کار برد روشی ترکیبی نظارت نشده مبتنی بر K-Means و شبکه عصبی برای طبقه بندی تصاویر ماهواره ای و افزایش کیفیت تصویر (مطالعه موردی: شهر سبزوار، 2021)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استادیار، گروه جغرافیا بخش برنامه ریزی محیطی، دانشگاه یزد، یزد،ایران،

3 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه: امروزه با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای می‌توان طبقه‌بندی پوشش زمین را که یکی از روش‌های کلیدی در تحلیل تغییرات محیطی، مدیریت منابع طبیعی، ارزیابی تغییرات کاربری اراضی و پایش مخاطرات طبیعی به شمار می‌رود، انجام داد. این روش‌ها به تصمیم‌گیران شهری، مدیران منابع زمینی و غیره کمک می‌کنند تا اطلاعات دقیقی از وضعیت فعلی و روند تغییرات محیطی به‌دست آورند. در این میان، روش‌های طبقه‌بندی نظارت‌نشده، به‌دلیل عدم نیاز به داده‌های آموزشی برچسب‌خورده، کاربرد وسیعی در تحلیل داده‌های بزرگ و پیچیده دارند.
هدف: هدف از این پژوهش، طراحی و پیاده‌سازی یک روش سریع، مرتب، دقیق و قابل اجرا در کوتاه ترین زمان برای طبقه‌بندی نظارت‌نشده تصاویر ماهواره‌ای Landsat-8 است. این روش مبتنی بر شاخص های مختلف و تلفیق الگوریتم K-means و یک شبکه عصبی مصنوعی ساده است و به گونه‌ای طراحی شده که نیازی به داده‌های آموزشی ندارد.
روش: در این روش، تصویر ماهواره‌ای لندست 8 شامل 10 باند اصلی (7 باند چندطیفی، 2 باند حرارتی، و 1 باند پانکروماتیک) پیش‌پردازش شد. سپس شاخص‌های متنوعی نظیر (NDVI) شاخص پوشش گیاهی،  (NDBI)  شاخص ساخت‌وساز، (NDWI) شاخص رطوبت و شاخص (SAVI,DBI)  استخراج شدند. همچنین ویژگی‌هایی مانند روشنایی، بافت، و لبه‌ها نیز برای تفکیک بهتر کلاس‌ها استخراج شد. پس از نرمال‌سازی داده‌ها، الگوریتم K-means برای خوشه‌بندی اولیه به‌کار رفت و نتایج آن به‌عنوان برچسب‌های ضعیف به شبکه عصبی وارد شد. شبکه عصبی طراحی‌شده دارای یک لایه پنهان ساده بود که با ورودی گرفتن از ویژگی‌های استخراج‌شده، خوشه‌ها را اصلاح و طبقه‌بندی نهایی را انجام داد. از باند حرارتی برای تفکیک سطوح خاک گرم و خشک از مناطق سایه‌دار و سرد استفاده شد. باند پانکروماتیک نیز برای تشخیص دقیق مسیرهای ارتباطی درون و بیرون شهری استفاده شد.
نتایج: نتایج نهایی طبقه‌بندی نشان داد که روش پیشنهادی توانسته است با دقت 80.36 درصد قابل قبول است باشد این الگوریتم توانسته بام خانه، کوه خشک، خاک برهنه و سطوح غیرپوشیده و خیابان های درون شهری و جاده های برون شهری را با مرزهای واضح از یکدیگر تفکیک کند. مقدار نویز در تصویر خروجی طبقه بندی نظارت نشده بهبود یافته به‌صورت محسوسی کاهش یافته و انسجام مکانی کلاس‌ها حفظ شده است. ارزیابی کیفی در منطقه سبزوار نشان داد که طبقه‌بندی نظارت نشده بهبود یافته انجام‌شده قادر است پوشش گیاهی، مناطق ساخته‌شده و اراضی بایر را با دقت و جزئیات مکانی بالا تشخیص دهد. همچنین خیابان‌های درون شهری را به‌خوبی از جاده‌های برون شهری جدا  کند.
نتیجه گیری: در این پژوهش، با بهره‌گیری از شاخص‌های طیفی نظیر NDVI، NDBI، NDWI، باندهای حرارتی و یک باند مصنوعی و شبکه عصبی ساده طراحی شد. هدف اصلی پژوهش تفکیک دقیق کلاس‌های سطح زمین در مناطق شهری و کوهستانی است. الگوریتم طبقه بندی نظارت نشده بهبود یافته با وجود عدم استفاده از داده‌های آموزشی یا الگوریتم‌های آماده، توانسته است مرزبندی کلاس‌های مشابه مانند خیابان‌های درون‌شهری، جاده‌های برون‌شهری، کوه‌های بدون پوشش و بام خانه‌ها را با دقت بالا انجام دهد. مقایسه الگوریتم بهبود یافته با دیگر الگویتم‌های SVM, Decision Tree نشان می دهد اگرچه دقت کلی روش پیشنهادی (80.36٪) و ضریب کاپا (0.72)  پایین‌تر از الگوریتم نامرده است ولی کیفیت مکانی و تفکیک‌پذیری فضایی آن به‌مراتب بالاتر  از الگوریتم های نام برده شده است. نقشه‌های خروجی الگوریتم بهبود یافته از نظر بصری و تحلیلی واقع‌گراتر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of a Hybrid Unsupervised Method Based on K-Means and Neural Networks for Satellite Image Classification and Image Quality Enhancement (Case Study: Sabzevar City, 2021)

