استخدام محركات الموجات لتحليل الصور المتعددة الاستبانة في الاستشعار عن بعد

وقد أدت التحولات في الموجات إلى إحداث ثورة في مجال الاستشعار عن بعد بتوفير أدوات رياضية متطورة لتحليل الصور الساتلية والجوية على نطاقات متعددة في نفس الوقت، وهذه التقنيات القوية تمكن الباحثين والممارسين من الحصول على معلومات مفصلة من بيانات الاستشعار عن بعد المعقدة، وتحسين كل شيء من تصنيف الغطاء الأرضي لتغيير الكشف والرصد البيئي، ومن خلال إزالة الصور إلى مكونات تمثل مختلف النطاقات الترددية والمقاييس المكانية، توفر التحولات الموجية مرونة غير مسبوقة في تجهيز البيانات وتفسيرها.

Understanding Wavelet Transforms in Remote Sensing

والتحليل المتعدد الاستبانة هو أسلوب تصميم أكثر التحولات المميزة ذات الصلة عمليا، ومبررات التخديرية للتحول السريع للموجات، وتظهر الأجسام التي لوحظت في صور الاستشعار عن بعد العديد من المقاييس غير البرمجية نظرا لأن بيئتنا تتألف من العديد من العمليات الطبيعية وغير الطبيعية وتظهر أوجه تجانس ملحوظة، وهذا الطابع المتعدد النطاق المتأصل لملامح سطح الأرض يجعل تطبيقات الاستشعار عن بعد ذات موجات جيدة.

ويحول الوافل الصور المقطعة إلى عناصر تمثل مختلف نطاقات الترددات والمقاييس المكانية، بخلاف التحولات الأربعية التقليدية التي لا تقدم سوى معلومات الترددات، فإن الملوحة تحوّل تلتقط معلومات عن التردد والموقع، وهذه القدرة المزدوجة ضرورية للاستشعار عن بعد، حيث يكون السياق المكاني بنفس الأهمية التي تتسم بها الخصائص الطيفية.

وتمثل التحولات في الموجات أدوات رياضية لتحليل البيانات حيث تختلف السمات على مختلف المستويات، بما في ذلك الترددات المتباينة بمرور الوقت، أو المتجاوزات، أو الاتجاهات المتباينة ببطء بالنسبة للإشارات، والحواف والمنسوجات بالنسبة للصور، وفي صور الاستشعار عن بعد، تتطابق هذه السمات مع عناصر المنظر المكاني المختلفة - من الأشجار والمباني الفردية إلى جميع رقائق الغابات والمناطق الحضرية.

أنواع تحويلات الموجات لتحليل الصور

(CWT)

إن التحول المستمر في الموجات هو تنفيذ التحول الموجية باستخدام النطاقات التعسفية والموجات شبه التعسفية، حيث لا تكون الموجات المستخدمة متقلبة، والبيانات التي يتم الحصول عليها من هذا التحول مترابطة إلى حد كبير، والتحول المستمر للموجات هو تحول زمني متكافئ، وهو مثالي لتحليل الإشارات غير الثابتة.

وفيما يتعلق بتطبيقات الاستشعار عن بعد، يقدم مركز رصد الأسلحة الكيميائية تحليلا مفصلا لتردي المقاييس يمكن أن يكشف عن أنماط ضارة في الصور، غير أن الموجة المستمرة تحول العائدات إلى مجموعة من الأبعاد أكبر من بيانات المدخلات، مما يتيح تصور تطور ترددات الإشارات، ولكن البيانات ترتبط ارتباطا كبيرا بالتكرار الكبير، وهذا التكرار، وإن كان باهظ التكلفة من الناحية الحسابية، يمكن أن يكون مفيدا لبعض المهام التحليلية التي يلزم فيها توفير معلومات شاملة.

Discrete Wavelet Transform (DWT)

إن التحول المفصل للموجات هو أي تحول موجي يتم من أجله فحص العينات الملوحة بشكل قاطع، فالتحول الملتوي المميز هو تنفيذ باستخدام مجموعة منفصلة من جداول الموجات والترجمة التي تطيع قواعد محددة، وتزيل الإشارة إلى مجموعة من الملوحات المتجانسة.

وتتيح هذه المادة مزايا كبيرة لتطبيقات الاستشعار عن بعد العملية، حيث تحول الموجة المتفرقة إلى عائد ناقل بيانات بنفس طول المدخلات، مما يجعل من الإختيار المفضل لنظم الاستشعار عن بعد العاملة هو مجموعة من الملوحات التي تُستخدم في الترجمة والتوسع، مما يجعل الطيف الموجي جيد جداً في تجهيز الإشارات والضغط دون الحصول على معلومات زائدة، وهذه الكفاءة تجعل من الـ دي.

وتستخدم حالياً موجات منفصلة لتجهيز الصور وأصبحت ذات أهمية متزايدة في مجال ضغط الصور، حيث أصبحت أساسية في معيار ضغط الصور ونظام الترميز JPEG2000، وقد يسر هذا التوحيد الاعتماد الواسع النطاق في خطوط تجهيز بيانات الاستشعار عن بعد.

