مجموعة بيانات صور غابات البرازيل (G-BFID v1.0)

مقدمة

في إطار دعم جهود الحكومة البرازيلية لتنفيذ "قانون الغابات البرازيلي" وحماية الغابات في الأراضي الخاصة، أنتجت Google خريطتَين أساسيتَين مستمدتَين من ملاحظات الأقمار الصناعية SPOT، وهما خريطة أساسية مرئية وخريطة أساسية تحليلية (G-BFID الإصدار 1.0).

تضع منتجات الصور المجمّعة هذه خطًا أساسيًا لتاريخ 22 يوليو 2008، وهو تاريخ مهم بموجب قانون الغابات البرازيلي لتحديد "المناطق المدمجة"، أي المناطق التي كانت مخصّصة سابقًا للاستخدام الزراعي أو السكني. توفّر مجموعات بيانات الصور المجمّعة هذه، المستمدّة من أرشيف القمر الصناعي SPOT، بديلاً بدقة مكانية أعلى لبيانات Landsat التي تبلغ دقتها المكانية 30 مترًا والتي تُستخدم عادةً لتحديد خط الأساس هذا.

لتركيب آلاف الصور الملتقطة بواسطة أقمار SPOT الصناعية في خرائط أساسية موحّدة، خضعت الصور لعملية معالجة روتينية تتضمّن ما يلي:

• تحسين الحواف لإزالة تشوّهات الضغط
• التسوية الإشعاعية مقارنةً بخط أساس Landsat
• إخفاء السحب (متحفّظ، يدوي)
• تصحيح التسجيل الخاطئ (التسجيل المشترك في صورة مركّبة من Landsat)

بالنسبة إلى التركيب النهائي، تم استخدام طريقة فسيفساء قطعية بدلاً من التخفيض الإحصائي. تمت إضافة طبقات البكسل وفقًا للدقة المكانية والترتيب الزمني لمهمة القمر الصناعي، مع منح الأولوية للملاحظات الواردة من الأقمار الصناعية الأحدث. تم دمج التسلسل الهرمي للطبقات هذا مع إعادة أخذ العينات باستخدام طريقة أقرب جار لتحديد مصدر البيانات بدقة. نتيجةً لذلك، احتفظ كل بكسل في الخريطة الأساسية النهائية بمصدره المنفصل وظل قابلاً للتتبّع مباشرةً إلى قيمة مرصودة محددة وبياناتها الوصفية.

الشكل 1. تمثيل كامل النطاق للخريطة الأساسية المرئية G-BFID الإصدار 1.0 بألوان شبه طبيعية (على اليمين) والخريطة الأساسية التحليلية المعروضة كألوان زائفة قريبة من الأشعة تحت الحمراء (على اليسار).

بيانات المصدر

مواصفات الأقمار الصناعية وأجهزة الاستشعار

تم استخراج خرائط الأساس G-BFID v1.0 من بيانات صور SPOT (Satellite pour l’Observation de la Terre). توفّر مهمات SPOT، التي يديرها المركز الوطني الفرنسي للأبحاث الفضائية (CNES) وتوزّعها شركة Airbus، صورًا بصرية عالية الدقة بعرض 60 كيلومترًا. يستخدم هذا المشروع أرشيفًا للصور من ثلاثة أقمار صناعية محدّدة لتحديد خط الأساس لعام 2008:

• SPOT 2 & 4: مزوّدة بأجهزة استشعار HRV/HRVIR، ما يتيح توفير بيانات متعددة الأطياف بدقة مكانية تبلغ 20 مترًا وبيانات أحادية اللون بدقة مكانية تبلغ 10 أمتار.
• SPOT 5: مزوّد بأداة استشعار HRG، ما يوفّر دقة مكانية محسّنة بشكل كبير مع بيانات متعددة الأطياف بدقة تبلغ 10 أمتار وبيانات أحادية اللون بدقة تبلغ 5 أمتار.

	SPOT 2	‫SPOT 4	SPOT 5
متعدد الأطياف	‫20 مترًا	‫20 مترًا	‫10 أمتار
أحادية اللون	‫10 أمتار	‫10 أمتار	‫5 أمتار
النطاقات الطيفية	الأخضر والأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة	الأخضر والأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء القصيرة الموجة	الأخضر والأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء القصيرة الموجة

الجدول 1. المواصفات الفنية لمهام SPOT 2 و4 و5

ملاحظة: تنتج شركة Airbus منتجًا أحادي اللون "بوضع فائق" يمكن استخدامه لتحسين دقة صور SPOT 5 إلى 2.5 متر. تتوفّر هذه البيانات بشكل محدود جدًا بالنسبة إلى مواصفات هذا المشروع، ولم يتم تضمينها.

