การเปรียบเทียบการจำแนกประเภทพืชผลในข้อมูลช่วงเวลาเดียวของดาวเทียม Xiguang หมายเลข 1 05 (Tianxianpei หมายเลข) และข้อมูลจากดาวเทียม Sentinel-2

ภูมิหลังและบทนำ

การระบุและจำแนกการกระจายตัวของพืชผลชนิดต่างๆ โดยใช้ภาพถ่ายจากดาวเทียม ช่วยให้สามารถบริหารจัดการและติดตามตรวจสอบการผลิตทางการเกษตรในระดับมหภาคได้อย่างละเอียดมากขึ้น การติดตามตรวจสอบนี้ให้ข้อมูลสนับสนุนสำหรับการเตือนภัยล่วงหน้าเกี่ยวกับศัตรูพืชและโรคระบาด นอกจากนี้ ผลการจำแนกประเภทจากดาวเทียม เมื่อรวมกับข้อมูลด้านอุตุนิยมวิทยา อุทกวิทยา และดิน จะเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการประมาณผลผลิตทางการเกษตร การประเมินความเสียหายจากภัยพิบัติ และการตัดสินใจด้านความมั่นคงทางอาหาร ความสำคัญของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่การส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงการเกษตรแบบดั้งเดิมไปสู่ระบบดิจิทัล ระบบสารสนเทศ และระบบอัจฉริยะ ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตทางการเกษตรและการใช้ทรัพยากร ลดต้นทุนการสำรวจด้วยมือ และบรรลุการติดตามตรวจสอบแบบไดนามิกและการจัดการที่แม่นยำในพื้นที่เกษตรกรรมขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ผลการจำแนกประเภทพืชผลยังสามารถให้ข้อมูลพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการกำหนดนโยบายการเกษตรของประเทศ การปกป้องที่ดินทำกิน และการประเมินการกักเก็บคาร์บอน ซึ่งมีนัยสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นคงทางอาหารและการส่งเสริมการพัฒนาการเกษตรอย่างยั่งยืน

ภาพถ่ายมัลติสเปกตรัมโดยทั่วไปประกอบด้วยแถบคลื่นความถี่กว้างจำนวนน้อย (เช่น 4–13 แถบ) ซึ่งส่วนใหญ่สะท้อนลักษณะโดยรวมของลักษณะภูมิประเทศในแถบคลื่นความถี่หลัก เช่น แสงที่มองเห็นได้และแสงอินฟราเรดใกล้ เหมาะสำหรับการจำแนกและตรวจสอบลักษณะภูมิประเทศในระดับมหภาค เช่น การใช้ที่ดินและการปกคลุมของพืชพรรณ ในทางกลับกัน ภาพถ่ายไฮเปอร์สเปกตรัมใช้ใน…การสุ่มตัวอย่างอย่างต่อเนื่องในแถบความถี่แคบๆ นับสิบถึงหลายร้อยแถบข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมสามารถบันทึกคุณลักษณะการสะท้อนแสงที่ละเอียดของลักษณะภูมิประเทศในสเปกตรัม ทำให้สามารถระบุความแตกต่างเล็กน้อยที่ไม่สามารถแยกแยะได้ด้วยวิธีการมัลติสเปกตรัม ตัวอย่างเช่น ความแปรผันในพันธุ์พืชที่แตกต่างกัน สภาวะทางสรีรวิทยาของพืช หรือองค์ประกอบแร่ธาตุ สามารถบันทึกได้อย่างแม่นยำในข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัม การเปรียบเทียบทั้งสองจะช่วยให้เห็นผลกระทบของความละเอียดสเปกตรัมต่อความแม่นยำในการระบุลักษณะภูมิประเทศและความสามารถในการสกัดคุณลักษณะ ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจแผนการเลือกข้อมูลที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานต่างๆ ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