عملية إزالة المركبات

وتمر العينات من خلال مرشح منخفض التجويف مع الاستجابة للنبض، وتعطي النواتج معامل التفاصيل من المرشّح العالي ومعامل التقريب من المعبر المنخفض، وهذا التحلل يخلق تمثيلاً هرمياً للصورة في قرارات متعددة.

وتمثل العناصر الفرعية أفضل معامل الموجات الترددية، ويتم الحصول على مكونات الموجات المكوّنة من المسرّع عن طريق إزالة العينات واستبدالها بصورة حاسمة، مع تكرار هذه العملية مرات عديدة كما يحددها التطبيق، وبالنسبة لصور الاستشعار عن بعد، يتيح هذا التحلل المتعدد المستويات للمحللين دراسة خصائص على نطاقات تتراوح بين الفهود الفردية والأنماط الكبيرة للمناظر الطبيعية.

إطار التحليل المتعدد القرارات

ويعد التحليل المتعدد القرارات الذي أدخله مالات (1989) وميير (1993)، تنفيذا فعالا لموجات تحول من أجل إشارات حقيقية، ويمكن أن يزيل تقييم المخاطر المؤسسية إشارة إلى عناصر متعددة النطاق يمكن أن يصف جميع الهياكل المتاحة زمنيا في تلك الإشارة.

ويمكِّن التحليل المتعدد القرارات من كشف الأنماط غير الظاهرة في البيانات الخام، وهذه القدرة قيمة بوجه خاص في الاستشعار عن بعد، حيث يمكن أن تحجب السمات الهامة عن الضوضاء، أو الآثار الجوية، أو تعقيدات المعالم الطبيعية، ويمكن استخدام الوافل للحصول على تقديرات متعددة النطاقات للفروق بين الإشارات أو قياس الترابط المتعدد النطاق بين إشارةين.

ويوفر التحليل المتعدد القرارات إطارا رياضيا لتصور المشاكل المرتبطة بتصفية الإشارات الموجية، مما يتيح دراسة التفاصيل التي تضاف من أحد مقاييسنا إلى أخرى، وقد أثبت هذا الإطار أهمية أساسية لفهم ومعالجة الطبيعة المعقدة والمتعددة النطاق للبيانات المتعلقة بالاستشعار عن بعد.

ويفيد التحول المفصل للموجات من حيث تمثيل التباينات الدقيقة في الإشارة على مختلف المستويات، ويمكن تمثيل هذه الوظيفة كمجموعة خطية من المهام التي تمثل التباينات على مختلف المستويات، وهذه الملكية الرياضية تتيح التمثيل والتلاعب الفعالين في صور الاستشعار عن بعد.

التطبيقات الرئيسية في الاستشعار عن بعد

إعلان الصور وتعزيزها

وقد درست دراسة مستفيضة الصورة التي تُستشعر عن بعد استنادا إلى تحليل متعدد القرارات، وكثيرا ما تعاني صور الاستشعار عن بعد من أنواع مختلفة من الضوضاء التي تُعرض أثناء الحصول على الصور ونقلها وتجهيزها، وكثيرا ما تستخدم الوافلات لاستخلاص إشارة بعدية، مثل الصور.

وتشمل عملية التنميط عادة عدة خطوات، وتتمثل الخطوة الأولى في اختيار نوع من الموجات ودرجة من التحلل، مع استخدام موجات من الطرازات البيولوجية التي يتم اختيارها عادة لتجهيز الصور، وتُستخدم الموجات الحيوية عادة في تجهيز الصور للكشف عن الضوضاء الجيوشية البيضاء والرش بها، وذلك بسبب تناقضها الشديد مع قيم كثافة البكسل المجاورة.

وتُحدَّد قيم الحياكة لكل مستوى، حيث أن استراتيجية بيرغي - ماسارت هي طريقة مشتركة إلى حد ما لاختيار هذه العتبات، وتُطبِّق هذه العتبات تشكل أغلبية التصفية الفعلية، وتتمثل الخطوة النهائية في إعادة بناء الصورة من المستويات المعدَّلة باستخدام تحول موجي عكسي.

وقد أجري تحليل لكشف استخدام الصور المتعددة الأطياف التي اكتسبتها نظم ساتلية " QuickBird " و " متوسط " " " " لانديسات " ، وقد أظهرت هذه الدراسات فعالية عمليات الكشف عن الموجات عبر أنواع مختلفة من الاستشعار والقرارات المكانية.

إيموج وتشنجات وبان - شابننغ

ويُستخدم دمج الصور في الصور عموماً لاسترجاع بيانات هامة من مجموعة من صور المدخلات لتوفير بيانات مفيدة للمعلومات، وتعزيز قابلية البيانات للتطبيق وجودتها، وقد أصبح دمج الصور المحتوية على الموجات التقنية حجر الزاوية في الاستشعار عن بعد من أجل الجمع بين الصور من مختلف أجهزة الاستشعار أو في قرارات مختلفة.

