Ünite 6: Uydu Görüntülerinin Analizinde Kullanılan Yöntemler

Giriş

Görüntülerden anlamlı bilgiler çıkarmak için görüntülerin doğru tekniklerle analiz edilmesi gerekir. Uydu görüntülerinden bilgi çıkarma amaçlı kullanılan en önemli yöntem uydu 4. Ünitede anlatılan görüntülerinin sınıflandırılması işlemidir. Bu bölümde uydu görüntülerinin analizlerinde kullanılan diğer yöntemler (bitki indeksleri, ana bileşen dönüşümü, mekânsal filtreleme, aritmetik bant işlemleri) hakkında bilgiler verilecektir.

Görüntü Analizleri İçin Verilerin Yazılıma Aktarılması

Çalışmada kullanılacak uydu görüntülerini yazılıma aktarmak için “GRASS GIS 7.1.svn” GUI programı çalıştırılır. Açılan sayfadan sırasıyla (1) GRASS GIS veri tabanı dizini seç alanından çalışılacak veri tabanı ayarlanır. (2) Unite_6 adlı bir GRASS konumu tanımlanır. Tanımlanan GRASS konumunun koordinat sistemi WGS84 UTM ZONE 37 olarak ayarlanır. (3) GRASS harita takımı seç bölümünden “Goruntu_Analizleri” adlı bir harita takımı oluşturulur. Gerekli işlemler yapıldıktan sonra “Goruntu_Analizleri “seçili hâle getirilip “Start GRASS session” sekmesine basılarak yazılım çalıştırılır. Görüntü analizinde kullanılacak uydu görüntülerinin yazılıma aktarılması için Dosya › Raster veri içe aktar › Temel formatları içe aktar seçilir. Görüntü analizler için Gerekli lokasyon ve harita setinin tanımlanması ve uydu görüntülerinin analizi için gerekli bantlarının Grass yazılımına yüklenmesi işlemleri sırasıyla Şekil 6.1 ve Şekil 6.2 de görselleştirilmiştir.

Görüntü Analizleri İçin Çalışma Alanı Sınırlarının Belirlenmesi

Ünite kapsamında kullanılacak çalışma sınırını belirlemek için Harita Görüntüleme ara yüzünde yer alan 2B Görünüm alanından Vektör sayısallaştırıcı seçilir. Açılan menüden Yeni vektör haritaya basılır. Yeni vektör harita oluştur penceresinden, Yeni vektör harita için adı olarak “Calisma_Siniri” yazılır. Öznitelik tablosu oluştur alanını seçili yaptıktan sonra Tamam sekmesine basılır. Karşınıza çıkan GRASS GIS Öznitelik Tablo Yöneticisi (GRASS GIS Attribute Table Manager) penceresinden Kapat (Close) seçilerek işlem sonlandırılır. Analiz yapılacak alanın sınırını belirlemek için Atatürk Barajı’nın olduğu alana yakınlaşılır. Yeni alan sayısallaştır komutu seçilir ve kare bir alan çizilir. Karşınıza çıkan Öznitelik tanımla penceresinde Gönder sekmesine basılarak çizim işlemi bitirilir (Şekil 6.3). Çalışma sınırı belirlendikten sonra sayısallaştırma işlemi Sayısallaştırıcıdan çıkış tuşuna basılarak değişiklikler kaydedilip çıkılır. Daha sonra Katman yöneticisi ekranında “Calisma_Siniri” vektör dosyası görülecektir. Bu vektör dosya üzerinde farenin sağ tuşuna basılır. Açılan menüden, Seçilen haritadan hesaplanabilir bölge oluştur seçeneğine basılır (Şekil 6.4). Bu şekilde görüntü analizleri için hesaplanabilir yüzey olarak çizilen vektör harita tanımlanmış olur.