إدخال مجموعات Earth Engine

تم استيعاب ثلاثة منتجات مختلفة من بيانات SPOT ومعالجتها لإنشاء الخرائط الأساسية النهائية. تغطي هذه المجموعات الفترة من 9 كانون الثاني (يناير) 2007 إلى 26 تشرين الثاني (نوفمبر) 2009، ما يوفّر العمق الزمني اللازم للتغلّب على قيود الغطاء السحابي مع الحفاظ على خط أساس عالي الدقة.

اختيار المشهد

لدعم جهود حماية الغابات في الأراضي الخاصة المسجّلة في "السجل البيئي الريفي" (CAR)، تم إعطاء الأولوية للتغطية الجغرافية في منطقة الأمازون الحيوية والولايات الخمس الواقعة في "قوس إزالة الغابات"، وهي: مارانهاو وماتو غروسو وبارا وروندونيا وتوكانتينس.

وللامتثال لمتطلبات قانون الغابات في البرازيل، تم استهداف فترة زمنية في منتصف عام 2008. استنادًا إلى معايير الغطاء السحابي والوقت هذه (أقل من %50)، تم تحديد ما مجموعه 10,072 صورة من SPOT 2 وSPOT 4 وSPOT 5 وإدخالها إلى "كتالوج بيانات Earth Engine" لمعالجتها.

ملاحظة حول التركيب الطيفي: لا تسجّل أدوات الاستشعار SPOT 2 و4 و5 نطاقًا طيفيًا أزرق بشكل أصلي. بالنسبة إلى المنتجات ذات الألوان الطبيعية، يوفّر موزع البيانات نطاقًا أزرقًا اصطناعيًا مشتقًا من النطاقات الطيفية الحالية لتقريب تمثيل الألوان الحقيقية.

1. ألوان طبيعية متعددة الأطياف تم تحسين دقتها

• مادة عرض Earth Engine: AIRBUS/SPOT_2_4_5/BRAZIL/2007_2009/PMS_NC/V1
• عدد الصور: 2977
• النطاق الزمني: من 1 مارس 2007 إلى 26 نوفمبر 2009
• الوصف: يدمج هذا المنتج النطاق اللوني الأحادي اللون ذو الدقة الأعلى مع النطاقات المتعددة الأطياف لإنتاج صورة RGB حادة ذات 3 نطاقات. وهو المصدر المفضّل لخريطة Visual Basemap.

الشكل 2. مدرّج تكراري للصور حسب السنة والشهر لمجموعة الصور المتعددة الأطياف ذات الألوان الطبيعية والمحسّنة الدقة

2. الألوان الطبيعية المتعددة الأطياف

• مادة عرض Earth Engine: AIRBUS/SPOT_2_4_5/BRAZIL/2007_2009/MS_NC/V1
• عدد الصور: 3536
• النطاق الزمني: من 9 يناير 2007 إلى 26 نوفمبر 2009
• الوصف: منتج ألوان طبيعية زائفة بثلاثة نطاقات (محاكاة النموذج اللوني أحمر أخضر أزرق) بدقة طيفية أصلية متعددة. تُستخدَم هذه المجموعة في الخريطة الأساسية المرئية كمصدر ثانوي حيث قد لا تتوفّر البيانات الحادة.

الشكل 3. مدرّج تكراري للصور حسب السنة والشهر لمجموعة الصور المتعددة الأطياف ذات الألوان الطبيعية.

3- متعدد الأطياف

• مادة عرض Earth Engine: AIRBUS/SPOT_2_4_5/BRAZIL/2007_2009/MS/V1
• عدد الصور: 3559
• النطاق الزمني: من 9 يناير 2007 إلى 26 نوفمبر 2009
• الوصف: مصدر الخريطة الأساسية التحليلية تحتوي هذه المجموعة على النطاقات الطيفية الأصلية (بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء القصيرة الموجة حيثما توفّرت) اللازمة لحساب مؤشرات الغطاء النباتي (مثل NDVI) وإجراء تصنيف الغطاء.

