Arbeiten mit dem Assistenten "Zielerkennung"

Mit der Image Analyst-Lizenz verfügbar.

Der Workflow zur Zielerkennung umfasst das Identifizieren von Pixeln in hyperspektralen oder multispektralen Bildern, die bestimmten Spektralsignaturen entsprechen. Dieser Prozess ermöglicht die Erkennung verschiedener Materialien, darunter Mineralien, Pflanzenarten, Bebauung und künstlich errichtete Objekte. Er ist für eine Vielzahl von Anwendungen von großer Bedeutung – etwa in der geologischen Kartenerstellung, der Umweltüberwachung, der militärischen Aufklärung, in der Landwirtschaft sowie bei der Erfassung und Darstellung von Ressourcen.

ArcGIS Pro bietet verschiedene spektralbasierte Abgleichsalgorithmen für Workflows zur Zielerkennung. Diese reichen von einfachem pixelbasiertem Spektralabgleich bis hin zu fortgeschrittenen Abgleichsmethoden mit globalen statistischen Verfahren wie Adaptive Cosine Estimator (ACE), Constrained Energy Minimization (CEM) und Matched Filter (MF). Der grundlegende pixelweise Spektralabgleich umfasst Methoden wie Spectral Angle Mapper (SAM), Spectral Information Divergence (SID), Normalized Spectral Similarity Score (NS3) und weitere. Diese Verfahren erlauben es, Spektraldaten aus veröffentlichten Spektralbibliotheken wie der USGS in den Bildanalyse-Workflow einzubinden.

Der Assistent zur Zielerkennung führt Sie durch den gesamten Erkennungsprozess. Dazu gehören die Eingabekonfiguration, die Definition der räumlichen und spektralen Verarbeitungsausdehnung, der Spektralabgleich zwischen Bild und Zielen, das Festlegen von Schwellwerten, die Nachbearbeitung sowie die Ausgabe der Erkennungsergebnisse.

Der Assistent zur Zielerkennung ist über die Gruppe Analyse auf der Registerkarte Bilddaten aufrufbar. Klicken Sie auf das Dropdown-Menü Spektralanalyse, und wählen Sie Assistent "Zielerkennung" aus.

Konfigurieren

Der erste Schritt im Assistenten "Zielerkennung" ist die Seite Konfigurieren. An dieser Stelle legen Sie das Eingabebild und die Eingabespektren fest und definieren die Verarbeitungsausdehnung und den Spektralbereich.

Die Einstellungen der Seite "Konfigurieren" werden im Folgenden beschrieben.

• Eingabebild: Das Eingabebild kann ein Multiband- oder Hyperspektralbild sein.
• Bänder: Geben Sie die Bänder an, die Sie in die Analyse einbeziehen möchten. Sie können zwischen folgenden Optionen wählen:
  • Alle verwenden: Alle Bänder im Eingabebild verwenden. Dies ist die Standardeinstellung.
  • Teilmenge nach IDs: Wählen Sie die Bänder anhand von ID-Bereichen aus. Dies ist in der Regel die Bandnummer.
  • Teilmenge nach Wellenlängen: Wählen Sie die Bänder anhand von Wellenlängen aus.
  • Teilmenge nach Namen: Wählen Sie die Bänder anhand der Bandnamen aus.

    Wenn Sie sich für eine Teilmenge der Bilddaten entscheiden, wird ein Dialogfeld angezeigt, in dem Sie ein Band, mehrere Bänder, einen Bereich von Bändern, mehrere Bereiche von Bändern oder eine Mischung aus einzelnen Bändern und Bereichen von Bändern angeben können. Wählen Sie die Bänder aus der Dropdown-Liste aus. Um einen Bereich von Bändern anzugeben, wählen Sie den Minimal- und Maximalwert des Bereichs aus. Fügen Sie weitere Bänder oder Kombinationen von Bändern hinzu, indem Sie die Eingabetaste auf der Tastatur drücken.

• Verarbeitungsausdehnung: Geben Sie die Ausdehnung der Analyse an. Sie können zwischen folgenden Optionen wählen:
  • Volle Ausdehnung: Es wird die Ausdehnung des gesamten Eingabebildes verwendet. Dies ist die Standardeinstellung.
  • Aktuelle Anzeigeausdehnung: Es wird die aktuelle Anzeigeausdehnung verwendet.
  • Wählen Sie einen Layer in der Karte als Verarbeitungsausdehnung aus.
  • Navigieren Sie zu einem gespeicherten Shapefile, das die Ausdehnung definiert.
• Ziel-Spektralsignaturen: Die Spektralsignatur des Zielmaterials. Die Ziel-Spektralsignaturen können in eine Spektralsignaturbibliothek aufgenommen werden.

  Hinweis:

  Die Ziel-Spektralsignatur umfasst alle Spektralsignaturen in der Spektralbibliothek. Diese sollten daher spezifisch für das zu untersuchende Material sein.

