GENLIB: Spectrale bibliotheken om steden beter te kunnen lezen

#Webstory, #STEREO, #Stedelijke gebieden, #Image processing

Gepubliceerd op 26 augustus 2022

In een context van voortdurende verandering in onze steden worden stadskartering en aanverwante toepassingen steeds nauwkeuriger, sneller en gemakkelijker. Het STEREO III-project GENLIB werkt aan een concept dat het in kaart brengen van stedelijke omgevingen met behulp van teledetectiegegevens zowel efficiënter als toegankelijker moet maken.

Steden exploderen – databases eveneens

Steden groeien sneller dan ooit, en dat geldt ook voor de enorme hoeveelheid aardobservatiegegevens over stedelijke gebieden. Vandaag worden deze gegevens verder verrijkt door hyperspectrale satelliet- en luchtopnamen, die zeer interessante vooruitzichten bieden voor de monitoring van stedelijke gebieden.

Steden worden gekenmerkt door een grote verscheidenheid aan bodembedekkingstypes (gebouwen, wegen, vegetatie, enz.), vaak zeer klein in oppervlak en zeer dicht op elkaar. Ze kunnen elkaar zelfs overlappen, om nog maar te zwijgen van de vele schaduwzones die door gebouwen worden gecreëerd. Onder deze omstandigheden is het zeer moeilijk om de verschillende bodembedekkingen uitsluitend op basis van hun spectrale signaturen van elkaar te onderscheiden. De omzetting van aardobservatiegegevens in bruikbare informatie vereist daarom vaak de ontwikkeling van specifieke numerieke modellen voor elk bestudeerd thema. Maar deze modellen kunnen niet worden ontwikkeld zonder spectrale referentiegegevens van goede kwaliteit (of "ground truth"-gegevens) voor de verschillende soorten stedelijke bedekking. Het verzamelen van deze gegevens gebeurt over het algemeen geval per geval en vergt helaas veel tijd en moeite, mede door het ontbreken van een gestandaardiseerde aanpak.

Een GUSL wordt gedefinieerd als een verzameling van spectrale bibliotheken met meerdere locaties, rijkelijk gelabeld, en voorzien van de instrumenten om deze bibliotheken te bevragen, te transformeren en toe te passen op diverse karteringstoepassingen.

Het doel van het STEREO III-project GENLIB (Developing a generic framework for library based multi-site mapping of urban areas) is om de kartering van stedelijke omgevingen met behulp van teledetectiegegevens te vergemakkelijken, te stroomlijnen en toegankelijker te maken. Daartoe stelt het projectteam, bestaande uit leden van de VUB, de KULeuven en DLR, het concept voor van een generieke stedelijke spectrale bibliotheek (GUSL: Generic Urban Spectral Library).

De belangrijkste hypothese van het project is dat een dergelijke bibliotheek, zodra zij voldoende representatief is geworden, kan worden gebruikt om nauwkeurige karteringen uit te voeren met om het even welke optische sensor, op om het even welke plaats en voor om het even welke toepassing, op voorwaarde dat de gebruikte beeldgegevens redelijk geschikt zijn voor de taak.

Deze GUSL-bibliotheek zou worden verspreid via het SPECCHIO open access data system en zou dynamisch groeien met bijdragen van nieuwe spectrale bibliotheken uit de gebruikersgemeenschap. Op die manier zal GUSL spectraal representatief worden voor een toenemende diversiteit van stedelijke gebieden.

Een spectrale bibliotheek is een verzameling spectra die gewoonlijk vergezeld gaat van enige metadata (bv. hoe, wanneer en waar deze spectra werden verkregen). Spectra of spectrale profielen beschrijven de hoeveelheid zonlicht die door verschillende oppervlakken wordt weerkaatst/geabsorbeerd. De reflectantie kan variëren bij verschillende golflengten, afhankelijk van de (bio)fysische of chemische eigenschappen van het te meten oppervlak, hetgeen resulteert in unieke handtekeningen die deze oppervlakken (en soms zelfs hun toestand) identificeren.

Spectrale bibliotheken bevatten gewoonlijk alleen spectra van zuivere materialen of oppervlaktetypen die met het overeenkomstige dekkingstype zijn gelabeld. Deze spectra kunnen worden gemeten met laboratorium- of veldspectrometers (dichtbij of op de grond) of worden bemonsterd aan de hand van teledetectiebeelden (vanuit de lucht). Hoewel metingen op de grond over het algemeen nauwkeuriger zijn, zijn ze ook duurder.