الشكل 4. مدرّج تكراري للصور حسب الشهر والسنة لمجموعة الصور المتعددة الأطياف

التغطية الجغرافية والثغرات

الهدف الأساسي من الخرائط الأساسية G-BFID v1.0 هو إنشاء خط أساس عالي الدقة يعود إلى العام 2008 تقريبًا للمنطقة الإدارية في البرازيل. ومع ذلك، أدّى الحفاظ على فترة زمنية محددة (2007-2009) أثناء فلترة الصور بحثًا عن صور عالية الجودة وخالية من السحب إلى حدوث فجوات مكانية، لا سيما في المناطق التي تتسم بغطاء سحابي دائم.

اختيار المشهد وفلترة الجودة

لضمان صحّة البيانات، تم تحديد مجموعة مرشّحة من الفترة 2007-2009 مع تغطية سحابية أولية أقل من% 50. من هذا العدد، تم استيعاب ما يزيد قليلاً عن 10,000 صورة، وتمت فلترتها بشكل أكبر لاستبعاد الصور التي تتضمّن مشاكل كبيرة في الجودة:

• فحص عدم الاتساق: تم استبعاد الصور التي تتضمّن بيانات قياس عن بُعد أو تشويشًا هندسيًا تم تحديدهما يدويًا، بما في ذلك المشاهد غير المتسقة التي جمعها مقدّم البيانات معًا.
• ضمان الجودة على السحابة الإلكترونية: المشاهد التي رفضها محلّلو الصور المحترفون لأنّها مغطّاة بالكامل بالسحب أو لأسباب أخرى.
• كثافة البيانات: تم الاحتفاظ فقط بالصور التي تحتوي على أكثر من% 10 من وحدات البكسل الصالحة (الخريطة الأساسية المرئية) المتبقية بعد إخفاء السحب (أكثر من% 5 للخريطة الأساسية التحليلية).

التوزيع المكاني

كما هو موضّح في الشكل 5، تحقّق الفسيفساء أعلى كثافة في "قوس إزالة الغابات" والمناطق الشمالية والوسطى الغربية. تمثّل المناطق الشفافة المناطق التي لم تجتَز فيها صور SPOT 2 أو 4 أو 5 فلاتر الجودة المذكورة أعلاه خلال الإطار الزمني المستهدَف أو تم إخفاؤها باستخدام قناع السحابة.

الشكل 5. النطاق المكاني للخريطة الأساسية المرئية G-BFID الإصدار 1.0 إنّ الفجوات الداخلية والتغطية غير المكتملة في الجنوب والشرق ناتجة عن تحديد الأولوية لخط الأساس الزمني لعام 2008، وتصفية الجودة، وإخفاء السحب. على الرغم من عدم عرض الخريطة الأساسية التحليلية، فإنّ نطاقها المكاني مطابق تقريبًا للخريطة الأساسية المرئية بهذا المقياس.

التغطية حسب الولاية

يوضّح الشكل 6 تفصيلاً لتغطية وحدات البكسل الصالحة حسب الولاية. تتوفّر تغطية شبه كاملة (أكثر من %95) للولايات مثل روندونيا وماتو غروسو، بينما تظهر كثافة أقل في الولايات الجنوبية وأجزاء من الشمال الشرقي بسبب القيود المفروضة على الأرشيف وإخفاء السحب.

يوضّح الرسم البياني أيضًا أنّ خريطة Visual Basemap الأساسية توفّر باستمرار تغطية بكسل صالحة أعلى قليلاً من خريطة Analytic Basemap الأساسية في جميع الولايات تقريبًا. ويعود سبب هذا الاختلاف إلى أنّ منتج Visual يمكنه استخدام مجموعتَي البيانات المدمجة والمطابقة للألوان الطبيعية، في حين أنّ منتج Analytic مشتقّ من مجموعة البيانات المطابقة للألوان الطبيعية فقط.

الشكل 6. تغطية البكسل الصالحة للخرائط الأساسية المرئية والتحليلية حسب الولاية البرازيلية تكون التغطية في أعلى مستوياتها في ولايات "قوس إزالة الغابات"، وفي أدنى مستوياتها في المناطق التي تشهد غطاءً سحابيًا مستمرًا، وفي المناطق التي يتم فيها جمع بيانات SPOT بشكل محدود، وفي المناطق التي يتم فيها إخفاء الغطاء السحابي.

منهجية المعالجة

تعطي منهجية المعالجة الخاصة بالخرائط الأساسية G-BFID الإصدار 1.0 الأولوية لمصدر البيانات وسلامة القياس الإشعاعي من أجل دعم تقييمات الامتثال لقانون الغابات. يحدّد هذا القسم أولاً بنية الفسيفساء الشاملة ومنطق الطبقات المستخدَم للحفاظ على هذه السلامة، ثم يوضّح خطوات المعالجة المسبقة والتسوية الزمنية المطبَّقة على صور المصدر الفردية قبل التجميع النهائي.

