تشخيص خودكار خط الرأس ها با استفاده از تحليل الگوي همسايگي كرنل

پيشينه و هدف لندفرم به هر عارضه فيزيكي سطح زمين با ساختار و شكل قابل تشخيص اطلاق مي شود. عناصر لندفرمي و ساختارهاي وابسته به فرم كه بر روي سطح زمين قرار دارند، به صورت مستقيم و يا غير مسيتقيم بسياري از متغيرهاي محيطي ديگر را كنترل مي كنند. نمايش عددي سطح و الگوي ناهموار زمين، موضوعي مشترك در مطالعات جغرافيايي، ژئومورفولوژيكي، نقشه ‏كشي مخاطرات زمين و ژئوفيزيك و همچنين اكتشافات كف دريا است. تركيب علوم زمين و كامپيوتر به همراه رياضيات و مهندسي ژئومورفومتري در تعامل با لندفرم‏هاي گسسته و پيوسته قرار دارد. ژئومورفومتري به حدود 150 سال قبل و كارهاي الكساندر فون همبلت و زمين‏ ريخت‏ شناسان برمي گردد و امروزه با انقلاب در علوم كامپيوتر و خصوصاً مدل‏ هاي رقومي كامپيوتري به شدت در حال توسعه است. تشخيص و طبقه بندي لندفرم ها يكي از اهداف توسعه دهندگان GIS، محققين علوم زمين و ژئومورفولوژيست ها است. در اين مسير، انتظار مي رود كه استخراج اين واحدها با سرعت و دقت بيشتري انجام گرفته و نتايج به صورت نقشه هاي برداري و رستري ارائه گردد. رويكردهاي موجود عمدتاً بر اساس ارتفاع، مشتق سطح زمين، گراديان، انحنا، جهت جريان، موقعيت شيب، نمايه هاي مورفومتريكي و مواردي از اين قبيل قرار دارد. همچنين به چالش تناسب مقياس تشخيصي با مقياس لندفرمي كمتر توجه شده و بيشتر مدل ها داراي اين نقيصه هستند. از طرف ديگر به امكان برداري‏سازي نتايج خروجي از  مدل ها و همچنين به تحليل حساسيت و پاسخ زماني الگوريتم ها به پردازش هاي ماشيني كمتر توجه شده است. در اين پژوهش با استفاده از الگوريتم هاي پايه‏ اي آناليز رستري و كدنويسي، روش ها و الگوريتم هاي جديدي در تشخيص خودكار عوارض زمين ارائه گرديده‏است. همچنين آناليز هاي رستري از نوع كانوني (Focal) مورد تأكيد قرار گرفته است و از تكنيك پنجره متحرك به منظور پياده سازي الگوريتم ها استفاده شده است. مواجه با چالش مقياس، آناليز حساسيت و پاسخ الگوريتم ها به تغييرات ورودي و نيز ارزيابي صحت نيز از جنبه هاي ديگري است كه در اين پژوهش به آن پرداخته شده است. مواد و روش ها در اين پژوهش از داده‌هاي ارتفاعي سطحي (DSM) منتشر شده توسط آژانس فضايي ژاپن در ماه مي و اكتبر 2015 با رزولوشن افقي در حدود 30 متر براي بررسي توپوگرافي منطقه، مورد استفاده قرار گرفت. اين داده‌ها از تصاوير ماهواره ALOS به دست آمده است. اين پايگاه بر اساس داده‌هاي DSM (نسخه شبكه 5 متري) توپوگرافي سه بعدي از جمله دقيق‌ترين داده‌هاي ارتفاعي در مقياس جهاني به‏دست آمده است. مدل رقومي ارتفاعي در محيط كدنويسي پايتون به ساختار ماتريسي تبديل شد. سپس ساختار آناليز رستري با استفاده از تكنيك پنجره متحرك پياده‏سازي گرديد. الگوريتم پنجره متحرك به صورتي كدنويسي شد كه ابعاد پنجره متحرك به صورت آزاد قابل تعيين و تغيير باشد. متناسب با اندازه پنجره متحرك، الگوريتم مواجه با اثر حاشيه‏اي كدنويسي گرديد تا تصحيح و سازماندهي اثر حاشيه‏اي متناسب با اندازه پنجره متحرك، به صورت خودكار انجام گيرد. در گام بعدي سه الگوريتم تشخيص درجه شباهت به قلل در ساختارهاي شبكه رستري تك باند با استفاده از مدل‏سازي الگوهاي كرنلي انجام گرفت. هر سه الگوريتم قابليت انطباق با تغييرات