیری است.
خطاهای تکنیکی بر اساس دستورالعمل های پردازشی اشتباه ایجاد می شوند. در سنجش از دور برای استخراج اطلاعات از تصاویر ماهواره ای نیاز به انجام سلسله ای از پردازشی های مشخص و معنی دار برای رسیدن به یک هدف مشخص است. در صورتی که ترتیب درست پردازش ها در نظر گرفته نشود، نتایج بدی را به همراه خواهد داشت. در این راستا کاربران باید تلاش کنند تا با کمترین تعداد مراحل پردازشی و درست ترین آن ها به اطلاعات هدف دسترسی پیدا کنند. افزایش کم اهمیت پردازش ها باعث افزایش خطا در نتایج و کاهش کیفیت داده ها می شود.
دقت قابل قبول در سنجش از دور
برخی از خطاها مانند خطاهای مکانی، طیفی و موضوعی به عنوان یک ویژگی ذاتی در تصاویر ماهواره ای است که بصورت کامل قابل برطرف کردن نیست اما میزان آن قابل تنظیم است. بنابراین در هر شرایطی خطا در تصاویر ماهواره ای وجود دارد اما شما می توانید مقدار شدت آن را در یک رنج قابل قبول تنظیم کنید. تعیین خطای قابل قبول در تصاویر ماهواره ای خود یک چالش بزرگ است. نکته ای که واضح است آن است که صراحتا نمی توان گفت چه میزان خطا قابل قبول است اما در این رابطه بهتر است به مقالات و کتب نوشته شده توسط صاحب نظران این رشته علمی مراجعه نموده و میزان دقت مورد تایید را از آن ها استخراج کنید.
به عنوان مثال در بسیاری از مقالات معتبر سنجش از دور دیده شده است که نقشه های موضوعی با دقت بالای ۸۵ درصد به عنوان خروجی های معتبر و قابل قبولی مورد تایید قرار گرفته اند. از سوی دیگر در ارتباط با تصحیحات هندسی مقدار RMSE کمتر از نصف یک پیکسل به عنوان خطای قابل قبول هندسی مورد پذیرش قرار گرفته است. این دسته از مقادیر و اعداد در ارتباط با دقت نتایج با مطالعه مقالات و کتب به راحتی قابل استخراج و استناد است.
یک راه موثر دیگر برای ارزیابی دقت نتایج مقایسه با پروداکت های معتبر علمی است. امروزه بسیاری از پارامترهای محیطی توسط سازمان های معتبر جهانی مانند ناسا تولید شده و بصورت رایگان در اختیار کاربران قرار گرفته است. به عنوان مثال امروزه سنجنده مادیس عرضه کننده بسیاری از این پروداکت های آماده در مطالعات گوناگون است که تمامی مراحل پردازشی بر روی آن ها صورت گرفته است. در همین رابطه پروداکت LST سنجنده مادیس از دقت بالایی برخوردار است چون توسط مرجع کاملا معتبری (سازمان ناسا) تولید شده و در بسیاری از مطالعات برای اعتبارسنجی دمای سطح محاسبه شده از سایر داده های ماهواره ای استفاده می شود.
پارامترهای آماری اندازه گیری خطا
تکنیک های مختلفی برای اعتبارسنجی نتایج در سنجش از دور استفاده می شود. عموما اعتبارسنجی ها به دو صورت کمی و کیفی انجام می شود. در اعتبارسنجی های کیفی بصورت بصری و یا بر اساس دانش قبلی درست و غلط بودن خروجی حاصله تعیین می شود. به عنوان مثال روشن تر بودن پوشش گیاهی در مقایسه با سایر پوشش ها در شاخص NDVI یک امر بدیهی است اما در صورتی که خروجی NDVI چنین چیزی را نشان ندهد، بیانگر وجود خطا در محاسبه است. با این حال در روش های کمی از پارامترهای آماری برای اندازه گیری خطا استفاده می شود. برخی از پرکاربردترین پارامترهای آماری کاربردی در این رابطه عبارت اند از:
RSME به زبان ساده نشان دهنده اختلاف دو مقدار اندازه گیری شده است. این پارامتر بیشتر برای اعتبارسنجی دقت هندسی تصاویر ماهواره ای و مقادیر رادیومتریکی استخراج شده از تصاویر ماهواره ای استفاده می شود. به عنوان مثال زمانی که LST از یک تصویر ماهواره ای محاسبه می شود باید با مقادیر زمینی اعتبارسنجی شود. برای همین منظور از رابطه RMSE بین LST ماهواره و دمای سطح زمین اندازه گیری شده استفاده می شود. هرچقدر مقدار LST ماهواره به مقادیر زمینی نزدیک تر باشد، RMSE پایین تر است و این به معنای دقت بالای محاسبه انجام شده است. عموما مقادیر RMSE نزدیک به صفر نشان دهنده دقت بالاتر هستند.