Klicken Sie auf Weiter, um zum nächsten Schritt des Workflow zu wechseln.

Berechnen der Übereinstimmungswerte

Geben Sie auf der Seite Übereinstimmungswerte berechnen die Erkennungsmethode an, die zur Berechnung der Übereinstimmungswerte zwischen dem Eingabebild und der Ziel-Spektralsignatur verwendet werden soll:

• SAM: Die Methode "Spectral Angle Mapper" (SAM) misst den Winkel zwischen dem Zielspektrum und dem Pixelspektrum. Diese Option ist unempfindlich gegenüber Beleuchtungsänderungen.
• SID: Die Methode "Spectral Information Divergence" (SID) misst die Divergenz zwischen den Wahrscheinlichkeitsverteilungen des Zielspektrums geteilt durch das Pixelspektrum. Diese Option eignet sich gut zur Erkennung von gemischten Pixelspektren.
• SID-SAM: Das Produkt aus dem SID-Wert und der Tangenten des SAM-Werts wird berechnet. Diese Option bietet eine bessere Unterscheidung als die einzelnen Optionen SID oder SAM.
• NS3: Die Methode "Normalized Spectral Similarity Score" (NS3) berechnet den Spektralübereinstimmungswert aus der euklidischen Entfernung und dem Wert des Spectral Angle Mapper (SAM). Diese Option verfügt über eine hohe Unterscheidungsfähigkeit, benötigt jedoch umfangreiche Referenzdaten für eine hohe Genauigkeit.
• ACE: Die Methode "Adaptive Cosine Estimator" (ACE) schätzt die Ähnlichkeit zwischen einem Zielvektor (der das relevante Objekt repräsentiert) und der Spektralsignatur eines Pixels, nachdem eine Normalisierung für Hintergrundrauschen erfolgt ist. Verwenden Sie diese Option, wenn das hyperspektrale Bild starke Hintergrundstörungen aufweist.
• CEM: Die Methode "Constrained Energy Minimization" (CEM) verwendet einen Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR, Finite Impulse Response), dessen Reaktion auf ein Pixelspektrum umso größer ist, je ähnlicher das Spektrum dem Zielspektrum ist. Verwenden Sie diese Option, wenn das Hintergrundrauschen gering ist.
• MF: Die Methode "Matched Filter" (MF) verwendet einen FIR-Filter, dessen Reaktion auf ein mittelwertzentriertes Pixelspektrum umso stärker ist, je ähnlicher das mittelwertzentrierte Zielspektrum ist. Verwenden Sie diese Option, wenn es sich bei den Hintergrundgeräuschen um additives weißes Gaußsches Rauschen handelt.

Hinweis:

Alle Ergebnisse werden auf 0–1 normiert, wobei ein höhere Punktzahl eine bessere Übereinstimmung bedeutet.

Klicken Sie auf Ausführen, um ein Ausgabe-Raster zu erstellen, das aus den Übereinstimmungswerten besteht und im Ordner TargetDetection unter dem aktuellen ArcGIS Pro-Projektordner erstellt wird. Das Punktzahl-Raster ist ein Einzelband bei einem einzelnen Ziel und ein Multiband bei mehreren Zielen. Klicken Sie auf Weiter, um mit dem nächsten Schritt des Workflow fortzufahren.

Schwellenwert

Auf der Seite Schwellenwert können Sie im Punktzahl-Raster nach den Pixeln filtern, die am besten mit den Zielen übereinstimmen. Wenn die Seite angezeigt wird, werden ein Histogramm des Punktzahl-Rasters und Steuerelemente zum Festlegen des Schwellenwerts angezeigt. Der Karte wird ein Vorschau-Layer mit einem Standardschwellenwert hinzugefügt.

Verwenden Sie die Histogramm-Steuerelemente, um den Schwellenwert für die Erkennung von Abweichungen im Punktzahl-Raster festzulegen. Legen Sie den Schwellenwert fest, indem Sie einen Wert eingeben oder das Steuerelement zum Erhöhen oder Verringern für eine Feinabstimmung des Schwellenwertes verwenden. Ein einzelner Klick ändert den Schwellenwert um 0,001. Drücken Sie weiter auf die Steuerelemente zum Erhöhen und Verringern, um eine größere Schrittweite zu erreichen.

Sie können den Schwellenwert auch anpassen, indem Sie den Ziehpunkt in der Histogramm-Anzeige ziehen und ihn entlang des Histogramms verschieben. Vergrößern und verkleinern Sie das Histogramm über die Steuerelemente zum Zoomen. Auf diese Weise können Sie den Schwellenwert interaktiv feinabstimmen.

Hinweis:

Die Histogramm-Anzeige wurde so optimiert, dass Sie interaktiv Schwellenwerte auswählen können. Während die Werte im Histogramm korrekt sind, kann die Form des Histogramms optimiert werden, um Ausreißer zu berücksichtigen, während die Form des Großteils der Werte im Histogramm beibehalten wird.