واستنادا إلى نموذج متعدد الاستبانة للمعلومات، صمم مفهوم نظام المعلومات الإحصائية والتحليلات لتحسين الحل المكاني إلى جانب المحتوى الطيفي العالي الجودة للصور المدمجة، وقد نجح هذا النهج بشكل خاص في تطبيقات التعبئة الشاملة، حيث تُبث الصور المصوّرة ذات الاستبانة العالية بصور متعددة الأطياف ذات استبانة أقل.

ويقلل التدفق من عدم اليقين لأن المعلومات المشتركة من مختلف أجهزة الاستشعار تقلل من الغموض المتصل بعملية اتخاذ القرار أو الاستشعار، ويمتد نطاق التغطية الزمنية والمكانية من أجل تحسين الأداء، ويزيد من كفاءة النظام في مجال إدخال الصور المتعددة الوسائط عن طريق الحد من التجاوزات في القياسات المختلفة ويعزز الموثوقية مع الحد من الضوضاء.

تمثل طريقة " ARSIS " (Amélioration de la Résolution Spatiale par Injection de Structures) أحد أكثر التطبيقات نجاحاً في التحولات الموجية في الاستشعار عن بعد، ومن أمثلة ذلك الدمج صور SPOT XS (20 m) وKVR-1000 (2 m) مما يدل على قدرة التقنية على الجمع بين البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار والقرارات المكانية المختلفة إلى حد بعيد.

تحليل النصوص وتصنيفها

وفي الماضي، كانت إحدى الصعوبات التي واجهت تحليل النسيج تتمثل في الافتقار إلى أدوات كافية لوصف مختلف نطاقات النص بصورة فعالة، ولكن التطورات الأخيرة في التحليل المتعدد القرارات مثل غابور وتحول الموجات تساعد على التغلب على هذه الصعوبة.

وتقاس أداءات التحول الموجي من حيث الحساسية والانتقائية لتصنيف 25 نوعا من صور الاغاثة من أجهزة الاستشعار عن بعد في إطار نماذج مختلفة لحذف الموجات، وطول القذارة، والقرارات، والموجات الأم، وهذا التقييم الشامل يبين مدى مرونة التحولات في الموجات من أجل تحديد خصائص النسيج.

والموثوقية التي تظهرها التوقيعات على النص من التحولات الموجية مفيدة في تحقيق التجزؤ والتصنيف والتمييز الخفيف في النسيج، وهذه القدرات أساسية لتصنيف الغطاء الأرضي، حيث كثيرا ما تظهر أنواع سطحية مختلفة أنماطا للنص ذات طابع خاص على نطاقات محددة.

استخراج الرفات وكشفه

وإذا كانت الإشارة ذات طاقة على نطاق معين تتركز على فترات زمنية معينة، فإن للمعامل المقابل قيمة كبيرة، ويوفر أساس الموجات معلومات عن التمركز في كل من النطاق الزمني ونطاق النطاق، وهذه الممتلكات تجعل من الملوحات ممتازة لكشف وتركيز السمات في صور الاستشعار عن بعد.

وتعتبر العناصر العالية التردد معلومات حافة، والعين البشرية أقل حساسية من التغيرات الحادة، وفي الاستشعار عن بعد، يكون الكشف عن الحواف أمرا حاسما لتحديد الحدود بين مختلف أنواع الغطاء الأرضي، وتحديد الطرق والمباني، وكشف التغيرات في هيكل المناظر الطبيعية.

ويمكن استخدام هرم الموجات لاستخراج السمات غير المرئية ولتمثيل الصور في قرارات مكانية متعددة للتعجيل بالتسجيل، وهذا العمل المزدوج يجعل من الملوحة تحوّل قيمة لمهام تسجيل الصور، حيث يجب أن تكون الصور الملتقطة من تواريخ مختلفة أو أجهزة الاستشعار متناسقة جغرافيا.

ضغط البيانات

ويستخدم التحول المفصل للموجات في تدوين الإشارات، لتمثيل إشارة منفصلة في شكل زائد عن الحاجة، وغالبا ما يكون ذلك شرطا مسبقا لضغط البيانات، وتستلزم الكميات الضخمة من البيانات التي تنتجها سواتل الاستشعار عن بعد الحديثة تقنيات ضغط فعالة.

وقد تم وضع وتنفيذ مجموعة متنوعة من المخططات القوية والمتطورة القائمة على الموجات لضغط الصور، وتعطي الوافل مزايا كثيرة، تطبق في معيار فريق الخبراء المشترك لعام 2000 كخوارزمية ذات منحى، وقد جعل اعتماد الضغط الموجي في معيار فريق الخبراء المشترك لعام 2000 شكلاً واسع الاستخدام لحفظ وتوزيع بيانات الاستشعار عن بعد.

ويتيح ضغط الموجات عدة مزايا على الأساليب التقليدية، ويوفر قدرات نقل تدريجية، ويتيح للمستعملين رؤية صور أقل استبانة، بينما لا تزال بيانات أعلى استبانة تُنقل، كما يتيح الترميز بين المناطق التي تصلح فيها، حيث يمكن الضغط على مجالات محددة من الصور على مستوى أعلى من المناطق المحيطة.