نویسندگان [English]

  • zahra kalmishi 1
  • Mohsen Ebrahimi Khusfi 2
  • Rahman Rahman Darre Gharibi 3
1 Yazd University, Yazd, Iran
2 Assistant Professor, Department of Geography, Environmental Planning Department, Yazd University, Yazd, Iran,
3 Department of Physical Geography, Faculty of Geographical Sciences and Planning, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Introduction: Nowadays, satellite imagery enables the classification of land cover, which is one of the key approaches in analyzing environmental changes, managing natural resources, assessing land use dynamics, and monitoring natural hazards. These methods assist urban planners, land resource managers, and decision-makers in obtaining accurate information about the current state and trends of environmental changes. Among these methods, unsupervised classification techniques are widely used due to their independence from labeled training data and their suitability for analyzing large and complex datasets. Objective: The main objective of this research is to design and implement a fast, organized, and accurate unsupervised classification method for Landsat 8 satellite imagery that can be executed in the shortest possible time. The proposed method is based on various spectral indices and combines the K-means algorithm with a simple artificial neural network (ANN), designed in such a way that it does not require any training data. Methodology: In this study, the Landsat 8 satellite image containing 10 main bands (7 multispectral, 2 thermal, and 1 panchromatic) was preprocessed. Several indices were then extracted, including the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Built-up Index (NDBI), Normalized Difference Water Index (NDWI), Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI), and Dry Bare Soil Index (DBI). Additional features such as brightness, texture, and edge information were also extracted to improveclassseparability.After data normalization, the K-means algorithm was applied for initial clustering, and the results were used as weak labels for the neural network. The designed neural network contained a single hidden layer and received the extracted features as input to refine the clusters and produce the final classification map. The thermal bands were used to distinguish warm and dry soil areas from shaded and cooler regions, while the panchromatic band was utilized to accurately detect urban and suburban road networks. Results: The final classification results demonstrated that the proposed method achieved an overall accuracy of 80.36%, which is considered acceptable. The algorithm successfully distinguished rooftops, barren mountains, bare soils, unpaved areas, and both urban and interurban roads with clear boundaries. The amount of noise in the final unsupervised classification output was significantly reduced, and the spatial consistency of the classes was preserved. Qualitative evaluation in the Sabzevar region showed that the improved unsupervised classification method could accurately identify vegetation, built-up areas, and barren lands with high spatial detail. Furthermore, it effectively separated urban streets from interurban roads. Conclusion: In this research, by utilizing spectral indices such as NDVI, NDBI, NDWI, thermal bands, and an artificial band, along with a simple artificial neural network, an efficient unsupervised classification algorithm was developed. The main goal was to achieve accurate land cover separation in urban and mountainous areas. Despite not using any training data or pre-existing algorithms, the improved unsupervised classification method successfully delineated similar classes such as urban streets, interurban roads, barren mountains, and rooftops with high accuracy. Although the overall accuracy (80.36%) and Kappa coefficient (0.72) were slightly lower than those of traditional algorithms such as SVM and Decision Tree, the spatial quality and class separability of the proposed method were considerably superior. The output maps produced by the improved algorithm are more realistic both visually and analytically.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unsupervised Classification
  • Artificial Neural Network
  • Sabzevar City
  • K-Means Clustering
  • satellite datasets