Wenn Sie den Schwellenwert im Histogramm interaktiv anpassen, werden die Ergebnisse als Vorschau auf dem Punktzahl-Raster in der Karte angezeigt. Wenn Sie zum ersten Mal einen Schwellenwert festlegen, klicken Sie auf Vorschau, um die Ergebnisse in der Karte anzuzeigen. Sobald die Vorschau aktiviert ist, werden alle Anpassungen der Schwellenwerte interaktiv auf der Karte angezeigt.

Wählen Sie bei mehreren Zielen ein Ziel aus der Liste aus. Anzeige und Histogrammsteuerung passen sich daraufhin an das zugehörige Band an. Sie können auch das Kontrollkästchen Als RGB anzeigen verwenden, um die Vorschau in der RGB-Anzeige zu aktualisieren.

Tipp:

• Wenn der Vorschau-Layer deaktiviert oder von der Karte entfernt wurde, klicken Sie auf die Schaltfläche Vorschau, um sie neu zu erstellen.
• Wenn Sie den Layer Vorschau zurücksetzen möchten, entfernen Sie den Layer von der Karte, und klicken Sie auf die Schaltfläche Vorschau, um sie neu zu erstellen.
• Sie können die Bänder für die RGB-Anzeige im Bereich Inhalt ändern, indem Sie mit der rechten Maustaste auf den Bandnamen klicken und das Zielmaterial auswählen.

  

• Pixel, die mit keiner der Signaturen übereinstimmen, werden schwarz dargestellt. Sie können diese als transparenten Hintergrund anzeigen, indem Sie auf Symbolisierung > Maske > Hintergrund klicken.

Es ist möglich, dass ein Pixel mehreren Zielen zugeordnet wird. Wenn Sie ein Pixel nur für ein Ziel klassifizieren möchten, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Pixel nach höchster Übereinstimmung klassifizieren. Dadurch wird das Dialogfeld Pixel nach höchster Übereinstimmung klassifizieren geöffnet.

Pixel nach höchster Übereinstimmung klassifizieren

Diese Seite wird durch Aktivieren des Kontrollkästchens Pixel nach höchster Übereinstimmung klassifizieren geöffnet. Diese Option bestimmt für jedes Pixel das Ziel mit der besten Punktzahl und legt die Farbe für jedes Ziel fest.

Klicken Sie auf ein Farbchip, um eine Farbe für das jeweilige Ziel festzulegen.

Erzeugung der Ausgabe

Bereiten Sie die Endergebnisse mit den Parametern und Optionen auf der Seite Erzeugung der Ausgabe vor. Sie können das Ergebnis der Zielerkennung als Raster-Dataset ausgeben. Wenn Sie die Option Pixel nach höchster Übereinstimmung klassifizieren auswählen, um eine Kategorieausgabe zu erstellen, haben Sie die Möglichkeit, eine Feature-Class auszugeben und die Ergebnisse der Zielerkennung vor der endgültigen Ausgabe weiterzuverarbeiten.

Die Einstellungen der Seite Erzeugung der Ausgabe werden im Folgenden beschrieben.

Die beiden optionalen Kontrollkästchen dienen dazu, das Ergebnis der Kategorieausgabe zu verbessern.

• Mindestgröße der Region (Pixel): Aktivieren Sie das Kontrollkästchen, um eine Mindestgröße der Region für die Ausgabe festzulegen. Pixelregionen mit einer Zahl, die kleiner als die angegebene Größe sind, werden aus der Ausgabe entfernt. Dadurch werden unbedeutende Regionen und Pixelrauscheffekte im Endergebnis eliminiert.
• Nachbarschaft wird geglättet: Glätten Sie das Ergebnis mit einem der Glättungskerne, z. B. 2x2, 3x3, 4x4 und 5x5. Größere Kerne erzeugen eine stärkere Glättung des Ergebnisses. Dadurch entstehen mehr zusammenhängende Regionen.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Vorschau, um einen Vorschau-Layer zu erstellen und das verbesserte Ergebnis zu überprüfen.

• Ergebnis speichern als: Gibt den Ausgabetyp für die Erzeugung der Ergebnisse an:
  • Raster-Dataset: Ergebnisse werden als Raster-Datasets gespeichert.
  • Feature-Class: Ergebnisse werden als Polygon-Feature-Class gespeichert und stehen für die Kategorieausgabe zur Verfügung.
• Ausgabe-Dataset: Der Name des Ausgabe-Dataset. Wenn die Ausgabe ein Raster-Dataset ist, geben Sie die Dateierweiterung an, um ein Raster in einem unterstützten Format mit Schreibzugriff zu erstellen.
• Klicken Sie auf Ausführen, um die endgültige Zielerkennungsausgabe als Raster-Dataset oder Feature-Class zu erstellen.

Grafik des Endergebnisses