Multitemporal Decomposition and Unsupervised Classification Analysis of Dual PolSAR Images

Abstract

Synthetic aperture radar (SAR) is now proven to be a powerful ground monitoring tool. Over the last decade, SAR sensors have been developed that can detect multiple polarization states while maintaining phase information. These systems, called Polarimetric SAR (PolSAR), transmit and receive both vertically and horizontally polarized microwave signals. Optical data provides various information about the reflectance characteristics of targets with respect to spectral density with the help of electro-optical sensors, SAR data includes detailed information about polarization state and geometrical structure of natural and artificial objects, surface roughness and dielectric properties. In this study, the classification of polarimetric images produced by slice assembling from dual polarimetric multitemporal satellite images of C-band Sentinel-1A fit was preferred for ease of application of polarimetric decomposition analysis and unsupervised classification method due to the interpretability of polarimetric signatures. Within the scope of the study, we used PolSAR methods by applying the H-alpha decomposition algorithm to PolSAR images using the (Single Look Complex) SLC mode dual polarimetric images and the targets and methods using Sentinel-1A satellites 2014 and 2018 dual polarimetric multitemporal SAR images of the in the previously not tested region with the PolSAR classification. And also, polarimetric parameters are interpreted. Unsupervised classification was carried out to reveal changes in the field of work and to provide visual analysis. The overall classification accuracy as a result of classification is calculated as 88.5% for 2014 and 89.0% for 2018. Land changes in the urban and rural areas for 2014 and 2018 have been identified. The study also aimed to examine the capabilities of dual polarimetric C-band SAR data for terrestrial land cover classification. In the future study the effect of quad polarimetrik SAR and optical images used in different bands according on classification analysis will be investigated.

Keywords

• dual,polarimetric,SAR,multitemporal,unsupervised,classification

İkili PolSAR Görüntülerinin Çok Zamanlı Ayrışma ve Kontrolsüz Sınıflandırma Analizi

Abstract

Sentetik açıklıklı radarın (SAR) güçlü bir yer gözlem aracı olduğu artık ispatlanmıştır. Son on yılda, faz bilgisini muhafaza ederken birden fazla kutuplaşma durumunu ölçebilen SAR sensörleri geliştirilmiştir. Polarimetrik SAR (PolSAR) adı verilen sistemler hem dikey hem de yatay polarizasyonlu mikrodalga sinyalleri göndermekte ve almaktadır. Optik veriler elektro-optik sensörler yardımıyla spektral yoğunluk açısından, hedeflerin yansıtıcı ve dağıtıcı özellikleri hakkında çeşitli bilgi sağlarken SAR verileri, polarizasyon durumu ile doğal ve insan yapımı nesnelerin geometrik yapısı, yüzey pürüzlülüğü ve dielektrik özellikleri hakkında detaylı bilgiler içerir. Bu çalışmada C-band Sentinel-1A uydusunun ikili polarimetrik çok zamanlı uydu görüntülerinden dilim birleştirme ile üretilen polarimetrik görüntülerin sınıflandırılmasında, polarimetrik ayrışma analizinin uygulama kolaylığı ve polarimetrik imzaların yorumlanabilirliği nedeni ile kontrolsüz sınıflandırma yöntemi tercih edilmiştir. Çalışma kapsamında, daha önce (Single Look Complex) SLC mod ikili polarimetrik görüntüler kullanılarak PolSAR sınıflandırması ile test edilmemiş bölgede, çalışma alanına ait Sentinel-1A uydusu 2014 ve 2018 yılları ikili polarimetrik çok zamanlı SAR görüntüleri kullanılarak belirtilen hedef ve yöntemlerle, PolSAR görüntülerine H-alfa ayrışma algoritması uygulanarak polarimetrik parametreler yorumlanmıştır. Kontrolsüz sınıflandırma ile çalışma alanındaki değişimlerin ortaya konulması ve görsel analizi sağlanmıştır. Sınıflandırma sonucunda genel sınıflandırma doğrulukları, 2014 yılı için % 88,5 ve 2018 yılı için %89,0 olarak hesaplanmıştır. 2014 ve 2018 yılları için kentsel ve kırsal alandaki arazi değişimleri belirlenmiştir. Çalışma, arazi kullanımı arazi örtüsü sınıflandırması için ikili polarimetrik C-band SAR verilerinin yeteneklerini incelemeyi de amaç edinmiştir. Ayrıca çalışmanın devamı niteliğinde, farklı bantta çalışan dörtlü polarimetrik SAR ve optik görüntülerin birlikte kullanımının sınıflandırma analizine etkisi araştırılacaktır.