Bitki İndeksleri

Spektral bantlara uygulanan çeşitli aritmetik işlemlerle (bölme, çıkarma vb.), bir pikseldeki bitki örtüsü miktarını göstermeye yönelik olarak, tek bir değer elde etmek için tasarlanmış nicel ölçülere bitki örtüsü indeksleri adı verilmektedir. Yüksek değere sahip bitki örtüsü indeksleri sağlıklı bitki örtüsüne sahip pikselleri gösterir. Bu indekslerde yeşil bitki örtüsünün kırmızı ve yakın kızılötesi bölgelerdeki spektral yansıma (spektrumun görünür – kırmızı bölgesinde güneş ışınlarının yutulması nedeniyle, bu bölgelerde yansıtımın düşük olması ve yakın kızılötesi bölgede yaprağın fizyolojik yapısının dominant faktör olup ışınımın büyük bir kısmının yansıtılması) özellikleri göz önüne alınır. GRASS GIS yazılımında kullanılabilecek bitki indekslerinin uygulanabileceği ara yüze (i.vi penceresine) Görüntü›Uydu görüntüsü ürünleri›Bitki indeksleri seçilerek erişilebilmektedir. Pencere açıldığında karşınıza çıkan Gerekli menüsünün altında yer alan Bitki indeksleri türü bölümünden, görüntülere uygulanmak istenilen bitki indeksi seçilebilmektedir (Şekil 6.5).

Normalize Edilmiş Fark Bitki Örtüsü İndeksi (NDVI: Normalized Difference Vegetation Index) en sık kullanılan bitki indekslerinden birisidir. NDVI değeri yakın kızılötesi ve kırmızı bantlar kullanılarak hesaplanmaktadır.

NDVI indeks değerleri (-1) ile (+1) arasında değişmektedir. Yeşil bitki örtüsünün fazla olduğu alanlarda indeks değeri (+1)’e doğru yaklaşırken bulut, su ve kar düşük (eksi) NDVI değerlerine sahip olacaktır. Kayalık alan, kıraç toprak kırmızı ve yakın kızılötesi bölgeler de NDVI değeri sıfıra yakın değerler alacaktır.

GIS yazılımı aracılığı ile NDVI analizi için Görüntü›Uydu görüntüsü ürünleri›Bitki indeksleri seçilerek i.vi penceresi aktif hâle getirilir. Açılan pencereden Gerekli bölümünden Girdi kırmızı bandın adı olarak Band4 seçilir. Çıktı raster haritasının adı olarak “NDVI_Haritasi” girilir. Bitki indeksi tipi bölümünden ndvi seçilir (Şekil 6.6). Seçimlik girdiler penceresinden de Yakın kızılötesi bant kanalının adı Band5 olarak seçilir (Şekil 6.7) Üretilen NDVI haritasını görsel olarak daha anlaşılır hâle getirmek için Katman Yöneticisi penceresinden, üretilen “NDVI_Haritasi” üzerinde sağ tıklanıp açılan menüden Renk tablosunu belirle seçilir (Şekil 6.9). Açılan r.colors penceresinden Tanımla sekmesine basılır. Bu sekme altında yer alan Renk tablosunun adı alanından ndvi seçeneği seçilir. Ardından Çalıştır sekmesine basılarak üretilen NDVI haritasına yeni renk değerleri atanır (Şekil 6.10). NDVI haritasının sahip olduğu değerler Harita Görüntüleme penceresinde yer alan Raster/vektör harita sorgula komutu aracılığı ile sorgulanabilir.

Tasseled Cap (TC) bitki indeksi bitki indeksi tarımsal uygulamalar için farklı yansıma değerlerine sahip çok bantlı Landsat verisinin altı bandını kullanarak bitki indekslerini bilgi bakımından zenginleştirme işlemidir. TC yönteminde temel olarak sayıca fazla olan çok bantlı spektral görüntüler, daha az sayıda anlamlı banda dönüştürülmektedir. TC analizinde Landsat 8 uydu görüntüsünün altı bandı kullanılarak 4 farklı bitki indeksi oluşturulmaktadır. Bu indeksler:

• Parlaklık (Brightness):Arazi yansımalarının etkilediği biyolojik ve fiziksel faktörlere duyarlıdır. Altı yansıma bandının tümünün ortalamasından oluşturulmaktadır.
• Yeşillik (greennes) : Klorofil tarafından yayılan 0.45-0.69 mikron arasındaki görünür bantların yansımasına ve absorbe edilmesine duyarlıdır. Vejetasyon indislerine benzer olarak yakın kızılötesi bant ile görünür bantların farkından oluşturulmaktadır
• Islaklık: Orta kızılötesi, yakın kızılötesi ve görünür bantların ağırlıklı ortalamalarının farkları ölçülerek oluşturulmaktadır. Toprak ve bitki örtüsündeki su varlığını yorumlamada kullanılabilmektedir
• Atmosferik sis indeksidir.