الأسر الموفرة والاختيار

ويؤثر اختيار الأسرة الموجية تأثيرا كبيرا على أداء تطبيقات الاستشعار عن بعد الموجات الموجية، ولكل موجات مختلفة خصائص تجعلها مناسبة لمهام محددة.

وافلات هاوار

إن موجات الحبار هي أبسط أسرة موجات، وهي من أوائل الأسر التي تطبق في تجهيز الصور، ويمكن تطبيق التحول المفصل في الموجات في العديد من المناطق، بما في ذلك ضغط الصور والترميز على أساس وظائف الحرار، وفي حين تفتقر موجات الحرار إلى السلاسة، فإن تبسيطها يجعلها فعالة من الناحية الحسابية ويسهل تنفيذها، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات التجهيز في الوقت الحقيقي.

المستودعات

ويعزى إثبات وجود وظائف ذات دعم متماسك في مجال التوسع مع التحولات في النوبات إلى " إنغريد داوبيشيس " ، وتوفر موجات دوبيشز أسرة من موجات الاورثوغونية بدرجات متفاوتة من السلاسة وطول الدعم، وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الاستشعار عن بعد بسبب خصائصها في مجال تحديد المواقع على نحو جيد في كل من المجالين الزمني والتواتر.

وتشمل أسرة دوبيشز لوحات ذات أرقام مختلفة من اللحظات المختفية، مما يؤثر على قدرتها على تمثيل الاتجاهات المتعددة الأبعاد، ويمكن أن تمثل موجات الدوبكس العليا على نحو أفضل تفاوتات سلسة في الصور، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات مثل تحليل التضاريس والتصويب الجوي.

وافلات بيولوجية

وتخفف الأمواج الأحيائية من القيود المفروضة على التخصيب، مما يتيح استخدام موجات متماثلة ذات خصائص المرحلة الخيطية، وهذا التماثل مهم بصفة خاصة بالنسبة لتطبيقات تجهيز الصور التي يمكن أن يؤدي فيها التشويه التدريجي إلى حدوث آثار، وتتأكد الممتلكات في المرحلة الخيوط من أن الملامح في الصورة الأصلية لا تتحول أثناء التحلل وإعادة البناء.

معايير الاختيار

ويمكن استخدام موجات مختلفة تبعاً للطلب، وعند اختيار موجة لتطبيقات الاستشعار عن بعد، ينبغي النظر في عدة عوامل:

• Smoothness:] Smoother wavelets are better for representing continuous features like terrain elevation, while less smooth wavelets may be more suitable for detecting sharp transitions.
• Support length:] Wavelets with shorter support provide better time localization but poorer frequency resolution, while longer support wavelets offer the counter-off.
• Symmetry:] Symmetric wavelets avoid phase distortion, which is important for maintaining spatial relationships in imagery.
• Vanishing moments:] Higher vanishing moments allow better representation of polynomial trends and smoother features.
• ] Compputational efficiency:] Some wavelet families require more computation than others, which may be a consideration for operational systems.

اعتبارات التنفيذ

مستويات التحلل

ويعد عدد مستويات التحلل المفاجئ معياراً حاسماً في تحليل الموجات، ويقلل كل مستوى من مستويات التحلل من الحل المكاني بعاملين بينما يستوعب الملامح على نطاقات قياسية تدريجية، ويتوقف العدد الأمثل للمستويات على حجم الصورة، وحجم خصائص الاهتمام، والتطبيق المحدد.

وبالنسبة للصور الساتلية العالية الاستبانة التي تبلغ أحجامها من ١ الى ٥ مترات، تستخدم عادة مستويات التحلل من ٤ الى ٦، وبالنسبة للصور ذات الاستبانة المتوسطة مثل لاندرسات )٣٠ مترا( كثيرا ما تكون الرتب ٣ - ٤ كافية، ويحد أقصى عدد من المستويات المفيدة من أبعاد الصورة، حيث أن كل مستوى يقلل من حجم معامل التقارب بمقدار النصف.

معالجة الحدود

وتشكل الحدود الصورية تحدياً أمام التحولات الموجية لأن القذارة الموجية تمتد إلى ما يتجاوز حواف الصور، وتوجد عدة استراتيجيات لمعالجة الحدود:

• Zero padding:] Extending the image with zeros, which is simple but can introduce artifacts.
• Symmetric extension:] Mirroring the image at boundaries, which often produces better results for natural imagery.
• Periodic extension:] Treating the image as if it wraps around, suitable for images with periodic content.
• Smooth extension:] Extrapolating boundary values to create a smooth transition.

وبالنسبة لتطبيقات الاستشعار عن بعد، كثيرا ما يفضل التمديد عن طريق التماثل لأنه يقلل من القطع الأثرية الحدودية مع الحفاظ على الخواص الإحصائية للصورة.