طريقة الفسيفساء

تم إنشاء الخرائط الأساسية النهائية باستخدام طريقة التجميع بدلاً من أدوات تقليل الإحصاءات (مثل المتوسطات أو الوسائط المركّبة). يضمن هذا النهج احتفاظ المنتجات النهائية بالقيم الطيفية الأصلية والتركيبات المكانية للصور المصدر. ومن خلال تجنُّب حساب متوسط الملاحظات المتعددة، يحافظ التصميم المجمّع على المصدر المنفصل لكل بكسل.

منطق الترتيب حسب الطبقات

تمت إضافة طبقات إلى الصور المدخلة باستخدام تسلسل هرمي يفضّل الصور ذات الدقة المكانية الأعلى ومهام الأقمار الصناعية الأحدث:

• الخريطة الأساسية المرئية: تم ترتيب الصور حسب حجم البكسل (مع إعطاء الأولوية للبيانات المتوفّرة بأعلى دقة)، ثم حسب مهمة القمر الصناعي (مع إعطاء الأولوية للبيانات الواردة من أقمار SPOT الصناعية الأحدث).
• الخريطة الأساسية التحليلية: تمّت إضافة طبقات الصور حسب مهمة القمر الصناعي، مع إعطاء الأولوية للملاحظات الواردة من مهمات SPOT اللاحقة بهدف الحصول على أفضل البيانات المتاحة.

النزاهة وإمكانية التتبُّع

• إعادة أخذ العيّنات: استخدمت جميع عمليات إعادة العرض الداخلية طريقة إعادة أخذ العيّنات من النقطة الأقرب. ويؤدي ذلك إلى تجنُّب تأثيرات التنعيم الاستيفائي التي تستخدمها الطرق الأخرى، ما يضمن عدم تأثُّر الخصائص الإشعاعية والمكانية الأصلية لوحدات البكسل المصدرية بوحدات البكسل المجاورة.

• إمكانية تتبُّع البيانات: يتم تضمين نطاق بيانات وصفية date لكل بكسل في كلا المنتجين. يتيح ذلك للمستخدمين تحديد تاريخ الملاحظة الدقيق لأي موقع جغرافي، ما يضمن الشفافية الكاملة لعمليات تقييم الامتثال لقانون الغابات.

تحسين حواف الصورة

لضمان الحصول على حدود واضحة بين المشاهد المتداخلة، تم تطبيق عملية تحسين الحواف لإزالة التشويشات الظاهرة في الصور المصدر. وقد ظهرت هذه التشوهات على شكل وحدات بكسل منقّطة أو "مشوّشة" على طول حدود الصورة، وكانت من سمات الضغط مع فقدان البيانات في البيانات التي يقدّمها المزوّد. ولحلّ هذه المشكلة، تم تطبيق حد أدنى للتآكل البؤري يبلغ 2.5 بكسل على أقنعة الصور، ما أدى إلى إزالة التشويشات على الحواف المنخفضة الجودة وضمان استخدام البيانات الصالحة فقط في الصور المجمّعة النهائية (الشكل 7).

الشكل 7. مقارنة بين حدود صورة قبل (على اليمين) وبعد (على اليسار) عملية تحسين الحواف تؤدي عملية التآكل بمقدار 2.5 بكسل إلى إزالة التشويش الناتج عن الضغط مع فقدان البيانات، ما يؤدي إلى انتقالات أكثر سلاسة بين المشاهد المتداخلة.

إخفاء السحب

لضمان أعلى مستوى ممكن من صحّة البيانات في الإصدار 1.0 من G-BFID، تم تنفيذ إجراء يدوي لإخفاء الهوية في أرشيف الصور. تم اختيار هذا النهج بدلاً من الطرق الآلية للسماح باستبعاد أكثر تحفظًا للوحدات البكسل المتأثرة بالسحب أو غيرها من التداخلات الجوية.

إجراء الإخفاء

حدّد المحلِّلون المدرَّبون المناطق التي تحتوي على سُحب وآثار جوية ذات صلة. لضمان التقاط جميع وحدات البكسل التي تتضمّن مشاكل، تم استخدام استراتيجية إخفاء متحفّظة باستخدام أشكال هندسية مبسطة وخشنة. بدلاً من تتبُّع محيط كل سحابة على حدة بدقة، تم إخفاء مساحات مستطيلة أكبر لضمان بقاء الصورة المجمّعة الناتجة واضحة قدر الإمكان.

