Případová studie 2

Automatická klasifikace na základě fraktální analýzy

Cílem studie bylo ověřit, zda je možné úspěšně klasifikovat tvary jen na základě jejich fraktálních charakteristik bez jakékoli znalosti o jejich metrických charakteristikách. Klasifikace na základě mětrických charakteristik, jako jsou velikosti ploch, jejich obvody, různé délky, počty například záhybů (u řek), průsečíků apod.

Klasifikace jen na základě tvaru (čili fraktálních charakteristik) by měla vysoké uplatnění například i v geovědách, neboť je možné pozorovat stejné struktury v různých měřítcích po celém světě (například říční sítě, urbánní struktury apod.)

K ověření možností klasifikace bylo použito listů desmi druhů vyšších rostlin, náležících do tří čelení, které byly zapůjčeny z depozitáře Katedry botaniky UPOL. Tyto čeledi jsou Dryopteridaceae, Blechneaceaem Roseaceae. Existují významné rozdíly ve tvarech listů rostlin následujících do těchto tří čeledí a existují i značné rozdíly mezi jednotlivými druhy.

pic2

Byly měřeny dvě fraktální charakteristiky u každého z celkem 133 listů, které byly k dispozici. Byla měřena fraktální dimenze plochy, kterou list zabírá, a dále fraktální dimenze skeletu listu. Na zákaldě těchto dvou charakteristik byla proveden řízená (Fischerova lineární diskriminační analýza) a neřízená (hierarchické shlukování) klasifikace s následujícími výsledky.

pic3

Shluková analýza uspořádala jednotlivé druhy do hierarchické struktury, která odpovídá skutečnému taxonomickému zařazení.
Rostliny stejných čeledí jsou si blízké, rostliny rozdílných čeledí jsou si málo podobné a čeleď Blechneaceae je více příbuzný kapradinám z čeledi Dryopteridaceae než růžovitým.

pic4

Lineární diskriminační analýza dokázela do čeledí zařadit úspěšně 94 % dat, úspěšnost zařazení k patřičným druhům byla jen 67 %.

Výsledky ukazují, že fraktální charakteristiky dokáží dobře rozlišit mezi tvarově odlišnými objekty, nicméně detalní rozdíly nedokáží postihnout.