GRASS GIS yazılımı kullanılarak TC analizi yapmak için Görüntü › Uydu görüntüsü ürünleri › Tasseled Cap bitki indeksi seçilerek i.tasscap penceresi aktif hâle getirilir. Açılan pencereden Çoklu bant seçeneğinden bir uydu ve o uydunun ilgili bantları seçilir. Raster haritaları için ana isim bölümüne “Tasseledcap” yazılır. Uydu sensörü bölümünden seçim yapılarak Çalıştır’a basılır. Çeşitli uyduların bantları şunladır:

• Landsat 4-7: band1, band2, band3, band4, band5 ve band7
• MODİS: ilk 7 band.
• Landsat 8: band2, band3, band4, band5, band6 ve band7

Ana Bileşen Dönüşümü

Çok bantlı görüntülerde toplam spektral bilgi bantlar arasında paylaşılmıştır. Genellikle toplam bilginin bir kısmı değişik oranlarda bantlar arasında tekrarlanır. Bu nedenle komşu bantlar arasında yüksek oranda korelasyon olabilir ve bu yüzden farklı bantlar nesneler hakkında aynı veya benzer spektral bilgileri içerebilir. Ana bileşen dönüşümü, orijinal veri kümesini n boyutlu (n toplam bant sayısı) lineer bir dönüşüm kullanarak öz vektörler uzayına dönüştürür. Böylece orijinal verinin varyansı maksimize edilerek bantlar arasındaki korelasyon ortadan kaldırılır. GRASS yazılımı kullanılarak ana bileşen dönüşümü yapmak için Görüntü›Görüntüyü dönüştür›Ana bileşenler seçilerek i.pca penceresi aktif hâle getirilir. Açılan i.pca penceresinde [Çoklu] iki veya daha fazla girdi raster haritalar veya görüntü grubu adı alanından ilgili bantlar seçilir. Çıktı raster haritaları için ana isim bölümüne “PCA” yazılır (Şekil 6.15). i.pca penceresinde ana bileşen dönüşümü için bant tanımlaması yapılırken en az iki adet bandın girdi veri olarak gösterilmesi gerekmektedir. Bununla birlikte ana bileşen dönüşümünde girdi bant sayısı kadar çıktı görüntü üretilmektedir. Bu görüntülerin her birinin adı, çıktı raster adı için verilen ana isim adına ardışık sayılar eklenerek oluşturulmaktadır. i.pca penceresinde yeniden ölçekle sekmesi altından üretilecek ana bileşen görüntülerinin alacağı piksel aralığı tanımlanabilmektedir. Bu değer yazılımda 0-255 olarak tanımlanmıştır. Eğer istenirse farklı piksel aralıkları olarak değiştirilebilir. (Şekil 6.16). Ana bileşen dönüşümü için tanımlamalar yapıldıktan sonra i.pca penceresinden Çalıştır sekmesine basılarak ana bileşen dönüşümü gerçekleştirilir. İşlem tamamlandığında komut çıktısı bölümünden dönüşüme ait bilgiler görülmektedir.

Değişim analizinde aynı alanın farklı tarihlerde çekilen iki veri setine ana bileşen dönüşümü uygulandığında, birinci ana bileşen iki veri seti arasında değişmeyen tüm bilgileri içerirken ikinci ana bileşen tüm değişimleri içerir.