Een experimentele bibliotheek...

Om de haalbaarheid van een dergelijke bibliotheek aan te tonen en de werking ervan te illustreren, produceerde het team eerst een experimentele GUSL met bijna 9.000 spectra uit 8 bronbibliotheken die 10 steden in België, Duitsland, het VK en de VS bestrijken. Het bevat meer dan 50 soorten kunstmatige en natuurlijke bekleding (zie onderstaande illustratie).

Samenstelling en spectrale variabiliteit van de spectrale bibliotheek VUB-KUL in Brussel, een van de bronbibliotheken van het experimentele GUSL. Deze spectrale bibliotheek kan gratis worden gedownload van het Zenodo Open Access platform.

Om de gegevens van deze 8 bronbibliotheken, alle met verschillende bandensets (zie onderstaande illustratie), te beheren, ontwikkelde het team een Python-module met de naam GSL-tools. Naast de functionaliteit voor het automatisch resamplen en herlabelen van GUSL-spectra, maakt de module ook de constructie, optimalisatie en synthetische menging van spectrale bibliotheken mogelijk.

De bandensetdefinities van de verschillende spectrale bronbibliotheken die in de experimentele GUSL zijn opgenomen, hier geïllustreerd aan de hand van de banddichtheid over 100 golflengte-intervallen van gelijke grootte. De gemiddelde bandbreedte op halve hoogte wordt bovenaan getoond voor elke bronbibliotheek.

…op de proef gesteld

Het team heeft hun experimentele bibliotheek vervolgens op de proef gesteld in drie experimenten met veelvoorkomende GUSL-gebruiksscenario's.

Het eerste geval betreft de samenstelling van spectrale bibliotheken, wat een moeilijke taak blijft die specialistische kennis vereist. Het team vestigt de aandacht op het tot nog toe onderbenutte potentieel van spectrale bibliotheken op basis van beelden en kon aantonen dat de GUSL-bibliotheek de productie van dergelijke bibliotheken vergemakkelijkt.

De tweede toepassing van GUSL betrof de classificatie van landbedekking met hoge resolutie bij het ontbreken van lokale spectrale informatie over het in kaart te brengen beeld.

Weergave van een hyperspectraal beeld in de vorm van een "datacube" (3D-gegevenskubus waarin elke pixel lokale spectrale informatie verschaft over een groot aantal aaneengesloten banden in een interessante scène) van het Jubelpark in Brussel.

Het derde toepassingsgeval betreft de toepassing van GUSL op sub-pixel stadskartering met middelhoge resolutie. Terwijl dit gewoonlijk gebaseerd is op het mixing framework "Vegetatie-Ondoorlatend oppervlak-Bodem" of soortgelijke raamwerken, heeft het team onderzocht of GUSL kan worden benut door zich te richten op een thematisch versterkt mixing framework met 6 generieke materiaalklassen: Keramiek-Mineralen, Metalen, Kunststoffen, Halfgeleiders, Vegetatie en Water. Voor dit doel werd een gesimuleerd EnMAP hyperspectraal satellietbeeld van Brussel gebruikt.

De classificatie per pixel kent aan elke pixel van het beeld één en slechts één klasse van bodembedekking toe. Bij subpixelclassificatie kan elke pixel meerdere en gedeeltelijke deelmaten van geïdentificeerde klassen hebben (b.v. in het geval van een pixel met vegetatie en asfalt wanneer een boom een weg gedeeltelijk bedekt).

De gunstige resultaten van deze "proof-of-concept"-experimenten geven aan dat GUSL kan helpen bij het samenstellen van spectrale bibliotheken en bij het produceren van gedetailleerde en nauwkeurige kaarten met weinig input van de gebruiker, zelfs onder moeilijke omstandigheden, b.v. wanneer lokale spectrale informatie gedeeltelijk ontbreekt.

Het GENLIB-project heeft daarom het potentieel aangetoond van spectrale bibliotheekcollecties op meerdere locaties voor een efficiëntere stadskartering. De verschillende ontwikkelingen die tijdens het project zijn uitgevoerd, hebben de haalbaarheid van een dergelijke spectrale GUSL-bibliotheek aangetoond, alsmede het nut ervan voor verschillende soorten gebruikers van teledetectie in steden.