Keywords

• SAR,kontrolsüz,sınıflandırma,ikili polarimetrik,çok zamanlı,sınıflandırma,sınıflandırma

References

1. Abdelhalim MAK., 2011. Gold nanoparticles administration induced disarray of eeart muscle, hemorrhagic, chronic inflammatory cells infiltrated by small lymphocytes, cytoplasmic vacuolization and congested and dilated blood vessels. Abdelhalim Lipids in Health and Disease. 10:233-242. doi: https://doi.org/10.1186/1476-511X-10-233
2. Arıkan Ş., Gülten T., Yakut T., 2012. Benzalkonyum klorürün insan lenfositleri üzerindeki genotoksik etkisinin araştırılması. Uludağ Üniversitesi Tıp Fakültesi Dergisi. 38(1):13-18. [in Turkish]
3. Aymak C., 2010. Mersin bölgesinde yaşayan Rana ridibunda Pallas, 1771 (Ranidae, Amphibia)’nın mikronükleus test yöntemi ile genotoksik etkilerinin ve ağır metal kirliliğinin tespit edilmesi. [Doktora Tezi]. Mersin Üniversitesi, Türkiye. 90 p. [in Turkish]
4. Bıçkı D., 2011. Geleceğin kentte inşası: Çanakkale kırsalında göç eğilimleri. Süleyman Demirel Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi Dergisi. 16(3):149-169. [in Turkish]
5. Bolognesi C., Hayashi M., 2011. Micronucleus assay in aquatic animals. Mutagenesis. 26(1):205-213. doi: 10.1093/mutage/geq073
6. Carrasco K., Tilbury K.L., Myers M.S., 1990. Assessment of the piscine micronucleus test as an in situ biological indicator of chemical contaminant effects. Can J Fish Aquat Sci. 47:2123-2136. doi: http://dx.doi.org/10.1139/f90-237
7. Countryman P.I., Heddle J.A., 1976. The production of micronuclei from chromosome aberration in irradiated cultures of human lymphocytes. Mutat Res. 19:109-17. doi: 10.1016/0027-5107(76)90105-6.
8. Çavaş T., Çinkılıç N., Vatan Ö., Yılmaz D., Coşkun M., 2012. In vitro genotoxicity evaluation of acetamiprid in CaCo-2 cells using the micronucleus, comet and γH2AX foci assays. Pesticide Biochemistry and Physiology. 104:212-217. doi: 10.1016/S1383-5718(03)00091-3