الكفاءة الحاسوبية

والتحليل المتعدد الاستبانة هو تنفيذ فعال لمحوّل موجي من أجل الإشارات الحقيقية، فاللوحة السريعة التي تحول الخوارزمية، استنادا إلى مصارف التصفية، تتيح حاسبة فعالة تتناسب مع عدد البكازات في الصورة.

وبالنسبة لمجموعات بيانات الاستشعار عن بعد الكبيرة، تصبح الكفاءة الحاسوبية حاسمة، ويمكن حساب الـ دي. دبليو تي في عمليات العمليات O(N) من أجل صورة مع شركة ن. بيكلز، مما يجعل من الممكن تجهيز مواقع ساتلية كاملة.

تقنيات الوافل المتقدمة

Dual-Tree Complex Wavelet Transform

وقد أجريت تحقيقات في المركب المزدوج المركب والمتغيرات المميزة للتحولات في الموجات المتناقلة على صمامات الصور في QuickBird، وتعالج المحوّلة ذات الموجة المزدوجة بعض القيود على معيار الـ دي.

ويستخدم النهج المزدوج المقطعين مواصفات موازية لتوليد معاملات معقدة، مما يوفر نسقاً للتحولات، واختياراً توجيهياً محسناً، وهذه الممتلكات قيمة بالنسبة لتطبيقات مثل كشف التغيير، حيث لا ينبغي أن تؤثر التحولات المكانية الصغيرة بين الصور على نتائج التحليل.

وافلات

وتوفر عبوات الموجات أسرة تحولات تقسم محتوى الترددات والصور إلى فترات متكافئة تدريجياً، خلافاً للتحول الموجي الموحد الذي لا يكتمل إلا معامل التقريب على كل مستوى، تزيل عبوات الموجات من المعامل التقريبية والمعاملات التفصيلية.

وهذا يوفر تقسيما أكثر مرونة للتواتر يمكن تكييفه مع الخصائص المحددة للبيانات، ويمكن تحديد التحول الأمثل في مجموعة الموجات من أجل الإشارة أو الصورة، ويمكن استخدام طيف التغليف الموجي للحصول على تحليل الترددات الزمنية، وبالنسبة للاستشعار عن بعد، فإن مجموعات الملوحات مفيدة بصفة خاصة لتحليل النسيج ومهام التصنيف التي يكون فيها اختيار النطاق الأمثل للتواتر أمرا مهما.

محطة وافلة تحول

إن التحول الموجي الثابت (يسمى أيضاً غير المدمر أو في الموجة المدارية) يزيل خطوة أخذ العينات في المعيار DWT. إذا كان تطبيقك يتطلب تحولاً متغيراً، ولكن لا تزال تحتاج إلى إعادة بناء مثالية وإلى قدر من الكفاءة الحسابية، حاول إحداث تحول غير مفصّل في الموجات.

إن ممتلكات الغاز المتغير للموجات الثابتة تجعلها مناسبة بصفة خاصة لتطبيقات الكشف عن السمات ودمج الصور في الاستشعار عن بعد، غير أن ذلك يأتي بتكلفة زيادة الاحتياجات من التواتر والحساب مقارنة بالمعيار الـ دي.

تدفق العمل العملي لتطبيقات الاستشعار عن بعد

التجهيز المسبق

وقبل تطبيق التحولات الموجية، تتطلب صور الاستشعار عن بعد عادة التجهيز المسبق، وقد يشمل ذلك معايرة قياسية لاسلكية لتحويل الأرقام الرقمية إلى وحدات مادية، والتصويب الجوي لإزالة الآثار الجوية، والتصويب الجغرافي لضمان التسجيل المكاني المناسب، وتؤثر نوعية هذه الخطوات قبل التجهيز تأثيرا كبيرا على أداء التحليل الموجي اللاحق.

Wavelet Decomposition

وتشمل خطوة التحلل اختيار المعايير المناسبة وتطبيق التحول الموجي، وتشمل القرارات الرئيسية اختيار أسرة الموجات وتحديد عدد مستويات التحلل واختيار طريقة التمديد الحدودي، أما بالنسبة للصور المتعددة الأطياف أو الفائقة الأطياف، فيمكن تطبيق التحول على كل قطاع بشكل مستقل أو على المكونات الرئيسية المستمدة من البيانات.

المعالجة المُعاملة

وبمجرد الحصول على معامل الموجات، يمكن تطبيق عمليات تجهيز مختلفة حسب الطلب، ولإخلاء سبيلها، تطبق عمليات الحد الأدنى على إزالة الضوضاء مع الحفاظ على الإشارة، وفيما يتعلق باستخراج السمات، يتم تحديد واختراق أنماط معينة من الكفاءة، وفيما يتعلق بالدمج، يتم الجمع بين المعاملات من الصور المتعددة باستخدام قواعد الدمج المناسبة.

التعمير والتقدير

وبعد معالجة معامل الموجات، يُحوّل الملوّح العكسي صورة مجهزة، وينبغي التحقق من جودة النتائج باستخدام القياسات المناسبة، ولإخلاء المقاييس، يمكن استخدام قياسات مثل نسبة الإشارة إلى الذروة ومؤشر التماثل الهيكلي، ومن أجل التصنيف، لا بد من تقييم الدقة باستخدام بيانات الحقيقة الأرضية، ومن أجل التوحيد، ينبغي تقييم القياسات ذات النوعية الفطرية والمكانية على السواء.