หลักการและวิธีการ

การทดลองนี้ดำเนินการโดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม Xiguang-1 05 (หรือที่รู้จักกันในชื่อ Tianxianpei) และ Sentinel-2 ขั้นแรก คำนวณดัชนีความแตกต่างของพืชพรรณแบบปกติ (NDVI) ดัชนีอัตราส่วนพืชพรรณ (RVI) และดัชนีพืชพรรณที่ปรับปรุงแล้ว (EVI) สำหรับทั้งข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมและมัลติสเปกตรัม จากนั้น สำหรับข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัม ใช้ขั้นตอนวิธีหิ่งห้อยที่ดัดแปลงเพื่อเลือกแถบคลื่นที่มีความสัมพันธ์สูงสำหรับการลดมิติของแถบคลื่น สุดท้าย ใช้เครื่องเรียนรู้แบบเวกเตอร์สนับสนุน (SVM) เพื่อจำแนกพืชผลในทั้งข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมและมัลติสเปกตรัม

การวิเคราะห์ผลลัพธ์

รูปที่ 1. ผลลัพธ์การจำแนกประเภทด้วยไฮเปอร์สเปกตรัม

รูปที่ 2 ผลลัพธ์การจำแนกประเภทแบบหลายสเปกตรัม

ในการทดลองจำแนกประเภทพืชผลนี้ ได้ใช้ดัชนีสามตัว ได้แก่ NDVI, RVI และ EVI ร่วมกับแถบคลื่นที่มีความสัมพันธ์สูงกับพืชผล โดยใช้อัลกอริธึม SVM เพื่อลดอิทธิพลของตัวจำแนก ภาพที่ 1 และ 2 แสดงผลลัพธ์การจำแนก ผลการจำแนกภาพไฮเปอร์สเปกตรัมแบบช่วงเวลาเดียวดีกว่าผลการจำแนกภาพมัลติสเปกตรัม ภาพมัลติสเปกตรัมมีข้อเสียคือขอบภาพเบลอ มีจุดจำนวนมาก และมีความแม่นยำต่ำ ในขณะที่ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมให้รายละเอียดที่ละเอียดกว่าและมีความเสถียรมากกว่าในการระบุลักษณะพื้นดิน

ในการจำแนกประเภทการปกคลุมของพื้นดิน ข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมมีข้อได้เปรียบอย่างมากเหนือข้อมูลมัลติสเปกตรัม ภาพไฮเปอร์สเปกตรัมบันทึกคุณลักษณะการสะท้อนแสงของการปกคลุมของพื้นดินในหลายแถบแคบต่อเนื่องกัน ทำให้สามารถจำแนกลักษณะความแตกต่างทางสเปกตรัมระหว่างพืชชนิดต่างๆ บนพื้นผิวได้อย่างละเอียดมากขึ้น มักแสดงคุณลักษณะระหว่างสเปกตรัมที่สามารถแยกแยะได้ในพื้นที่ไฮเปอร์สเปกตรัม ซึ่งช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการจำแนกประเภทและการแยกประเภทได้อย่างมีนัยสำคัญ การใช้ข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัม วิธีการจับคู่คุณลักษณะทางสเปกตรัมสามารถบรรลุการจำแนกที่ละเอียดและระบุประเภทการปกคลุมของพื้นดินที่ซับซ้อนได้อย่างมั่นใจสูง ในทางตรงกันข้าม ข้อมูลมัลติสเปกตรัมแบบดั้งเดิมมีแถบน้อยกว่าและแบนด์วิดท์กว้างกว่า ให้ข้อมูลสเปกตรัมที่จำกัดเท่านั้น มีแนวโน้มที่จะเกิดการทับซ้อนทางสเปกตรัมระหว่างประเภทการปกคลุมของพื้นดินที่แตกต่างกัน ทำให้ขอบเขตการจำแนกประเภทไม่ชัดเจนและเกิดการจำแนกผิดพลาด นอกจากนี้ ข้อมูลมัลติสเปกตรัมยังไม่เสถียรในสภาพแวดล้อมพื้นผิวที่ซับซ้อน (เช่น ประเภทการปกคลุมของพื้นดินผสม เงา และการรบกวนจากพื้นหลังของดิน) ทำให้ยากที่จะจับความแตกต่างเล็กน้อยได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น จากมุมมองของความแม่นยำในการจำแนกประเภท ความทนทาน และความสามารถในการตีความ ข้อมูลไฮเปอร์สเปกตรัมจึงมีข้อได้เปรียบอย่างมากในงานจำแนกประเภทการปกคลุมของพื้นดิน และเป็นแหล่งข้อมูลที่สำคัญสำหรับการสกัดข้อมูลพื้นผิวโลกที่มีความแม่นยำสูง