ILMSImage Cell Creation
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Introduction
ILMSImage Cell Creation is part of the ILMSImage plugin for QuantumGIS and there, it is used for cell creation with selected input data and further optional parameters.
The panel consists of two components. In the upper part the current project is summarized under the title ILMSImage Project Information. The rest of the panel is the actual functionality, in this case the derivation of statistically homogeneous image areas which are called cells in the context of ILMSImage. This division into two parts, project information and tools, also exists in other panels of the ILMSImage GUI plug-in.
Das Zellbildungs-Panel des ILMSImage-Plugins für QuantumGIS
Part 1: Information
The information which is summarized in the information section consists of the project name (1) and the data sources which have been used in the project and their identifiers (2) - assigned in the ILMSImage setup panel.
Informationen zu einem ILMSImage-Projekt
Part 2: Cell Creation
Background
The derivation of statistically homogeneous image areas is a key process in object-based image analysis. It is based on the assumption that the data material of modern remote sensing sensors which is getting more complex due to increasing data density cannot be analyzed adequately because pixels from common image analysis are used as a reference. As an alternative, object-based image analysis offers the creation of new areas as a basis for subsequent analysis. This process is often called segmentation and, in the context of ILMSImage as cell creation. It summarizes neighboring pixels on the basis of statistical similarities to areas (cells) which are as homogeneous as possible. This process does not only represent reduction of complexity of extensive input data but it also offers a new perspective on those data by providing new features (which are only rarely used in image analysis) for subsequent analysis. One of those features is, for example, the form of a cell or its spatial context which contains, among other things, the relation to the neighboring cells. Features for form and context are perceived as subordinate features in pixel-based analysis of remote sensing data due to the uniformity of the area, mostly the rectangular pixel.
Für den Prozess der Segmentierung, das heißt, um solche Art Bezugsflächen aus Bilddatenmaterial abzuleiten, hat die entsprechende Fachliteratur eine Reihe von Vorschlägen und Methoden unterbreitet. Einige davon werden in Haralick & Shapiro (1985), Pal & Pal (1993) und Freixenet et al. (2002) zusammengefasst. Zum ersten Verständnis von ILMSImage ist es ausreichend zu wissen, dass der in der Software implementierte Zellbildungsprozess auf einer Kombination der Methoden Region-Growing und Watershed-Analyse beruht, der mit dem Ziel entwickelt wurde, die dem Nutzer zur Anpassung zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zu minimieren. Zur genaueren Abstimmung des Verfahrens sind jedoch auch detailliertere Optionen vorhanden. Das Ergebnis des Zellbildungsprozesses mit ILMSImage stellt eine erste Abstraktion des ursprünglichen Bildinhalts dar, alle weiteren Analysen werden anhand dieses Zellbilds durchgeführt.
Übersicht
Im unteren Abschnitt des Panels findet sich das Werkzeug zur Zellbildung. Grundsätzlich kann der Nutzer hier dreierlei Einstellungen vornehmen:
- Aktivierung der Zellbildung: Der Hauptparameter zur Anpassung einer ILMSImage-Zellbildung wird als Modulation bezeichnet. Er legt fest, welche durchschnittliche Größe die resultierenden homogenen Bereiche nach der Prozessierung haben werden. Für eine Zellbildung mit ILMSImage wird allein dieser Parameter zwingend benötigt.
- Erweiterte Optionen: Diese sind standardmäßig ausgeschaltet, lassen sich jedoch aktivieren, um die Zellbildung ausführlicher anzupassen.
- Vektordatenexport: Nach Beendigung der Zellbildung ist es möglich, das Ergebnis in ein Shapefile zu exportieren und in der Kartenoberfläche zu visualisieren. Dieser Prozess lässt sich in einigen Aspekten modifizieren.
Einstellungen zur ILMSImage-Zellbildung
Aktivierung der Zellbildung
Durch Klicken auf das entsprechende Kontrollkästchen wird die Zellbildung aktiviert. Die einzige für diesen Teilprozess zwingend notwendige Angabe ist die Modulation. Dieser Begriff führt sich auf den in den Bilddaten vorhandenen Maximalkontrast zwischen zwei benachbarten Pixeln zurück (Schowengerdt, 2007). Der Parameter Modulation steuert die durchschnittliche Größe der entstehenden Zellen. Dabei ist folgender Zusammenhang zu beachten: mit zunehmender Modulation nimmt die durchschnittliche Größe der Zellen zu, ihre Anzahl entsprechend ab, mit abnehmender Modulation verringert sich die durchschnittliche Größe der Zellen, ihre Anzahl hingegen nimmt zu.
Der Wertebereich des Parameters liegt zwischen 0 und 1, wobei beachtet werden sollte, dass sich mit den Extremwerten unter keinen Umständen sinnvolle Ergebnisse erzielen lassen. Mit 0,07 ist ein Modulationswert voreingestellt, der sich als guter Ausgangspunkt für Zellbildungen für eine Kombination von räumlich höher aufgelösten panchromatischen Daten und räumlich geringer aufgelösten multispektralen Daten (wie sie auch im vorliegenden Beispiel verwendet wird) erwiesen hat. Von dieser Voreinstellung aus ist es dem Nutzer möglich, den Zellbildungsparameter so anzupassen, dass er der typischen Flächengröße, auf welche die Auswertung zielt, entspricht. Das Ergebnis einer neuen Zellbildung ist ein Rasterdatensatz, der die Pixelgröße des am höchsten aufgelösten Eingangsdatenkanals besitzt, im Projektverzeichnis zu finden ist und die Endung _index trägt. Da ILMSImage auf die entsprechende Datei für weitere Operationen exklusiven Zugriff benötigt, wird er nicht automatisch in die Kartenansicht geladen. Zur Visualisierung des Zellbildungsergebnis ist die Option des Vektordatenexports (siehe unten) besser geeignet.
