Investigation of image analysis, geomorphometry and knowledge representation methods for landform mapping

Η γεωμορφολογική χαρτογράφηση ασχολείται με την κατάτμηση της φυσικής γήινης επιφάνειας (ΦΓΕ) σε γεωμορφές και μπορεί να υποστηρίξει τη συλλογιστική σχετικά με τις διαδικασίες που σχετίζονται με τη ΦΓΕ και τη γεωμορφολογική εξέλιξη του τοπίου. Οι αυτοματοποιημένες μέθοδοι χαρτογράφησης γεωμορφών έχουν τη δυνατότητα χαρτογράφησης μεγάλων εκτάσεων σε σύντομο χρονικό διάστημα σε σχέση με τις χρονοβόρες διαδικασίες της φωτοερμηνείας και της άμεσης χαρτογράφησης μίας περιοχής μελέτης. Ωστόσο, οι περισσότερες αυτοματοποιημένες προσεγγίσεις βασίζονται στην άδηλη γνώση του χρήστη και στην υποκειμενική ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας ταξινόμησης, προκειμένου να επιτευχθούν τα βέλτιστα αποτελέσματα για μία συγκεκριμένη περιοχή μελέτης. Αυτά τα προβλήματα σε συνδυασμό με την πολυδιάστατη φύση των γεωμορφών, εμποδίζουν την ανάπτυξη αντικειμενικών μεθόδων, οι οποίες μπορούν επαναχρησιμοποιηθούν σε άλλες περιοχές χωρίς την περαιτέρω υποκειμενική παρέμβαση του χρήστη. Στόχος αυτής της έρευνας ήταν η ανάπτυξη αντικειμενικών και αυτοματοποιημένων προσεγγίσεων χαρτογράφησης γεωμορφών. Στο πλαίσιο αυτό, διερευνήθηκαν αρκετές μέθοδοι για την αντικειμενική επιλογή των παραμέτρων ταξινόμησης. Οι μέθοδοι αυτές δοκιμάστηκαν σε διάφορες περιοχές μελέτης και ψηφιακά μοντέλα εδάφους, ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησής τους.Η πρώτη συνεισφορά της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μίας αυτοματοποιημένης αντικειμενοστρεφούς προσέγγισης για την ταξινόμηση της παγκόσμιας υποθαλάσσιας τοπογραφίας και των γεωμορφών της με τη χρήση των βαθυμετρικών δεδομένων SRTM30_PLUS. Αρχικά, η παγκόσμια υποθαλάσσια τοπογραφία ταξινομήθηκε σε περιοχές με διακριτές μορφομετρικές ιδιότητες με τη χρήση μη-επιβλεπόμενων μεθόδων και της μεθόδους της πολυκλιμακωτής ανάλυσης. Στη συνέχεια, οι περιοχές με διακριτές μορφομετρικές ιδιότητες ταξινομήθηκαν σε 11 κατηγορίες υποθαλάσσιων γεωμορφών με την ανάπτυξη μίας βάσης γνώσης, η οποία βασίζεται σε διεθνώς αναγνωρισμένους ορισμούς. Η μέθοδος εφαρμόστηκε σε έξι περιοχές μελέτης με διαφορετικές γεωλογικές συνθήκες. Η αυτόματη μέθοδος θεωρήθηκε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικές περιοχές μελέτης χωρίς την παρέμβαση του χρήστη, δεδομένου ότι τα ποσοστά ακριβείας των περισσοτέρων κατηγοριών γεωμορφών στις έξι περιοχές μελέτης ήταν αρκετά υψηλά.Η δεύτερη συνεισφορά της διατριβής ήταν η ανάπτυξη μίας αυτοματοποιημένης αντικειμενοστρεφούς προσέγγισης για την κατάτμηση της ΦΓΕ σε στοιχειώδεις γεωμορφές. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε μία μέθοδος αναγνώρισης προτύπων για την κατάτμηση των υψομετρικών δεδομένων σε κατάλληλα αντικείμενα, τα οποία οριοθετούνται από τις μορφομετρικές ασυνέχειες του ψηφιακού μοντέλου εδάφους. Αυτά τα αντικείμενα ταξινομήθηκαν σε 15 κατηγορίες στοιχειωδών γεωμορφών με κριτήρια μορφομετρίας, σχετικής τοπογραφικής θέσης και τοπολογικών σχέσεων σε συνδυασμό με χωρικά ευέλικτες συναρτήσεις συμμετοχής. Η μέθοδος ταξινόμησης εφαρμόστηκε σε πολλές περιοχές μελέτης και σε υψομετρικά δεδομένα διαφόρων χωρικών αναλύσεων. Η μέθοδος θεωρήθηκε αποτελεσματική για την ταξινόμηση των περιοχών μελέτης, λόγω της χρήσης χωρικά ευέλικτων μεθόδων για τον προσδιορισμό του μεγέθους των παραγόμενων αντικειμένων και των κριτηρίων ταξινόμησής τους.