على الرغم من أنّ هذا الأسلوب يهدف إلى إزالة أكبر قدر ممكن من وحدات البكسل، حتى تلك الصالحة المجاورة للسحب، فقد تم اعتماده لضمان توفير منتج عالي الجودة وفقًا لمعايير عام 2008.

سياسة إخفاء الهوية ودمجها

تم إنتاج الأقنعة اليدوية حصريًا لمجموعات الصور المتعددة الأطياف والصور المدمجة مع بيانات بانكروماتية ذات الألوان الطبيعية. بما أنّ منتج الألوان الطبيعية المتعددة الأطياف مستمد من بيانات متعددة الأطياف، تم بعد ذلك نشر هذه الأقنعة إلى الصور المتزامنة المتعددة الأطياف أثناء المعالجة.

تم استبعاد أي صورة متعددة الأطياف لم تتضمّن نسخة مطابقة ذات ألوان طبيعية تم إخفاء أجزاء منها يدويًا من الصورة المجمّعة النهائية. يضمن ذلك إزالة السُحب من كل بكسل مضمّن في حزمة G-BFID الإصدار 1.0، بغض النظر عن نوع المنتج.

تفسير الثغرات في البيانات

تمثّل الفجوات الشفافة في الصور المجمّعة النهائية المناطق التي لا تتوفّر فيها بيانات صالحة وعالية الجودة ضمن الفترة الزمنية 2007-2009. وتنتج هذه الفجوات عن مزيج من عملية الحجب اليدوي المتحفّظة الموضّحة أعلاه، أو الرفض الأوّلي للمشاهد التي تتضمّن غطاءً سحابيًا كثيفًا (>50%)، أو عدم توفّر صور مصدرية من مقدّم الخدمة لمنطقة معيّنة. في حين أنّ الفجوات الإقليمية الأكبر تشير عادةً إلى عدم توفّر صور من حقبة 2008، فإنّ الأنماط "المقطّعة" الواضحة الموضّحة في الشكل 9 هي نتيجة لإخفاء السحب.

الشكل 9. أمثلة على عملية الإخفاء اليدوية التي تم تطبيقها على الخريطة الأساسية المرئية توضّح المضلّعات السوداء المستطيلة النهج المتحفّظ المستخدَم لاستبعاد السُحب وغيرها من التشويشات الجوية من المنتجات النهائية. تكون وحدات البكسل المخفية (بدون بيانات) في منتجات البيانات شفافة.

تصحيح عدم التطابق

تم تنفيذ سير عمل تسجيل جغرافي تلقائي للحد من عدم التطابق الكبير في صور SPOT المصدرية مقارنةً بخط أساس جغرافي مشتق من بيانات Landsat Collection 2.

البيانات الأساسية المرجعية

تم إنشاء صورة فسيفسائية مرجعية من Landsat Collection 2 خالية من السحب لتكون بمثابة صورة مرجعية للتسجيل المشترك. تم إنشاء هذه الصورة المرجعية باستخدام أداة تقليل متوسطة على صور Landsat 7 و8 التي تتقاطع مع البرازيل خلال الفترة 2006-2010. تم اختيار النطاق الأحمر في Landsat كهدف أساسي للتسجيل للمطابقة مع النطاق الأحمر في SPOT.

تقدير الإزاحة

تم استخدام خوارزمية ee.Image.displacement لاحتساب الإزاحة على مستوى البكسل بين بيانات المصدر SPOT والمرجع Landsat.

• مَعلمات البحث: تم تطبيق إزاحة قصوى تبلغ 500 متر ومَعلم صلابة يبلغ 5 على نموذج الإزاحة.
• التجميع الإحصائي: تم تجميع دلتا x ($dx$) ودلتا y ($dy$) وقيم الثقة على مستوى مساحة الصورة بالكامل باستخدام أداة تقليل المتوسط.
• حساب الحجم: من هذه الإحصاءات المجمّعة، تم حساب تقدير إجمالي لإزاحة الحجم $M = \sqrt{dx^2 + dy^2}$ لتمثيل متوسط الإزاحة للمشهد.

