TEMAT 2A

Klasyfikacja manualna -

numeryczna, nadzorowana klasyfikacja obrazów wielospektralnych

1. Wstęp - rejestracja wielospektralna, obraz cyfrowy, klasyfikacja nadzorowana

2. Klasyfikator prostopadłościenny - algorytm

3. Przykładowa, symulowana klasyfikacja

1. Wstęp - rejestracja wielospektralna, obraz cyfrowy, klasyfikacja nadzorowana

Obraz cyfrowy jest to zapisany na komputerowym nośniku danych zbiór odpowiedzi

spektralnych, przyporządkowanych pikselom terenowym. Zbiór taki można sobie wyobrazić jako

tablicę dwuwymiarową zawierającą „I” linii, z których każda składa się z „J” pikseli.

Jeśli rejestracja dotyczyła kilku przedziałów widma elektromagnetycznego (kanałów),

to otrzymujemy wielospektralny obraz cyfrowy (będzie to teraz tablica trójwymiarowa IxJxK,

gdzie K jest liczbą kanałów spektralnych.

Każdy piksel na obrazie wielospektralnym scharakteryzowany jest nie przez jedną lecz

kilka (K) odpowiedzi spektralnych. Dzięki temu skuteczniej można sklasyfikować obraz, czyli

wydzielić w nim różne obiekty, np. zabudowania, lasy, pola, rzeki, itp. (tzw. klasy). Klasyfikację

przeprowadza się różnymi metodami. W następnym punkcie przedstawione ogólne zasady tzw.

klasyfikacji nadzorowanej.

Podstawowe warunki klasyfikacji nadzorowanej to: wizualizacja obrazów cyfrowych na

ekranie monitora komputerowego oraz posiadania elementarnej wiedzy o przestrzennym

rozmieszczeniu obiektów klasyfikowanych na danym obszarze (z reguły korzysta się z

istniejących map topograficznych klasyfikowanego obszaru).

Na obrazie należy wskazać (zaznaczyć) tzw. „próbki" poszczególnych obiektów: np.

najbardziej reprezentatywny (wewnętrzny) fragment powierzchni obrazu rozpoznanego jako las

iglasty, itd. Takie próbki będą podstawą do „nauczenia" komputera charakterystyk

poszczególnych rozpoznawanych obiektów (próbki te nazywa się inaczej „polami

treningowymi"). Odpowiedni program klasyfikacyjny obliczy na podstawie każdej próbki

parametry statystyczne obiektu.

Następnie piksel po pikselu wykonywana jest analiza całego obszaru. Program będzie

badał, czy aktualny piksel reprezentuje las, pole, czy też inny obiekt (a może nie pasuje do żadnej z próbek i pozostanie niesklasyfikowany) i na końcu przedstawi wynik klasyfikacji, gdzie

każdy rozpoznany obiekt reprezentowany będzie przez piksele jednakowego koloru lub

jednakowego odcienia szarości – tworząc ostatecznie wielokolorową (lub w odcieniach

szarości) mapę tematyczną klasyfikowanego obszaru.

Należy podkreślić, że wspomniane próbki zawierają kilkadziesiąt czy kilkaset

pikseli (np. prostokąt 10x10 pikseli), natomiast cały obraz ma o wiele większy wymiar np.

3000x3000 pikseli.

Więcej informacji na temat klasyfikacji nadzorowanej zawiera wstęp do tematu 2B.

2. Klasyfikator prostopadłościenny - algorytm

Jest to jeden z najprostszych algorytmów klasyfikacyjnych stosowany w metodzie

klasyfikacji nadzorowanej, łatwy do „manualnego” obliczenia, bez użycia oprogramowania

komputerowego. Załóżmy że:

- będziemy analizować obraz zawierający tylko dwa kanały spektralne czyli tablicę o rozmiarze

IxJx2 (patrz punkt 1),

- przeprowadzono już wybór pól treningowych dla wszystkich wyróżnionych klas (obiektów).

Temat 2A: Manualna klasyfikacja nadzorowana.

1

Dla każdej klasy należy na podstawie próbki określić średnią jasność próbki, odrębnie

dla każdego kanału:

Sr1 = (1 / L) * (Σ WJPL1)

Sr2 = (1 / L) * (Σ WJPL2)

gdzie:

Sr1, Sr2

– średnie wartości jasności dla próbki dla kanału 1 i 2;

WJPL1, WJPL2 – wartości jasności pikseli, odpowiedzi spektralne znajdujące się

w „próbce” dla kanału 1 i 2;

L

– liczebność próbki.