Η τρίτη συνεισφορά της διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός αλγόριθμου κατάτμησης εικόνας, που μπορεί να αντιμετωπίσει την πολυδιάστατη φύση των σημασιολογικών αντικειμένων που απεικονίζονται σε μία τηλεπισκοπική εικόνα. Ο αλγόριθμος επιτρέπει στα ομοιογενή αντικείμενα να συγχωνευθούν περαιτέρω με τα συγγενή γειτονικά αντικείμενα τους, δεδομένου ότι είναι πιθανό να αποτελούν μέρος ενός σημασιολογικού αντικειμένου. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε σε φασματικά και υψομετρικά δεδομένα και τα αποτελέσματά της αξιολογήθηκαν με επιβλεπόμενες και μη-επιβλεπόμενες μεθόδους αξιολόγησης. Η προτεινόμενη μέθοδος κατάτμησης μπορεί να παράγει βελτιωμένα αποτελέσματα από την άποψη της μεγιστοποίησης της εσωτερικής ομοιογένειας των αντικειμένων και της ετερογένειας μεταξύ των αντικειμένων καθώς και στην οριοθέτηση σημασιολογικών αντικειμένων. Τα αποτελέσματα της επιβλεπόμενης και μη-επιβλεπόμενης αξιολόγησης έδειξαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος παράγει καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την πολυκλιμακωτή κατάτμηση (Multi-Resolution Segmentation - MRS), που είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος κατάτμησης τηλεπισκοπικών δεδομένων.Η τέταρτη συμβολή αυτής της έρευνας ασχολείται με την ταξινόμηση φυσιογραφικών περιοχών. Οι περισσότερες μέθοδοι ταξινόμησης φυσιογραφικών περιοχών αγνοούν την πολύπλοκη δομή της επιφάνειας της γης και χρησιμοποιούν μόνο μία κλίμακα ανάλυσης. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού έχει προταθεί η προσαρμογή της κλίμακας ανάλυσης με βάση την τιμή της τοπογραφικής υφής (topographic grain). Το πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφει την ανάπτυξη μίας μεθόδου για τον αυτοματοποιημένο και αντικειμενικό ορισμό της τοπογραφικής υφής και των ανισοτροπικών χαρακτηριστικών της ΦΓΕ με βάση την αρχή της γραμμής οράσεως (line of sight). Η μέθοδος δοκιμάστηκε σε πέντε περιοχές μελέτης ώστε να αποδειχθεί η αποτελεσματικότητα της χρήσης χωρικά ευέλικτων μεθόδων υπολογισμού των τοπογραφικών ανισοτροπικών ιδιοτήτων και αρκετών στατιστικών παραμέτρων. Η προσέγγιση αποδείχθηκε ότι είναι πιο αποτελεσματική σε περιοχές με ετερογενή τοπογραφία σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μεθόδους προσδιορισμού της τοπογραφικής υφής. Οι παραγόμενες τιμές της τοπογραφικής υφής και των ανισοτροπικών χαρακτηριστικών παρουσιάζουν χαρακτηριστικά πρότυπα σε συγκεκριμένες κλίμακες ανάλυσης, οι οποίες ισοδυναμούν με την κλίμακα δράσης της κυρίαρχης γεωμορφολογικής διαδικασίας που ενεργεί στην τοπική τοπογραφία γύρω από κάθε χωρικό σημείο. Τέλος, παρουσιάζεται μια τροποποιημένη προσέγγιση του συστήματος ταξινόμησης του Hammond, η οποία ενσωματώνει τη χρήση στατιστικών παραμέτρων που υπολογίζονται σε τοπικά προσαρμοσμένες κλίμακες ανάλυσης και με βάση την τιμή της τοπογραφικής υφής.