آشکارسازی تغییرات ساخت‌وساز مناطق مسکونی با استفاده از محصولات فتوگرامتری

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 مرکز علم و فناوری مهندسی ژئوماتیک، دانشکده پیامبر اعظم (ص)، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

2 دانشگاه جامع امام حسین (ع)-دانشکده و پژوهشکده پیامبر اعظم (ص)

چکیده

سابقه و هدف: شناسایی تغییرات، یکی از کاربردهای تصاویر و داده‌های سنجش‌ازدور و فتوگرامتری، با سابقه‌ای بیش از چهار دهه در حوزه‌های مختلف نظامی و غیرنظامی، برای انواع مختلفی از اهداف و عوارض است که در مدیریت شهری، مدیریت بحران، پایش منابع طبیعی، تأمین امنیت و حکمرانی دولت‌ها، نقش مهمی ایفا می‌کند. پایش و کنترل تغییرات در محدوده و حریم شهرها، به‌ویژه در مواجهه با تغییر کاربری غیرمجاز زمین، از ضروری‌ترین نیازهای مدیریت شهری است. برای این منظور، استفاده از روش‌های کلاسیک، علی‌رغم سادگی و در دسترسی بودن، به دلیل محدودیت‌های دقت، سرعت و جامعیت، کارایی لازم را ندارند. در مقابل، اجرای روش‌های جدید مبتنی بر یادگیری عمیق مانند شبکه‌های عصبی نیز به دلیل مشکلات آماده‌سازی داده‌های آموزشی، زمان‌بر و هزینه‌بر بودن و نیاز به منابع محاسباتی و سخت‌افزاری قدرتمند، با چالش‌هایی همراه است. این مقاله‌ با هدف ارائه‌ی یک فرایند نسبتا سریع، کم هزینه و با دقت بالا برای شناسایی و آشکارسازی تغییرات در مناطق مسکونی، انجام گرفت.

مواد و روش‌ها: فرایند پیشنهادی، با هدف برطرف‌کردن محدودیت‌های روش‌های پیشین، مبتنی بر استفاده از محصولات فتوگرامتری، شامل مدل رقومی سطح (DSM) و تصاویر ارتوفتوموزاییک و اعمال فیلترهای مختلف بر روی آن‌ها، ارائه شده‌است. داده‌های ورودی با دقت‌های مسطحاتی و ارتفاعی بهتر از ۳۰ سانتی‌متر، تهیه شده و امکان شناسایی ساختمان‌هایی که در طول زمان دچار تغییرات شده‌اند را فراهم می‌کنند. فرایند پیشنهادی شامل تولید مدل رقومی اختلاف (DDM) از تفریق مدل رقومی سطح دوزمانه است که این مدل، تغییرات ارتفاعی را در دو جهت مثبت و منفی نمایش می‌دهد. سپس با اعمال حدهای آستانه‌ی ارتفاع و مساحت، همراه با چند مرحله فیلترگذاری بر روی داده‌ی ورودی، اهداف اولیه استخراج می‌شوند. برای کاهش خطای شناسایی ناشی از وجود عوارضی نظیر سایه‌ها، پوشش گیاهی، خودروها و دیگر عوارض موجود، طبقه‌بندی تصاویر ارتوفتوموزاییک با استفاده از الگوریتم‌های هوشمند، انجام گرفته و به مدل رقومی اختلاف، اعمال شد. این مرحله، اثر عوارض مزاحم را کاهش داده و به استخراج اهداف نهایی منجر خواهدشد.

نتایج و بحث: برای ارزیابی عملکرد فرایند پیشنهادی، دو منطقه‌ی مطالعاتی در استان یزد، یک منطقه دارای بافت شهری ساده و دیگری دارای بافت شهری پیچیده، انتخاب گردید. داده‌ها شامل تصاویر ارتوفتوموزاییک با اندازه‌ی پیکسل ۱۰ سانتی‌متر برای هر دو منطقه‌ی مطالعاتی می‌باشد. همچنین مدل‌های رقومی سطح به ترتیب دارای اندازه‌ی پیکسل ۴۰ و ۱۰ سانتی‌متر است. لازم به ذکر است که فاصله‌ی زمانی تهیه‌ی داده‌ها برای منطقه‌ی مطالعاتی اول، برابر با دو ماه و در منطقه‌ی مطالعاتی دوم، سه سال است. نتایج اجرای فرایند پیشنهادی در منطقه‌ی مطالعاتی اول با دقت کلی بیش از ۹۰ درصد و در منطقه‌ی دوم، با دقت کلی بیش از ۸۳ درصد، به دست آمد. تعیین مقادیر بهینه برای حدهای آستانه ارتفاع و مساحت و مقادیر فیلترها، به نحوی که به بالا‌ترین دقت برسند، از طریق فرایند آزمون و خطا و با تعریف رخدادهای مختلف و بررسی و شمارش دقیق تعداد اهداف صحیح، اهداف جاافتاده و اهداف اشتباه، انجام شد. تحلیل و ارزیابی فرایند پیشنهادی، نشان می‌دهد که اعمال فیلترهای مناسب در چهار مرحله، دقت کلی الگوریتم را تا بیش از ۳۰ درصد افزایش داده‌است.