Mekânsal Filtreleme

Mekânsal filtreleme yöntemleri, görüntünün mekânsal frekanslarına dayanarak görüntü içindeki bazı özellikleri vurgulamak veya yok etmek için uygulanmaktadır. Filtreleme işlemi büyük çoğunlukla söz konusu pikselin yansıtım değerini ona komşu olan piksellerin yansıtım değerlerini kullanarak değiştirir.

Yansıtım değerinin az olduğu düşük mekânsal frekansların vurgulanıp yüksek frekanslı detayların zayıflatılmak istendiği uygulamalarda alçak geçirgenli filtrelerin kullanımı uygundur. Tam tersi durumda ise yüksek geçirgenli filtre kullanılır. Alçak geçirgenli filtreler görüntüyü yumuşatırken (ortalama bilgi korunur), yüksek geçirgenli filtreler görüntünün ortalama bilgisini zayıflatan bir etkiye sahiptir.

Mekânsal frekans, birbirine komşu pikseller içinde en büyük ve en küçük gri değerler arasındaki farktır. Mekânsal frekans görüntünün herhangi bir yerinde her birim mesafede parlaklık değerlerinde oluşan değişim olarak da tanımlanır.

GRASS GIS yazılımı ile görüntüler üzerinde filtreleme yapmak için Görüntü › Görüntüyü filtrele › Matris/konvolüsyon filtreleme seçilerek r.mfilter penceresi açılır. Açılan pencereden girdi raster haritasının adı bölümünden birinci ana bileşeni temsil edene PCA.1 görüntüsü seçilir. Çıktı raster haritasının olarak “Alcak_gecirgenli” yazılır (Şekil 6.20) filtreleme matrisi yazılıma iki farklı şekilde tanıtılabilmektedir. Bunlardan birincisi eğer elinizde mevcut olan matris dosyasını gösteren bir ASCII dosyası var ise bu dosya doğrudan filtre dosyasının dizini bölümünden tanımlanabilir. Eğer elinizde bir filtre dosyası mevcut değilse uygulanacak filtreleme matrisi, değerleri doğrudan gir bölümünden girilir. Matris doğrudan girilirken Şekil 6.19’da görüldüğü gibi filtrenin ilk satırına MATRIX ve uygulanacak filtrenin boyutu n yazılır. Daha sonra matrisin satır ve sütunlarını oluşturan sayılar aralarında bir boşluk bırakılarak yazılır. Daha sonra bölen (DIVISOR), son olarak ise matrisin uygulanma tipi (TYPE) yazılır.

• DIVISOR (Bölen): Filtreleme işleminde, matrisin merkezindeki pikselin değeri hesaplandığında elde edilen toplam değer, bölen (divisor) olarak tanımlanan değere bölünmektir. Eğer divisor tanımlanmamışsa bu değer 1 olarak alınır. Eğer divisor 0 olarak tanımlanırsa bölen, her bir piksel hücresi için matristeki sayı değerlerinin toplamı olarak alınır.
• TYPE (Tip): GRASS GIS yazılımında filtreler S (Sequenatial: ardışık) ve P (Parallel: paralel) olarak iki farklı şekilde uygulanmaktadır.

Görüntüyü gri renk tonlarında görmek için katman yöneticisi penceresinde üretilen “Alcak_gecirgenli” raster haritası üzerinde sağ tıklanır ve açılan menüden Renk tablosunu ayarla seçilir.

Açılan r.colors penceresinden Tanımla sekmesine basılır. Bu sekme altında yer alan Renk tablosunun alanından grey seçeneği seçilir. Görüntülere yüksek geçirgenli filtre uygulamak için Görüntü › Görüntüyü filtrele › Matris/konvolüsyon filtreleme seçilerek r.mfilter penceresi açılır. Açılan pencereden girdi raster haritasının adı bölümünden birinci ana bileşeni temsil eden PCA.1 görüntüsü seçilir. Çıktı raster haritasının adı olarak “Yuksek_gecirgenli” yazılır (Şekil 6.26) Şekil 6.25’te verilen filtre yüksek geçirgenli bir filtredir.