التحديات والحدود

وفي حين أن التحولات الموجية تتيح قدرات قوية للاستشعار عن بعد، ينبغي النظر في عدة تحديات وحدود، ويمكن أن يؤثر اختيار معايير الموجة والتحلل تأثيرا كبيرا على النتائج، وكثيرا ما يتطلب الاختيار الأمثل خبرة في مجال التجارب، وقد تتطلب التطبيقات المختلفة لوحات مختلفة، ولا توجد موجة عالمية من أجل جميع مهام الاستشعار عن بعد.

ويمكن أن تكون الاحتياجات الحاسوبية كبيرة بالنسبة للصور الكبيرة جدا أو عند تجهيز محفوظات كبيرة من الصور، وفي حين أن التحول السريع للموجات يتسم بالكفاءة، فإن تجهيز الصور ذات الاستبانة العالية التي تغطي المناطق الجغرافية الكبيرة لا يزال يتطلب موارد حاسبية كبيرة، كما أن الاحتياجات التذكارية يمكن أن تكون عقبة، لا سيما بالنسبة للتحولات الموجية 3D التي تطبق على مكعبات البيانات الفائقة الطيف.

ويتطلب تفسير معامل الموجات فهم الخصائص الرياضية للموجات والخصائص المادية لبيانات الاستشعار عن بعد، وقد يجعل الطابع المتعدد النطاق لإلغاء الموجات من الصعب ربط معامل محددة بالمواصفات المادية في الصور، وهذا التعقيد يمكن أن يشكل عائقا أمام اعتماد نظم التشغيل التي يكون فيها التفسير مهما.

ويمكن أن تُحدث آثاراً باهظة، لا سيما بالنسبة للصور التي لها حدود غير نظامية أو عند تجهيز بلاط الصور، وفي حين توجد طرق مختلفة لتمديد الحدود، لا يوجد أي منها مثالي لجميع الحالات، ولا بد من توخي الحذر للتقليل إلى أدنى حد من هذه القطع الأثرية، ولا سيما في التطبيقات مثل الكشف عن التغيير حيث يمكن أن تُخطئ آثار الحدود في إحداث تغييرات حقيقية.

التكامل مع التعلم في مجال الآلات

وقد أتاح إدماج التحولات الموجية في تقنيات التعلم الآلات إمكانيات جديدة لتحليل الاستشعار عن بعد، ويمكن أن تكون معامل الوافلات سمات لمصنفي التعلم الآلي، مما يوفر عروضا متعددة النطاق تستوعب المعلومات الطيفية والمكانية على السواء، وقد أثبت هذا النهج فعاليته بالنسبة لتصنيف الغطاء الأرضي، وكشف الأجسام، وتطبيقات كشف التغيير.

ويمكن أن تتضمن هياكل التعلم العميق تحولات موجية كطبقات ما قبل التجهيز أو كجزء من هيكل الشبكة، ويمكن أن تؤدي السمات القائمة على الموجات إلى الحد من بُعد بيانات المدخلات مع الحفاظ على المعلومات الهامة المتعددة النطاق، مما قد يؤدي إلى تحسين كفاءة التدريب ودقة التصنيف، وقد أحدثت بعض النهج الحديثة تحولات موجية يمكن تعلمها حيث تُستخدم البارامترات الموجية في التدريب على الشبكات العصبية.

وتتقاسم الشبكات العصبية الثورية بعض أوجه التشابه المفاهيمية مع التحولات الموجية، حيث أن كلا منهما ينطوي على استخراج السمات الهرمية على نطاقات متعددة، غير أن الملوحات توفر إزالة واضحة متعددة النطاق مع ضمانات رياضية، بينما تتعلم الناموسيات من البيانات السمات المستمدة من البيانات، ويمكن أن يُجمع بين هذه النُهج تعزيز مواطن قوة كلا من: التصلب الالرياضي وقابلية للتفسير بواسطة شبكات التعلم.

الاتجاهات المستقبلية والتطبيقات الناشئة

ولا يزال مجال الاستشعار عن بعد الموجات يتطور مع التطورات والتطبيقات الجديدة، إذ أن التحولات الموجية التناسبية التي تتكيف تلقائيا مع خصائص الصور المحلية تظهر الوعود بمعالجتها للطبيعة المتباينة لصور الاستشعار عن بعد، ويمكن لهذه الأساليب أن توفر أداء أفضل من التحولات الموجية الثابتة عن طريق التكيف مع النسيج المحلي، والتوجه الهزلي، وخصائص الحجم.

ويحظى التحليل المتعدد المراحل باستخدام الملوحات بالاهتمام لرصد العمليات الأرضية الدينامية، ويمكن أن تلغي التحولات في الموجات سلسلة زمنية من الصور الساتلية لتحديد الأنماط على مختلف المستويات الزمنية، من التباينات اليومية إلى الدورات الموسمية والاتجاهات الطويلة الأجل، وهذه القدرة قيمة بالنسبة للتطبيقات مثل رصد ثدييات النباتات، وتحليل النمو الحضري، ودراسات تغير المناخ.