نتیجه‌گیری: فرایند پیشنهاد، به منطقه‌ی مطالعاتی و مقادیر حدآستانه‌ی متناسب با بافت شهری آن، وابستگی زیادی دارد. باوجود این محدودیت، روش ارائه‌شده به دلیل هزینه‌ی پایین‌تر و سرعت بالاتر نسبت به دیگر روش‌ها، قابلیت اجرایی گسترده‌ای در مناطق مشابه مناطق مورد مطالعه را دارد. همچنین، نتایج این مقاله‌ نشان می‌دهد که این فرایند به دلیل دقت بالا و نتایج قابل قبول، می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد در حوزه‌ی مدیریت شهری و پایش تغییرات مجاز و غیرمجاز، بهره‌برداری شده و در بهبود فرایندهای تصمیم‌گیری در این حوزه، مؤثر باشد و نیازهای آن به کنترل حریم شهری را به‌خوبی برطرف کند. برای دیگر مناطقی که بافت متفاوتی با این مقاله‌ دارند، لازم است که با روش مشابه، مقادیر بهینه برای مؤلفه‌های اجرایی و حدهای آستانه، محاسبه شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Change Detection in Residential Areas Construction by Using Photogrammetry Products

نویسندگان [English]

  • Muhammad Amin Bakhshi 1
  • mehrdad Eslami 2
  • Ali Sarkargar Ardakani 1
  • Ramin Saadi Esfangareh 1
1 Geomatics Department, Imam Hossein University, Tehran, Iran
2 Geomatics Department, Imam Hossein University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Change detection, one of the applications of remote sensing images and photogrammetric data, with a history of over four decades in various military and civilian domains, plays an important role in urban management, crisis management, monitoring natural resources, ensuring security, and governmental governance. Monitoring and controlling changes within the boundaries and urban areas, especially in addressing unauthorized land-use changes, is one of the most critical needs of urban management. For this purpose, using classical methods, despite their simplicity and accessibility, lacks the necessary efficiency due to limitations in accuracy, speed, and comprehensiveness. On the other hand, implementing new deep learning-based methods such as neural networks also faces challenges due to the difficulties in preparing training data, being time-consuming and costly, and requiring powerful computational and hardware resources. This paper aims to present a relatively fast, cost-effective, and high-accuracy process for detecting and identifying changes in residential areas.

Material and methods: The proposed process, aimed at overcoming the limitations of previous methods, is based on the use of photogrammetric products, including Digital Surface Models (DSM) and orthophotomosaics, along with the application of various filters. The input data, with horizontal and vertical accuracies better than 30 cm, have been prepared and enable the identification of buildings that have undergone changes over time. The proposed process involves generating a Digital Difference Model (DDM) by subtracting two-time DSMs, which visualizes height changes in both positive and negative directions. Initial targets are then extracted by applying height and area threshold limits, combined with multiple filtering stages on the input data. To reduce recognition errors caused by factors such as shadows, vegetation, vehicles, and other existing features, orthophotomosaic classification using intelligent algorithms is performed and applied to the Digital Difference Model. This step reduces the impact of interfering features and leads to the extraction of the final targets.

Results and discussion: To evaluate the performance of the proposed process, two study areas in Yazd Province were selected: one with a simple urban texture and the other with a complex urban texture. The data include orthophotomosaics with a pixel size of 10 cm for both study areas. Additionally, the Digital Surface Models (DSMs) have pixel sizes of 40 cm and 10 cm, respectively. It is worth noting that the time interval between data acquisitions was two months for the first study area and three years for the second. The results of implementing the proposed process achieved an overall accuracy of over 90% in the first study area and over 83% in the second. Optimal values for height and area thresholds and filter settings were determined through a trial-and-error process, by defining various events and precisely analyzing the counts of correct targets, missed targets, and false targets to achieve the highest accuracy. Analysis and evaluation of the proposed process show that applying appropriate filters in four stages increased the overall algorithm accuracy by more than 30%.

Conclusion: The proposed process is highly dependent on the study area and the threshold values corresponding to its urban texture. Despite this limitation, the presented method, due to its lower cost and higher speed compared to similar methods, has broad applicability in areas similar to those studied. Additionally, the results of this paper show that this process, due to its high accuracy and acceptable results, can serve as an effective tool in the field of urban management and monitoring authorized and unauthorized changes, contributing to improving decision-making processes in this domain and effectively addressing the need for urban boundary control. For other areas with textures different from those in this study, it is necessary to calculate optimal values for operational components and thresholds using a similar methodology.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Change Detection
  • DSM
  • Unauthorized Construction
  • Photogrammetry Products
  • Urban Management