همبستگی یکی دیگر از پارامترهای کاربردی است که نشان دهنده میزان تطابق تغییرات دو یا چند پارامتر نسبت به یکدیگر است. در رابطه RMSE میزان دقت مطلق مورد توجه است اما در رابطه همبستگی نسبت تغییرات در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال مساحت سطحی یک پوشش آبی با تصاویر لندست برای یک سال بصورت ماهیانه محاسبه شده است. در صورتی که روند تغییرات مساحت ثبت شده در تصاویر لندست با داده های زمینی تطابق داشته باشد، همبستگی بین آن ها بالا خواهد بود و برعکس. دامنه مقادیر همبستگی بین ۱- تا ۱+ متغیر است. در صورت وجود تطابق کامل روند تغییرات بین متغیرها، همبستگی معادل با عدد یک خواهد بود و در برعکس.
ماتریس خطاها به عنوان یک مولفه آماری پرکاربرد و اصلی در اعتبارسنجی نقشه های موضوعی است که از تصاویر ماهواره ای تولید می شود. ماتریس خطاها از مولفه های متعددی تشکیل شده است. که در آن دقت کلی نقشه و دقت هریک از کلاس ها بصورت جداگانه اندازه گیری می شود. به عبارت دیگر کار ماتریس خطاها اندازه گیری میزان تطابق هریک از کلاس ها با پوشش های متناظر آن در سطح زمین است.
مراجع اعتبارسنجی
همیشه برای اعتبارسنجی و اندازه گیری میزان خطا در تصاویر ماهواره ای نیاز به یک مرجع دقیق تر دارید. به عنوان مثال زمانی که نقشه موضوعی تولید می کنید بهترین مرجع اعتبار سنجی حضور در منطقه مورد مطالعه و برداشت نمونه های دستی است. در اینجا داده های زمینی به عنوان یک مرجع داده های معتبر برای ارزیابی دقت در نظر گرفته شده است. فراموش نکنید که داده های زمینی لزوما دقیق ترین داده ها نیستند بلکه فقط از اعتبار نسبی بالاتری برخوردارند.
یکی دیگری از داده های مرجع برای اعتبارسنجی، داده هایی است که با استفاده از روش های نقشه برداری زمینی بصورت وکتور یا بصورت نقشه های کاغذی در دسترس است. تکنیک های نقشه برداری زمینی در مقایسه با روش های برداشت داده ماهواره ای و هوایی از دقت بالاتری برخوردار است و در نتیجه خروجی های حاصل از آن از کیفیت بالاتری نیز برخوردار است.
پس از نقشه برداری زمینی استفاده از تصاویر هوایی دیجیتالی به عنوان مرجع معتبر برای اعتبارسنجی نتایج تصاویر ماهواره ای در نظر گرفته می شود. تصاویر هوایی از جزییات مکانی بسیار بالاتری در مقایسه با تصاویر ماهواره ای برخوردار بوده و اینکه بدلیل ارتفاع پایین تصویربرداری اثر اتمسفری بر روی داده های آن بسیار زیاد نیست.
آخرین مرجع معتبر برای اعتبارسنجی نتایج حاصل از تصاویر ماهواره ای رایگان، ماهواره های توان تفکیک مکانی بالا هستند. تصاویر ماهواره های تجاری از توان تفکیک مکانی بسیار بالاتری نسبت به ماهواره های رایگان برخوردارند و در بسیاری از مواقع به عنوان یک مرجع برای اعتبار سنجی خروجی ها استفاده می شوند.
دقت در تصاویر ماهواره ای
تا ابن مرحله شما دریافتید که تصاویر ماهواره ای حاوی خطاهای مختلفی هستند و این خطاها در مراحل گوناگونی ایجاد شده و معمولا با چه مراجع و روش هایی این خطاها ارزیابی می شود. با این حال یک سوال مهم آن است که آیا با وجود این خطاها، بازهم تصاویر ماهواره ای قابل اعتماد هستند؟ آیا می توان گفت نتایج حاصل از سنجش از دور دقیق است؟ دقت سنجش از دور در چه اندازه ای است؟دقت در سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای از دو دیدگاه مورد توجه قرار میگیرد. دقت مطلق و دقت نسبی.
عموم محاسباتی که در تصاویر ماهواره ای انجام می شوند از دقت نسبی بالایی برخوردارند اما از لحاظ دقت مطلق به این صورت نیست. به عنوان مثال روش های مختلفی برای محاسبه دمای سطح زمین وجود دارد و تقریبا نسبت تفاوت های دمایی رو به خوبی نمایش میدهند اما این در حالی است که همه این روش ها از صحت یکسانی برخوردار نیستند. مثلا روش single channel در مقایسه با روش های دیگر از صحت بالاتری برخوردار است. برهمین اساس همواره باید روش ها و تکنیک هایی ار انتخاب کنید که از لحاظ دقت مطلق نیز در وضعیت مطلوبی قرار داشته باشند.
با سلام و خسته نباشید به همه دوستانی که در این سایت با ارزش فعالیت میکنند.
ضمن تشکر از مطالب خوبتان بنده دانشجوی ارشد ژئودزی دانشگاه خواجه نصیرالدین هستم و به صورت اتفاقی با این سایت اشنا شدم. امیدوارم تمامی محققان و دانش پژوهان ایرانی بتوانند به خوبی در زمینه علوم زمین از این سایت بهره کامل را بگیرند.
به امید پیشرفت روز افزون ایران عزیزمان