δ1 = (1/L * Σ (WJPL1 - Sr1)2)1/2

δ2 = (1/L * Σ (WJPL2 – Sr2)2)1/2

gdzie:

δ1, δ2

– odchylenie standardowe dla próbki dla kanału 1 i 2;

Te wielkości pozwalają zdefiniować spektralne wzorce poszczególnych klas w sposób

przedstawiony na poniższym rysunku (przykład dla dwóch próbek: A i B):

WJP=255

KANAŁ 2

h * δ 1B (h=2)

δ 1B

B

Sr2B

δ 2B

h * δ 2B (h=2)

A

Sr2A

spektralny wzorzec

klasy B

spektralny wzorzec

klasy A

KANAŁ 1

Sr1A

Sr1B

WJP=255

WJP=0

Temat 2A: Manualna klasyfikacja nadzorowana.

2

Jeśli przyjmie się wielkość h = 2, to wówczas poziom ufności przydziału piksela do danej klasy wynosi 95%.

Po zdefiniowaniu wzorców wszystkich klas następuje końcowy etap: przydzielanie

pikseli obrazu do poszczególnych klas. Polega ono na badaniu, w którym prostokącie (wzorcu

klasy) znajduje się dany piksel.

W przypadku, gdy liczba kanałów spektralnych K jest większa niż 2, wówczas bada się

przynależność do wnętrza K-wymiarowego prostopadłościanu (stad nazwa: klasyfikator

prostopadłościenny). Tego typu zadanie, w przestrzeni 6-cio kanałowej, zostanie wykonane w

ramach Tematu 2B - klasyfikacji danych wielospektralnych Landsat, w oprogramowaniu ILWIS.

3. Przykładowa, symulowana klasyfikacja „manualna”

Klasyfikację należy przeprowadzić według algorytmu opisanego w p. 2. Dane, które

otrzymują studenci zostały przygotowane sztucznie i obejmują:

- próbki czterech klas (A, B, C, D), każda jest prostokątnym fragmentem obrazu o wielkości

5x5 pikseli (L = 25);

- obraz podlegający klasyfikacji o wielkości 10x10 pikseli;

- każdy piksel reprezentowany jest przez liczby całkowite symulujące odpowiedzi spektralne

w umownych kanałach 1 i 2 (dla obrazu 10x10 pikseli: górna liczba - kanał 1, dolna liczba

kanał 2; dla próbek klas: górna macierz 5x5 – informacje z kanału 1; dolna macierz –

informacje z kanału 2);

Po obliczeniu parametrów Sr i σ wykonuje się.„graficzne zestawienie wzorów klas” (na

jednym wykresie należy narysować prostokątne wzorce wszystkich klas). Najlepiej do tego celu

użyć papieru kratkowanego formatu A4 lub A3. Wartości Sr i σ należy obliczyć z dokładnością

do 0.1. Po zaokrągleniu wyniku należy wartość σ przemnożyć przez h=2 i narysować na

wykresie prostokąty reprezentujące klasy.

Następnie przyporządkowuje się 100 pikseli swojego obrazu w stosunku do klas A, B,

C, D - czyli bada się przynależność do wnętrza wzorców tych klas. Efektem końcowym jest

tablica o wymiarze 10x10 elementów, czyli podobna do klasyfikowanego obrazu, ale

zawierająca w poszczególnych "okienkach" wartości A, B, C lub D (przyporządkować cztery barwy – każdą dla danej klasy, pokolorować „sklasyfikowany” obraz).

W trakcie klasyfikacji mogą zachodzić dwa szczególne przypadki:

- analizowany piksel należy do wnętrza dwóch (lub więcej) wzorców klas; należy go przydzielić

do tej klasy, której środek leży bliżej tego piksela,

- analizowany piksel nie należy do wnętrza żadnego wzorca; określamy go jako

"niesklasyfikowany" - litera N (przyporządkować piątą barwę).

Każdy ze studentów otrzymuje indywidualny zestaw danych. Temat jest oddawany

razem z tematem klasyfikacji spektralnej, jaka zostanie wykonana w programie ILWIS.

Temat 2A: Manualna klasyfikacja nadzorowana.

3