Aritmetik Bant İşlemleri

Uydu görüntülerine uygulanan aritmetik bant işlemleri, görüntülere uygulanan spektral dönüşümlerden bir tanesidir. Bitki indeksleri veya diğer indeksler genellikle aritmetik bant işlemleri kullanılarak yapılmaktadır.

Uygulama işlemi ise NDVI bitki indeksi üzerinden gerçekleştirilecektir. GRASS GIS yazılımı aracılığı ile yapılan aritmetik bant işlemleri GRASS GIS Raster harita hesaplayıcı ara yüzü kullanılarak yapılmaktadır. Bu ara yüze komut satırına r.mapcalc yazılarak ya da çekme menülerden Raster › Raster harita hesaplayıcı seçilerek erişilebilir.

Birinci ana bileşenin orijinal görüntüsü Bant çıkarma işlemi genellikle görüntüler arasındaki değişimin incelenmesinde tercih edilen bir yöntemdir. Özellikle farklı tarihli görüntülerin değişimleri aritmetik bant işlemleri aracılığı ile yapılabilir. NDVI bitki indeksi hesaplanırken de yakın kızılötesi banttan kırmızı bant çıkartılmaktadır. İki bandı birbirinden çıkartmak için Raster › Raster harita seçilerek GRASS GIS Raster harita hesaplayıcı penceresi açılır. Açılan bu pencereden Oluşturulacak yeni raster harita adı alanına raster harita adı girilir. Bu uygulama için bu ad “B5_B4_Fark” olarak girilmiştir. İkinci olarak Hesaplama ifadesi alanına raster hesaplama komutunun girilmesi gerekmektedir.

Hesaplamada kullanılacak bantlar, “Var olan raster haritayı yükle” alanından yüklenebilmektedir. Çıkarma işlemi için ilk olarak Var olan raster harita alanından band5 seçilir. Ardından Operators bölümünden – operatörü seçilir. Son olarak Var olan raster harita yükle alanından band4 seçilerek uygulanacak komut oluşturulur. Çalıştır sekmesine basılarak gerekli hesaplama yapılır (Şekil 6.28).

Uydu bantlarının toplanması işlemi, çıkarma işleminde olduğu gibi yapılmaktadır. Elinizde bulunan uydu görüntüsü bantlarından yakın kızılötesi bant (band5) ile kırmızı bandı (band4) toplamak için GRASS GIS Raster harita hesaplayıcı penceresi açılır. Açılan pencereden Oluşturulacak yeni raster haritanın adı “B5_B4_Toplam” olarak girilir. Daha sonra Expression bölümüne (Band5@Goruntu_Analizleri+Band4@Goruntu_Analizler i) komutu girilerek Çalıştır (Run) sekmesine basılır (Şekil 6.30)

Bant oranlama işlemi iki farklı görüntünün ya da bandın birbirine bölünmesi işlemidir. Bant çıkarma ve bant toplama işleminde yakın kızılötesi bant ile kırmızı bandın farkını ve toplamını gösteren görüntüler elde edilmiştir. Bu bölümde ise elde edilen fark ve toplam görüntülerinin oranı hesaplanarak NDVI görüntüsü elde edilecektir. Bant oranlama işlemi için GRASS GIS Raster harita hesaplayıcı penceresi açılır. Açılan pencereden Oluşturulacak yeni raster harita adı “Bant_Oran” olarak girilir. Yapılacak oranlama işlemi sonucunda elde edilecek piksel değerleri ondalık değerler olacaktır. Bu nedenle işleme sokulacak bantların piksel değerleri ondalık olarak belirlenmelidir. Bu işlem için Harita hesaplama fonksiyonu yükle (x) fonksiyonu seçilir. Seçilen bu fonksiyonun parantez içlerine, oranlamada kullanılacak görüntüler tanımlanır. Bu uygulama için float (x) fonksiyonu kullanılarak oluşturulan hesaplama komutu ( float (B5_ B4_Fark@ Goruntu_Analizleri)/float (B5_B4_Toplam @ Goruntu_Analizleri)) Şekil 32’de gösterildiği gibi yazılarak Çalıştır sekmesine basılıp oran görüntüsü üretilir.