Erweiterte Optionen
Mit den erweiterten Optionen lässt sich die Zellbildung spezifischer anpassen. Ihre Bearbeitung kann nur aktiviert werden, wenn auch die Zellbildung selbst eingeschaltet ist. Bei einer einfachen Zellbildung werden für diese Parameter Standardwerte verwendet, die auch in der Oberfläche angezeigt werden. Im Folgenden die einzelnen Parameter und ihre Bedeutung:
| ILMSImage Parameter | Bedeutung |
|---|---|
| Minimum Mapping Unit | Der Wert dieses Parameters stellt die kleinste zulässige Zellgröße in Bildpixeln dar. Standardmäßig entspricht die kleinste Zellgröße 1 und damit der Pixelauflösung des am höchsten aufgelösten Eingangsdatenkanals. Bei großflächigen Analysen ist es unter Umständen sinnvoll, diesen Wert nach oben anzupassen, um die Bildung sehr kleiner Zellen zu vermeiden. |
| Layer Bias | Dieser Parameter steuert die Gewichtung verschiedener Eingabekanäle. Er erlaubt es, einer Datenebene für die Zellbildung eine höhere Bedeutung beizumessen. Standardmäßig ist der Wert auf 1,0 gesetzt, damit sind alle Datenebenen gleich gewichtet. Durch Änderung dieses Werts kann der ersten der in der entsprechenden Liste vorhandenen Ebene ein anderes Gewicht zugeordnet werden. |
| Morphological Smoothing | Die Ergebnisse der Zellbildung können auf Pixelebene geglättet werden, das heißt, die Zellgrenzen werden bereits vor der Erstellung einer Vektordatenrepräsentation in tendenziell etwas weichere Formen überführt. Standardmäßig ist diese Funktion ausgeschaltet, der Wert des Parameters entsprechend 0,0. |
| Tile Size | ILMSImage verwendet ein Kachelkonzept, um große Datenebenen effizient verarbeiten zu können. Die Größe der verwendeten Kacheln kann mit diesem Parameter angepasst werden, die dabei verwendete Einheit sind dabei Bildpixel des am höchsten aufgelösten Eingangsdatenkanals. Bei kleinflächigen Projekten (bis zu 3000 Pixeln Seitenlänge) ist es unter Umständen effizienter, die Kachelung durch Angabe eines entsprechend höheren Wertes für diesen Parameter auszuschalten. |
| Tile Overlap | Um größere Zellen auch über mehrere interne Kacheln hinweg bilden zu können, greift ILMSImage im Randbereich dieser auf eine Überlappung zurück. Die Größe des Überlappungsbereichs kann mit diesem Parameter eingestellt werden. Einheit sind wieder Bildpixel des am höchsten aufgelösten Eingangsdatenkanals. |
Vektordatenexport
Es ist möglich, das Ergebnis der Zellbildung als Vektordatensatz, speziell als ein Shapefile, zu exportieren. Um diesen Export zu veranlassen, muss das entsprechende Kontrollkästchen im dritten Abschnitt des Zellbildungs-Panels aktiviert werden. Standardmäßig trägt die entstehende Datei den Namen des Projekts erweitert um _index.shp und werden die dazugehörigen Dateien in ein Unterverzeichnis des Projektworkspace mit dem Namen exports kopiert. Name und Speicherort lassen sich zusätzlich vom Nutzer anpassen. Es ist weiterhin möglich, die erstellten Polygone adaptiv zu glätten, was sich durch Aktivierung des Kontrollkästchens Smooth arcs with grade einschalten lässt. Der Grad der Glättung lässt sich in der nebenstehenden Auswahlbox festlegen (Wertebereich von 1 bis 7), dabei werden die Polygone mit zunehmendem Grad stärker geglättet.
Durchführung der Zellbildung
Mit einem Klick auf Create and/or visualize cells werden die gewählten Operationen durchgeführt. Je nach Größe des Untersuchungsgebiets und der selektierten Parameter kann dies einige Minuten dauern. Die Beendigung der Prozesse wird durch Informationsboxen angezeigt.
Dialoge zur Information über Beendigung der Zellbildung
Wurde der Vektordatenexport aktiviert, so erfolgt das Laden der entsprechenden Datensätze nach Bestätigung der Beendigungsnachrichten automatisch. Der Zellindex ist nun in Vektorform zu betrachten und kann mittels einer weiteren Zellbildung durch Parameteränderung angepasst oder für die folgenden Analyseprozesse übernommen werden. Es ist zu beachten, dass i.d.R. immer nur ein Zellbildungsergebnis in Rasterform vorliegt, das heißt, zur Wiederherstellung eines vorherigen Zellindex muss dieser erneut mit den identischen Parametern erstellt werden, eine Funktion, die selbstständig zu einem vorherigen Ergebnis zurückkehrt, existiert nicht. Für exportierte Vektordaten trifft diese Einschränkung nicht zu, so fern beim Export unterschiedliche Dateinamen angegeben wurden.
800px|Zellindex als Vektordatenlayer über Originaldaten
Weiteres Vorgehen
Nach der Zellbildung setzt sich eine typische ILMSImage-Prozesskette mit der Ableitung und Berechnung von Zellattributen mittels des Panels ILMSImage Attribute Calculation fort.