اندازه پنجره متحرك را داراست كه از نقاط قوت اين سه الگوريتم به حساب مي‏آيد. ابعاد سلول‏هاي شبكه رستري و اندازه پنجره متحرك، فاكتورهاي تغيير مقياس در هر يك از اين سه الگوريتم هستند. در نهايت حساسيت ‏سنجي زماني هر يك از اين سه الگوريتم به نسبت تغييرات اندازه پنجره متحرك، تغييرات دقت مكاني شبكه رستري و تغييرات وسعت شبكه رستري انجام گرفت. تمامي پروسه به صورتي طراحي گرديد كه به سادگي قابليت به كارگيري در يك نرم افزار رسمي را داشته باشد و به طور كامل با ساختار پردازش ماشيني هماهنگي و سازگاري داشته باشد در ضمن اتوماتيك بودن و قابليت اجرا بر روي پلاتفرم هاي مختلف نيز از اولويت هاي ما در اين بخش مورد نظر قرار داشت. نتايج و بحث در تشخيص خودكار قلل و خط الرأس ها با استفاده از مدل رقومي زمين، از آناليز الگوي مكاني كرنل استفاده شد. در اين راستا سه الگوريتم پيشنهادي در اين زمينه طراحي، طرح بندي، كدنويسي و اجرا گرديد. نتايج خروجي از هر يك از الگوريتم ها به صورت ساختار هاي رستري و برداري ارائه شد. ارزيابي صحت و حساسيت سنجي به نسبت تغييرات اندازه پنجره متحرك، رزولوشن و وسعت شبكه رستري براي هر يك از الگوريتم ها انجام گرفت. الگوريتم MLMSR، در ابعاد پائين تر پنجره متحرك تمايل به تفكيك باينري داشته، در صورتي كه الگوريتم هاي CMLSR و SPSR اينگونه عمل نمي كنند. در تمامي الگوريتم ها، افزايش ابعاد پنجره متحرك باعث كلي سازي نتايج و حذف جزئيات مي گردد. الگوريتم هاي CMLSR و SPSR به دليل درجه استدراج بيشتر در تفكيك عوارض، براي مقاصد كارتوگرافيكي و نمايشي مناسب تر هستند. از لحاظ عملكرد زماني يا حساسيت به تغييرات ورودي، الگوريتم SPSR عملكرد بهتري از خود نشان مي دهد. اين موضوع خصوصاً در مواردي كه حجم فايل ورودي پرحجم و تعداد سطر و ستون ها زياد باشد، اهميت بيشتري خواهد داشت. با توجه به نتايج اعتبارسنجي و ارزيابي صحت، الگوريتم MLMSR و سپس SPSR عملكرد بهتري داشته اند و الگوريتم CMLSR به نسبت ساير روش ها عملكرد ضعيف تري از خود نشان داده است. در طراحي و اجراي تمامي الگوريتم ها و نيز در بخش حساسيت سنجي و اعتبارسنجي، به طور گسترده از زبان برنامه نويسي پايتون استفاده شده است و مجموعاً بيش از 500 خط كدنويسي بدين منظور انجام گرفت. تمامي الگوريتم ها به طور خودكار بوده و با استفاده از پردازش ماشيني قادر به اجرا و ذخيره سازي نتايج به فرمت رستر و بردار مي باشند. نتيجه گيري نتايج نشان مي دهد كه الگوريتم MLMSR، در ابعاد پائين تر پنجره متحرك تمايل به تفكيك باينري داشته، در صورتي كه الگوريتم هاي CMLSR و SPSR اينگونه عمل نمي كنند. در تمامي الگوريتم ها، افزايش ابعاد پنجره متحرك باعث كلي سازي نتايج و حذف جزئيات مي گردد. الگوريتم هاي CMLSR و SPSR به دليل درجه استدراج بيشتر در تفكيك عوارض، براي مقاصد كارتوگرافيكي و نمايشي مناسب تر هستند. از لحاظ عملكرد زماني يا حساسيت به تغييرات ورودي، الگوريتم SPSR عملكرد بهتري از خود نشان مي دهد. اين موضوع خصوصاً در مواردي كه حجم فايل ورودي پرحجم و تعداد سطر و ستون ها زياد باشد، اهميت بيشتري خواهد داشت. با توجه به نتايج اعتبارسنجي و ارزيابي صحت، الگوريتم MLMSR و سپس SPSR عملكرد بهتري داشته اند و الگوريتم CMLSR به نسبت ساير روش ها عملكرد ضعيف تري از خود نشان داده است.