ويستغل تحليل الصور الافتراضية باستخدام الموجة 3D الروابط القائمة في كل من البعدين المكاني والطيفي، ويمكن لهذه النهج أن توفر ضغطا أكثر كفاءة واستخراجا أفضل للمعالم من معالجة النطاقات الطيفية بشكل مستقل، حيث أن أجهزة الاستشعار الفائقة الأطياف تصبح أكثر شيوعا على منابر السواتل، فإن تقنيات المعالجة القائمة على الموجات ستزداد أهمية.

ويتيح التكامل مع منابر الحاسوب السحابي تجهيز محفوظات الاستشعار عن بعد الواسعة النطاق باستخدام أساليب موجية، كما أن منابر مثل محركات غوغل الأرض وخدمات التجهيز السحابية تجعل من الممكن تطبيق تحليل مكثف كموجات حاسوبية على مجموعات البيانات القارية أو العالمية، وهذا القابلية للتصعيد يفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات رصد تغيرات كبيرة في المناطق.

أدوات وموارد البرامجيات

العديد من أدوات البرامج والمكتبات تدعم تحليل الموجات من بيانات الاستشعار عن بعد، وجهاز الموجة MATLAB يوفر التشغيل الشامل للتحولات المستمرة والمتميزة للموجات، مع وثائق وأمثلة واسعة، ومكتبات البيتون مثل بيوافليتس تقدم بدائل مفتوحة المصدر ذات الأداء الجيد والتكامل مع النظم الإيكولوجية الحاسوبية العلمية.

(ج) برامجيات الاستشعار عن بعد مثل الشبكة الدولية للكيمياء البيئية، ونظام المعلومات البيئية الدولية، ونظام الحسابات القومية، تشمل أدوات تجهيز ذات موجات لتطبيقات مشتركة مثل الاستغناء عن جميع المواقع ورسمها، ويمكن توسيع نطاق برامجيات نظام المعلومات الجغرافية المفتوحة المصدر مثل نظام المعلومات الجغرافية، باستخدام الملصقات لتحليل الموجات، كما يمكن للباحثين استحداث أساليب جديدة، وتوفر المكتبات مثل نظام " أوبسيف " و " سيكيت " لبنات بناء لتنفيذ نظام " .

وتوفر الموارد والأوراق الدراسية على الإنترنت للممارسين تقنيات الموجات للاستشعار عن بعد، وكثيرا ما تتضمن الدورات التدريبية وحلقات العمل الأكاديمية التي تقدمها منظمات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية نماذج لتحليل الاستشعار عن بعد على الموجات الأموية.

دراسات الحالة والتطبيقات العالمية الحقيقية

بيان التغير الحضري

وقد تم بنجاح تطبيق الكشف عن التغيير على الموجات لرصد التوسع الحضري باستخدام الصور الساتلية المتعددة المراحل، وذلك بحذف الصور من تواريخ مختلفة إلى معامل الموجات ومقارنة هذه الصور على نطاقات متعددة، ويمكن الكشف عن التغيرات الخفيفة في الهيكل الحضري في الوقت الذي يوقف فيه الضوضاء والتباينات الموسمية، وقد استخدم هذا النهج لتتبع أنماط التحضر في المدن السريعة النمو، وتوفير معلومات قيمة للتخطيط الحضري وتطوير الهياكل الأساسية.

رصد الغابات

ويمكِّن التحليل المتعدد الموجات من تحديد خصائص هيكل الغابات على مختلف المستويات المكانية، من تاج الأشجار الفردي إلى مواقع الغابات وأنماط المناظر الطبيعية، وقد استخدمت سمات النسيج الملوِّح المستمدة من الصور العالية الاستبانة لتصنيف أنواع الغابات، وتقدير الكتلة الأحيائية، وكشف الاضطرابات الحرجية مثل قطع الأشجار والنار، وقدرة على تحليل النسيج على نطاقات المتعددة، قيمة بوجه خاص في وصف الأنماط المكانية المعقدة للنظم الإيكولوجية الحرجية.

الرصد الزراعي

وقد أدى دمج الصور البصرية والرادارية القائمة على الموجات إلى تحسين تصنيف المحاصيل وتقدير المحاصيل، حيث تم الجمع بين المعلومات المستشفية من أجهزة الاستشعار البصرية والمعلومات الهيكلية من رادار الوصلية، وتوفر الصور المدمجة وصفا أكثر اكتمالا للميادين الزراعية، كما تم تطبيق مسح الوعاء على السلسلة الزمنية من مؤشرات الغطاء النباتي لإزالة الضوضاء مع الحفاظ على الأنماط الحيوية لرصد المحاصيل.

