بهینه‌سازی روش‌های طبقه‌بندی داده‌های سنتینل 1 و 2 با ترکیب شاخص‌های طیفی (مطالعه موردی: تالاب انزلی)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی محیط‌زیست طبیعی، پژوهشکده محیط زیست جهاد دانشگاهی، رشت، ایران

2 گروه پژوهشی پایش منابع آب، پژوهشکده محیط زیست جهاد دانشگاهی، رشت، ایران

3 گروه پژوهشی فرآوری پسماند، پژوهشکده محیط زیست جهاد دانشگاهی، رشت، ایران

10.48308/envs.2024.1353

چکیده

سابقه و هدف: محدودیت‌های تکنیکی در طبقه‌بندی محیط‌های تالابی که دارای ناهمگونی زیادی ازنظر پوشش، کاربری و تنوع گونه‌های گیاهی هستند باعث تداخل در نتایج طبقه‌بندی و عدم دقت و صحت بالا در تفکیک کلاس‌های طبقه‌بندی پوشش‌های مختلف گیاهی می‌شود و جهت بهبود روش‌های مختلف طبقه‌بندی در محیط های تالابی، مطالعات اندکی موجود می‌باشد. هدف اصلی این مطالعه بررسی ترکیب داده‌های چند طیفی و راداری در بهبود روش‌های طبقه‌بندی محیط‌های تالابی و ارائه روشی جهت تفکیک هرچه بهتر پوشش‌های مختلف‌ گیاهی در این محیط‌های غنی با تنوع زیستی بالا در تالاب بین‌الملی انزلی است.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه از ترکیب داده‌های سنتیل 1 و2 به عنوان یک سری داده و ترکیب داده‌های سنتینل 2 و شاخص‌های طیفی NDVI، SAVI و mNDWI به عنوان سری دوم داده، استفاده‌شده است. بهترین تصویر هر فصل (تابستان، پاییز، زمستان و بهار) از سال 2016 تا 2022 به‌منظور تهیه نقشه طبقه‌بندی و بررسی دقیق‌تر تغییرات موجود در تالاب، استفاده شد. به‌منظور طبقه‌بندی تصویر، نمونه‌های آموزشی بر اساس نمونه‌برداری‌های میدانی، ترکیب تصاویر ماهواره‌ای و تصاویر گوگل ارث انتخاب شد و طبقه‌بندی با استفاده از سه الگوریتم نظارت‌شده ماشین بردار پشتیبان، شبکه عصبی و حداکثر احتمال صورت گرفت.
نتایج و بحث: نتایج نشان داد که ترکیب داده‌های سنتینل 1 و 2 نتایج بهتری نسبت به ترکیب داده‌های سنتینل 2 و شاخص‌های طیفی دارد، به‌طوری‌که در 4 دوره بررسی ضریب کاپا به ترتیب 91/0، 84/0، 79/0، 97/0 و دقت کلی 99/92، 43/87، 80/83، 90/97 (در سال‌های 2016، 2017، ژانویه 2022 و جولای 2022) در ترکیب داده‌های سنتینل 1 و 2 بدست آمد که به‌مراتب بیشتر از ترکیب داده‌های سنتینل 2 با شاخص‌های طیفی است. همچنین ترکیب داده‌های سنتینل 1و 2 باعث آشکارسازی هرچه بهتر پهنه‌های آبی و همچنین رویشگاه‌های لاله تالابی می‌شود.
نتیجه‌گیری: به‌دلیل پیچیدگی‌های متعدد در ساختار فضایی تالاب‌ها، شناسایی نوع پوشش زمین و تهدیدهای موجود چالش‌برانگیز است. این مطالعه استفاده از داده‌های چند زمانی Sentinel-1 و -2 را برای بررسی خصوصیات جامع تالاب ارائه می‌نماید. بررسی صحت‌ طبقه بندی در 4 دوره مطالعه در بازه زمانی سال‌های 2016 تا 2022 در استفاده از 3 الگوریتم طبقه‌بندی ماشین بردار پشتیبان، حداکثر احتمال و شبکه عصبی نشان داد که ترکیب داده‌های سنتینل 2 و سنتینل 1 از دقت کلی و ضریب کاپا بالاتری نسبت به ترکیب داده‌های سنتینل 2 با شاخص‌های طیفی از برخوردار است. در بین 3 الگوریتم استفاده‌شده در تمامی سال‌ها الگوریتم حداکثر احتمال بیشترین میزان دقت کلی و ضریب کاپا را به نسبت به دو الگوریتم دیگر دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Integration Sentinel 1 and 2 satellite data with spectral indices to improve classification methods (Anzali wetland)

نویسندگان [English]

  • Maryam Haghighi Khomami 1
  • Mohammad Javad Tajadod 1
  • Hadi Modaberi 2
  • Mohammad Panahandeh 3
1 Department of Natural Environment, Environmental Research Institute, University Jihad of Gilan Province, Rasht, Iran.
2 Department of Water Resources Monitoring, Environmental Research Institute, University Jihad of Gilan Province, Rasht, Iran.
3 Department of Waste Process, Environmental Research Institute, University Jihad of Gilan Province, Rasht, Iran.
چکیده [English]

Background and Objective: Technical limitations in classifying heterogeneous wetland environments, characterized by diverse vegetation cover, land use, and species diversity, often lead to interference in classification results and reduced accuracy in differentiating vegetation classes within wetland ecosystems. There is limited research available to improve classification methods in wetland environments. The main objective of this study is to investigate the combination of multispectral and radar data to enhance wetland classification methods and propose an approach for better differentiation of various vegetation covers in highly biodiverse wetland environments, specifically in the Anzali International Wetland.

Materials and Methods: In this study, a combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 data was used as the first data series, and a combination of Sentinel-2 data with spectral indices such as NDVI, SAVI, and mNDWI was used as the second data series. The best image for each season (summer, autumn, winter, and spring) from 2016 to 2022 was selected to create classification maps and examine detailed changes in the wetland. For image classification, training areas were selected based on field sampling, combining satellite imagery and Google Earth images. Classification was performed using three supervised algorithms: Support Vector Machine, Artificial Neural Network, and Maximum Likelihood.

Results and Discussion: The results indicated that the combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 data yielded better results compared to the combination of Sentinel-2 data with spectral indices. The overall accuracy and Kappa coefficient for the four periods were 92.99%, 87.43%, 83.80%, and 97.90% (in 2016, 2017, January 2022, and July 2022, respectively) when using the combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 data, which were significantly higher than the results obtained with the combination of Sentinel-2 data and spectral indices. Furthermore, the combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 data resulted in better detection of water bodies and lotus habitats within the wetland.

Conclusion: Due to the complexity of wetland spatial structures and existing threats, identifying land cover types is challenging. This study demonstrates the use of multi-temporal Sentinel-1 and Sentinel-2 data to comprehensively assess wetland characteristics. The accuracy assessment for the four study periods from 2016 to 2022 using three classification algorithms, Support Vector Machine, Maximum Likelihood, and Artificial Neural Network, showed that the combination of Sentinel-2 and Sentinel-1 data outperformed the combination of Sentinel-2 data with spectral indices in terms of overall accuracy and Kappa coefficient. Among the three algorithms used, the Maximum Likelihood algorithm consistently achieved the highest overall accuracy and Kappa coefficient compared to the other two algorithms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Sentinel_1"
  • "Sentinel_2"
  • "Spectral Indices"
  • "Combination of Data"
  • "Anzali Wetland"