سياسة التصحيح

تم تصنيف المشاهد وتصحيحها استنادًا إلى إحصاءات الإزاحة المحسوبة، وذلك لإعطاء الأولوية للتحسينات المهمة وتجنُّب ظهور أي تشوّهات جديدة:

• التصحيح التلقائي: تم تلقائيًا تغيير موضع الصور التي تظهر فيها إزاحة بمقدار $M > 30$ متر مع درجة ثقة $C > 0.3$، وذلك باستخدام القيم المقدَّرة $dx$ و $dy$.
• التقييم اليدوي: بالنسبة إلى المشاهد التي تتضمّن إزاحة تقديرية عالية جدًا ($M > 100$ m) ولكن مستوى ثقة منخفض ($C \le 0.3$)، تم إجراء مراجعة يدوية. لم يتم قبول التصحيحات إلا إذا أظهرت عملية التسجيل المشترك تحسّنًا واضحًا مقارنةً بموضع الإعلان الأصلي.
• الاستبعاد: تم استبعاد المشاهد التي ظلّت غير مسجّلة بشكل صحيح بعد محاولة تصحيحها، أو تلك التي لا تتضمّن ميزات كافية لإجراء مطابقة موثوقة، من الصورة المجمّعة.

التنفيذ ومراقبة الجودة

تمت إعادة عرض الصور المعدَّلة باستخدام إعادة أخذ العينات بطريقة الجار الأقرب للحفاظ على القيم الإشعاعية الأصلية وتجنُّب تأثيرات التنعيم الناتجة عن الاستيفاء الثنائي الخطي أو التكعيبي.

لضمان إمكانية التتبُّع المكاني، تمت إضافة حزمة coregistered منطقية إلى كل صورة وتم الاحتفاظ بها في الصورة المجمّعة النهائية. تسمح هذه البيانات الوصفية للمستخدمين بالتمييز بين وحدات البكسل التي تم تعديل موضعها المكاني وتلك التي تم الاحتفاظ بها في موضعها الأصلي.

التسوية الإشعاعية

لمراعاة الظروف الجوية المختلفة والاختلافات في أجهزة الاستشعار بين مجموعات بيانات SPOT المصدر، تم تطبيق التسوية الإشعاعية على الصور التي تتضمّن منتجات الفسيفساء. تستخدم كلّ من الخرائط الأساسية المرئية والتحليلية مطابقة المدرّج التكراري مع خط أساس مستهدف ثابت من Landsat لعام 2008.

تم اختيار Landsat كمرجع بدلاً من البدائل الأقل دقة مثل MODIS، لأنّ دقة Landsat البالغة 30 مترًا تتوافق بشكل أكبر مع بيانات SPOT التي تتراوح دقتها بين 5 و20 مترًا. يضمن هذا التشابه أن تكون المدرّجات التكرارية الطيفية أكثر تمثيلاً بالتساوي، ما يتيح نقلًا إشعاعيًا أكثر دقة أثناء عملية المطابقة. تختلف المنهجية المحدّدة لهذا التوافق قليلاً حسب ما إذا كانت حالة الاستخدام النهائية مرئية أو تحليلية.

الخريطة الأساسية المرئية

للحدّ من حالات عدم الاتساق الإشعاعي بين الصور المتجاورة وضمان ظهورها بشكل شبه سلس، تم تنفيذ عملية موازنة الألوان باستخدام مطابقة المدرّج التكراري. تم تعديل قيم البكسل لتتطابق مع خط أساس مستهدف متسق لفسيفساء Landsat لعام 2008.

تتضمّن العملية الخطوات التالية:

• إخفاء التحليل: لضمان الحصول على إحصاءات ثابتة أثناء مطابقة المدرج التكراري، يتم إنشاء قناع تحليل مؤقت لاستبعاد المناطق التي يمكن أن تؤدي إلى انحراف البيانات. يستهدف هذا الإخفاء ميزتَين أساسيتَين:
  • المناطق التي تشهد تغييرات كبيرة: يتم استبعاد وحدات البكسل التي تتجاوز الشريحة المئوية الخامسة والتسعين من الفرق المطلق بين صورة SPOT ومجموعة صور Landsat المرجعية.
  • المسطحات المائية: يتم استبعاد التباين العالي في الانعكاس فوق المياه باستخدام مجموعة بيانات "سجلّ تصنيف المياه السنوي" التابعة لمركز الأبحاث المشترك (JRC). يتم فلترة مجموعة البيانات لتشمل العام 2008، ويتم تطبيق قناع عكسي لضمان الاحتفاظ بفئات غير مائية فقط لإجراء التحليل الإحصائي.
• إنشاء جدول البحث (LUT): باستخدام البيانات المخفية، يتم احتساب المدرّجات التكرارية التراكمية لكل من نطاقات SPOT المصدر ونطاقات Landsat المستهدَفة.
• الاستيفاء: تتم إعادة ربط قيم وحدات البكسل المصدر بالقيم المستهدَفة باستخدام جدول البحث الذي تم إنشاؤه، ما يؤدي إلى مواءمة الملف الإشعاعي لبيانات SPOT مع مرجع Landsat لعام 2008.