الاستجابة للكوارث

(ب) المعالجة السريعة للصور الساتلية لأغراض الاستجابة للكوارث من التقنيات الموجية - يوفر الصيد المكثف باستخدام التحولات الموجية صورة عالية الاستبانة لتقييم الأضرار مع الحفاظ على المعلومات الطيفية اللازمة للتصنيف، ويمكن لاكتشاف التغيير القائم على الموجات أن يحدد بسرعة المناطق المتضررة عن طريق مقارنة الصور قبل وقوع الكوارث وبعد وقوعها، كما أن الكفاءة الحسابية لأساليب الموجات تجعلها مناسبة لتطبيقات الاستجابة للكوارث على أساس الزمن.

أفضل الممارسات والتوصيات

وبالنسبة للممارسين الذين ينفذون تحليل الاستشعار عن بعد الموجات، يمكن أن تحسن عدة ممارسات أفضل النتائج، بدءا بتحليل استكشافي باستخدام مختلف الملوحات والبارامترات لفهم آثارها على بياناتكم وتطبيقكم المحددة، وتنظر في معامل الموجات على مختلف المستويات للحصول على نظرة ثاقبة في الهيكل المتعدد النطاق لصوركم، وهذه مرحلة الاستكشاف حاسمة لاختيار المعايير المناسبة لتجهيز العمليات.

(ج) تحقيق نتائج قيمة باستخدام بيانات مرجعية مستقلة كلما أمكن ذلك، فيما يتعلق بمهام التصنيف، استخدام بيانات الحقيقة الأساسية لتقييم الدقة، وبالنسبة لتطبيقات الدمج، تقييم الجودة الطيفية والمكانية على السواء باستخدام القياسات الثابتة، ولتحديد النتائج ومقارنة الصور الأصلية لضمان الحفاظ على السمات الهامة مع إزالة الضوضاء، ويوفر التحقق الكمي دليلاً موضوعياً على الأداء ويساعد على تحديد المجالات التي يتعين تحسينها.

النظر في المعنى المادي للمعاملات الموجية في سياق تطبيقك، وتختلف المستويات تتطابق مع الترددات المكانية المختلفة وحجم المعالم في الصور، فهم هذه العلاقة يساعد على تفسير النتائج واختيار استراتيجيات التجهيز المناسبة، مثلاً، إذا كنت مهتماً بكشف الطرق، ركز على النطاقات المقابلة لأسلاك الطرق المعتادة في صورتك.

توثق منهجيتك بدقة بما في ذلك اختيار الموجات، ومعايير التحلل، وخطوات التجهيز هذه الوثائق ضرورية لإعادة الإنتاج ولمقارنة النتائج عبر مختلف الدراسات، كما أنها تساعد في تشخيص المشاكل عندما لا تلبي النتائج التوقعات وفي تحسين أساليب التطبيقات المستقبلية.

:: مواصلة تطوير المجال مع الأسر الموجية الجديدة، وتجهيز الخوارزميات، ووضع التطبيقات، وتقديم المؤتمرات، وقراءة الأدبيات الحديثة، والمشاركة في المجتمعات المهنية، يساعد الممارسين على البقاء في حالة تيار مع أفضل الممارسات والتقنيات الناشئة.

خاتمة

وقد أصبحت التحولات في الموجات أدوات لا غنى عنها لتحليل صور الاستشعار عن بعد بالاستبانة المتعددة، مما يوفر قدرات قوية لحذف الصور إلى عناصر تمثل مختلف النطاقات المكانية والترددات، ومن تحديد الصور وتحسينها إلى الدمج والتصنيف واستخراج السمات، أظهرت الأساليب الموجية قيمتها عبر طائفة واسعة من تطبيقات الاستشعار عن بعد، وقد أدى التصلب الالرياضي لنظرية الموجية إلى الجمع بين هذين النظامين الملائمين من حيث الكفاءة الحسابية.

وسيؤدي استمرار تطوير الأسر الموجية الجديدة، وتجهيز الخوارزميات، والتكامل مع نهج التعلم الآلي إلى الوعود بزيادة توسيع قدرات وتطبيقات تحليل الاستشعار عن بعد بواسطة الموجات، وبما أن أجهزة الاستشعار الساتلية تواصل تحسينها في مجال التحليل المكاني والطفيفي والزمني، ومع استمرار نمو أحجام البيانات، فإن الحاجة إلى تقنيات تحليل متعددة النطاقات تتسم بالكفاءة مثل تحويلات الموجات ستستمر في الازدياد.

بالنسبة للباحثين والممارسين الذين يعملون مع بيانات الاستشعار عن بعد، فإن استخدام الموجات المتطورة يفتح إمكانيات جديدة لتحليل الصور وتفسيرها على نطاقات متعددة، سواء كان الهدف هو تحسين نوعية الصور من خلال الكشف عن الأجسام واندماجها، أو استخلاص سمات للتصنيف، أو تجميع البيانات من أجل كفاءة التخزين والإرسال، فإن التحولات الموجية توفر إطارا مرنا وقويا، من خلال اختيار الملامح والبارامترة المناسبة لتطبيقات المحددة، ومن خلال تقنيات أخرى في مجال الاستشعار عن بعد