9. Çavaş T., Ergene-Gözükara S., 2003. Micronuclei, nuclear lesions and interphase silver-stained nucleolar organizer regions (AgNORs) as cyto-genotoxicity indicators in Oreochromis niloticus exposed to textile mill effluent. Mutauion Research. 538:81-91. doi: https://doi.org/10.1016/S1383-5718(03)00091-3
10. Çavaş T., Ergene-Gözükara S., 2005. Induction of micronuclei and nuclear abnormalities in Oreochromis niloticus following exposure to petroleum refinery and chromium processing plant effluents. Aquatic Toxicology. 74:264-271. doi: 10.1016/j.aquatox.2005.06.001
11. Davis A.K., Floyd T.M., 2014. Evaluating levels of genotoxic stress in eastern hellbenders (Cryptobranchus alleganiensis alleganiensis) using the erythrocyte micronucleus assay. Comp Clin Pathol. 23:1189-1193. doi: 10.1007/s00580-013-1761-1.
12. Demirel S., ve Zamani A.G., 2002. Mikronukleus tekniği ve kullanım alanları. Genel Tıp Derg. 12(3):123-127. [in Turkish]
13. Feng S., Kong Z., Wang X., Zhao L., Peng P., 2004. Acute toxicity and genotoxicity of two novel pesticides on amphibian, Rana N. Hallowell. Chemosphere. 56:457–463. doi: 10.1016/j.chemosphere.2004.02.010.
14. Frossard A., Ferreira P.D., Carneiro M.T.W.D., Heringer O.A., Endringer D.C., Gomes L.C., 2013. Effect of dietary cadmium on fitness, growth, genotoxicity and accumulation in the yellow-spotted river turtle, Podocnemis unifilis. Aquatic Toxicology. 140-141:239-241. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.aquatox.2013.06.002
15. Gauthier L., Tardy E., Mouchet F., Marty J., 2004. Biomonitoring of the genotoxic potential (micronucleus assay) and detoxifying activity (EROD induction) in the river Dadou (France), using the amphibian Xenopus laevis. Science of the Total Environment. 323:47-61. doi: 10.1016/j.scitotenv.2003.10.014
16. Gürkan M., Hayretdağ S., Yakın B.Y., Tok C.V., 2012. A preliminary study on micronucleus analysis and nuclear anomalies in Pelophylax ridibundus (Pallas, 1771) (Amphibia: Anura) specimens collected around Vize (Kirklareli) and Ida Mountains (Çanakkale, Turkey). Ege J Fish Aqua Sci. 29(3):133-136. doi: http://dx.doi.org/10.12714/egejfas.2012.29.3.05
17. Huang D., Zhang Y., Wang Y., Ji W., 2007. Assessment of the genotoxicity in toad Bufo raddei exposed to petrochemical contaminants in Lanzhou region, China. Mutation Research. 629:81-88. doi: 10.1016/j.mrgentox.2007.01.007
18. Ilgar R., 2008. Kaz Dağı’nın üstü “Altın”dan kıymetli mi?. Uluslararası Sosyal Araştırmalar Dergisi. 1(2):170-182. [in Turkish]
19. Kıran Y., Şahin A., 2005. The effects of the lead on the seed germination, root growth and root tip cell mitotic divisions of Lens culinaris Medik. G U J Sci. 18(1):17-25.
20. Lewis S.M., Bain B.J., Bates I., Dacie J.V., 2006. Dacie and Lewis practical haematology (10th ed.). Churchill Livingstone, Edinburgh. 653 p. Özeti N., Yılmaz İ., 1994. Türkiye amfibileri (2. Baskı). Bornova, İzmir: Ege Üniversitesi Basımevi 221 p. [in Turkish]
21. Özparlak H., Arslan A., Güler G.Ö., 2011. Organik insektisit Fipronil’in genotoksik etkilerinin civciv mikronukleus test sisteminde belirlenmesi. S Ü Fen Fak Fen Derg. 37:1-8. [in Turkish]
22. Pimentel D., Greiner A., Bashore T., 1998. Economic and environmental costs of pesticide use. In: Rose, J. (Ed.), Environmental Toxicology: Current Developments. Gordon and Breach Science Publishers, UK, pp. 121–187. doi: http://dx.doi.org/10.2307/1311994
23. Pollo F.E., Grenat P.R., Salinas Z.A., Otero M.A., Salas N.E., Martino A.L., 2017. Evalution in situ of genotoxicity and stress in South American common toad Rhinella arenarum in environments related to fluorite mine. Environ Sci Pollut Res. 24:18179-18187. doi: 10.1007/s11356-017-9479-2
24. Ratko M., 2014. Morfologija eritrocita te učestalost pojave jezgrinih nepravilnosti u blavora (Pseudopus apodus Pallas, 1775). [Master's Thesis] / [PhD Thesis]. University of Zagreb, Croatia. 66 p. [in Croatian]
25. Saleh K., Sarhan M.A.A., 2007. Clastogenic analysis of chicken farms using micronucleus test in peripheral blood. Journal of Applied Sciences Research. 3(12):1646-1649.
26. Savran L., 2010. Kanser riskinin belirlenmesi ve oral malignensilerin tanısında mikronükleus testinin değerlendirilmesi. Bitirme Tezi. Ege Üniversitesi, İzmir, Türkiye. 44 p. [in Turkish]
27. Sokal R.R., Rohlf F.J., 1997. Biometry. The Principles and Practice of Statistics in Biological Research (3th ed.). New York: W.H. Freeman & Company. p. 427-431.
28. Strunjak-Perovic I., Lisicic D., Coz-Rakovac R., Popovic N.T., Jadan M., Benkovic V., Tadic Z., 2010. Evaluation of micronucleus and erythrocytic nuclear abnormalities in Balkan whip snake Hierophis gemonensis. Ecotoxicology. 19:1460-1465. doi: 10.1007/s10646-010-0531-y
29. Şekeroğlu-Atlı Z., Şekeroğlu V., 2011a. Genetik toksisite testleri. TÜBAV Bilim Dergisi. 4(3):221-229. [in Turkish]
30. Şekeroğlu V., Şekeroğlu-Atlı Z., 2011b. Micronucleus test for determining genotoxic damage. Turk Hij Den Biyol Derg. 68(4):241-252. doi: 10.5505/TurkHijyen.2011.06977
31. Şişman T., Aşkın H., Türkez H., Özkan H., İncekara Ü., Çolak S., 2015. Determination of nuclear abnormalities in peripheral erythrocytes of the frog Pelophylax ridibundus (Anura: Ranidae) sampled from Karasu river basin (Turkey) for pollution impacts. Journal of Limnology and Freshwater Fisheries Research. 1(2):75-81. doi: 10.17216/LimnoFish-5000115825
32. Ulupınar M., Okumuş İ., 2002. Detection of mutagenic-carcinogenic pollutants in aquatic systems using cytogenetic methods in fish. Turk J Zool. 26:141-148.
33. Yaşar O., Örge-Yaşar F., 2010. Ayvacık, Bayramiç, Çan, Ezine ve Yenice (Çanakkale ili) ilçelerinde köy adlarının kaynakları. Uluslararası Sosyal Araştırmalar Dergisi. 3(11):599-611. [in Turkish]
34. Yavuz İ.C., Bakar C., 2013. Türk Tabipleri Birliği Kazdağları ve Çanakkale yöresi madencilik girişimleri raporu (1. Baskı). Ankara, 160 s. [in Turkish]
35. Zuno A., Marcon F., Leopardi P., Salvatore G., Carere A., Crebelli R., 1994. An assessment of the in vivo clastogenicity of erythrosine. Fd Chem Toxic. 32(2):159-163. doi: http://dx.doi.org/10.2307/1311994.