الشكل 8. التسوية الإشعاعية للخريطة الأساسية المرئية تُظهر الصور الأصلية (على اليسار) تباينًا إشعاعيًا كبيرًا. بعد مطابقة المدرّج التكراري (على اليسار)، تصبح عمليات الانتقال بين المشاهد سلسة تقريبًا، ما يوفّر تمثيلاً مرئيًا متسقًا في جميع أنحاء الصورة المجمّعة. وحدات البكسل ذات الخلفية السوداء هي مناطق لا تتضمّن بيانات.

الخريطة الأساسية التحليلية

تتطابق معالجة الخريطة الأساسية التحليلية مع الخريطة الأساسية المرئية، ولكنها تتضمّن تحويل قيم الأرقام الرقمية إلى انعكاس في أعلى الغلاف الجوي:

1. تحويل الانعكاس في أعلى الغلاف الجوي

يتم تحويل الأرقام الرقمية الأولية (DN) الخاصة ببيانات SPOT إلى انعكاس TOA من أجل مراعاة خصائص المستشعر الفيزيائي والهندسة الشمسية:

• احتساب الإشعاع: تطبيق البيانات الوصفية الخاصة بالمكسب المادي والانحياز الخاص بالنطاق والمقدَّمة من المورّد
• تسوية الانعكاس: يتم تسوية الإشعاع الشمسي حسب الإشعاع الشمسي، وجيب تمام زاوية السمت الشمسية، والمسافة بين الأرض والشمس في يوم الحصول على الصورة.

2. مطابقة المدرّج التكراري

للحدّ من الاختلافات الإشعاعية بين صور SPOT المختلفة، يتم تطبيق سير عمل مطابق للرسم البياني المدرّج تكراريًا:

• إخفاء التحليل: تستخدم هذه الخطوة عملية إخفاء التحليل نفسها الموضّحة في قسم "الخريطة الأساسية المرئية" أعلاه، أي استبعاد وحدات البكسل التي تتجاوز النسبة المئوية الخامسة والتسعين للتغيير، وفلترة وحدات بكسل المياه باستخدام قناع التصنيف المعكوس لمركز الأبحاث المشتركة لعام 2008.

• التسوية: على غرار الخريطة الأساسية المرئية، تتم إعادة تعيين قيم البكسل من خلال جدول بحث لمواءمة الملف الإشعاعي مع مرجع Landsat TOA. يؤدي ذلك إلى إنشاء اتساق إشعاعي على مستوى مجموعة الصور لتدريب نماذج تعلُّم الآلة الواسعة النطاق وإجراء استنتاجات موثوقة.

القيود والمشاكل المعروفة

على الرغم من أنّ الإصدار 1.0 من G-BFID يوفّر بيانات أساسية عالية الدقة تعود إلى عام 2008، يجب أن يكون المستخدمون على دراية بالعديد من القيود المتأصلة في أرشيف SPOT القديم ومنهجيات المعالجة المستخدَمة.

الشمولية المكانية والثغرات

لا توفّر الخرائط الأساسية تغطية جغرافية بنسبة% 100 للبرازيل. توجد فجوات في المناطق التي لم تستوفِ فيها الصور معايير الجودة أو حدود التغطية السحابية أو الفترة الزمنية المحدّدة للمشروع (2007-2009) التي تعود إلى عام 2008. وتظهر هذه الفجوات بشكل متكرّر في المناطق التي تتضمّن غطاءً سحابيًا دائمًا أو التي يكون فيها معدّل الحصول على صور الأقمار الصناعية منخفضًا. راجِع القسم التغطية الجغرافية والثغرات لمعرفة التفاصيل.

درجة الدقة الأصلية المتغيرة

مع أنّ المنتجات النهائية يتم تسليمها بحجم بكسل اسمي يبلغ 5 أمتار (مرئي) و10 أمتار (تحليلي)، فإنّ الصور المصدر تتألف من مزيج من وحدات البكسل الأصلية التي يبلغ حجمها 5 أمتار و10 أمتار و20 مترًا. بما أنّه تم استخدام إعادة أخذ العينات من أقرب جار للحفاظ على سلامة الطيف، قد تكون الحدود بين درجات الدقة المختلفة مرئية.

الشكل 10: مثال على درجات دقة المصدر الأصلية المختلفة على مستوى حدود مشهد ويعكس التغيّر في "الدقة" أو الحدة الانتقال بين درجات دقة مختلفة لمستشعر SPOT تم الحفاظ عليها في المنتج النهائي.

عدم التسجيل المتبقّي

على الرغم من سير عمل التسجيل المشترك التلقائي، قد تستمر الانحرافات المكانية في بعض المناطق. من المرجّح أن يحدث عدم تطابق متبقٍّ في المناطق ذات التضاريس الشديدة أو في مناطق الغابات الكثيفة والمتشابهة التي لم تتوفّر فيها خوارزمية معالم كافية لاحتساب متّجهات الإزاحة ذات الموثوقية العالية.

تشوّهات في الغلاف الجوي والسحب

كانت عملية إخفاء السحب اليدوية محافظة وعدوانية عن قصد، ولكنها ليست شاملة. قد يواجه المستخدمون آثارًا متبقية عرضية، مثل ضباب رقيق جدًا أو ظلال سحب صغيرة.

الشكل 11. مثال على السُحب الرقيقة الضبابية المتبقية بعد عملية إخفاء السُحب اليدوية

عدم الاتساق الإشعاعي وأداء تعلُّم الآلة

على الرغم من استخدام مطابقة المدرّج التكراري للحدّ من حالات عدم الاستمرارية الإشعاعية، يظل التباين الطيفي المتبقّي بين الصور المتجاورة. بالنسبة إلى التطبيقات الآلية لتصنيف الغطاء الأرضي أو تطبيقات تعلُّم الآلة، يزيد هذا التباين من التباين الطيفي لنوع معيّن من الغطاء الأرضي في جميع أنحاء الصورة المجمّعة. يمكن أن يؤدي هذا النطاق الأوسع من البيانات إلى تقليل دقة فصل الفئات أثناء الاستنتاج، ما قد يؤدي إلى ارتفاع معدلات الخطأ.

الشكل 12: الاختلافات الطيفية المتبقية المعروضة عند تقاطع ثلاث صور تظهر هذه الانقطاعات على شكل اختلافات في السطوع والألوان بين الصور المتداخلة، وقد تؤثر في أداء نماذج تعلُّم الآلة.

التشبّع الطيفي

في المناطق ذات السطوع الشديد، مثل الأسطح الحضرية العاكسة للغاية أو أنواع التربة المحددة أو الرمال الساطعة، قد تصل وحدات البكسل إلى الحد الأقصى الذي يمكن لجهاز الاستشعار رصده. ويؤدي هذا "التشبع" إلى فقدان الملمس والتفاصيل في تلك المواقع المحددة.

الشكل 13. تصوّر لتشبع الألوان الطيفية والتشوّهات الناتجة في الألوان تشير البقع الساطعة والدرجات اللونية غير الطبيعية، مثل البرتقالي والأصفر في الصورة المجمّعة المرئية (على اليمين) والأزرق السماوي في الصورة المجمّعة التحليلية (على اليسار)، إلى أنّ نطاقًا طيفيًا واحدًا أو أكثر قد بلغ الحدّ الأقصى الممكن رصده، ما يؤدي إلى تشويه كل من الملمس وتمثيل الألوان.

نسب النطاقات ومؤشرات الغطاء النباتي المعدَّلة

للحصول على صورة فسيفسائية شبه متكاملة، تم تطبيق مطابقة المدرج التكراري على كل نطاق طيفي على حدة، ما يؤدي بطبيعته إلى تغيير النسب الفيزيائية الأصلية بين النطاقات. نتيجةً لذلك، سيؤدي احتساب المؤشرات الشائعة، مثل مؤشر الغطاء النباتي الطبيعي (NDVI) أو مقاييس نسبة النطاق الأخرى، إلى إنتاج قيم تختلف عن مجموعات البيانات المصدر غير المعدَّلة. مع أنّ هذه المؤشرات المشتقة قد تظلّ ترصد الأنماط المكانية النسبية في جميع الصور المجمّعة، يجب عدم استخدامها لأغراض مطلقة أو مقارنات بين أدوات الاستشعار أو التحليلات التي تعتمد على عتبات المؤشرات الثابتة.