سنجش از دور چیست؟ | مقدمه ای بر سنجش از دور

سنجش از دور چیست؟

سنجش از دور فرآیند شناسایی و پایش خصوصیات فیزیکی سطح زمین با اندازه گیری تابش منعکس شده و ساطع شده از آن از طریق سنجنده های سوار شده بر روی ماهواره ها، هواپیماها یا بالن ها است. سنجنده های ویژه تصاویر سنجش از دور را جمع‌آوری می‌کنند که به محققان کمک می‌کند اطلاعات مفیدی درباره زمین به دست آورند.

 

مدار چرخش ماهواره

ماهواره ها را می توان در چندین نوع مدار به دور زمین قرار داد. سه دسته رایج مدارها عبارتند از: مدار پایین زمین (تقریباً 160 تا 2000 کیلومتر بالاتر از زمین)، مدار زمین متوسط (تقریباً 2000 تا 35500 کیلومتر بالاتر از زمین) و مدار بالای زمین (بالاتر از 35500 کیلومتر بالای زمین). ماهواره هایی که در مدار 35786 کیلومتری می گردند در ارتفاعی قرار دارند که سرعت مداری آنها با چرخش سیاره مطابقت دارد و که به آن مدار زمین آهنگ (geosynchronous ) می گویند. علاوه بر این، یک ماهواره در GSO به طور مستقیم بر فراز استوا یک مدار زمین ایستا، خواهد داشت. یک مدار زمین ایستا به یک ماهواره امکان می دهد موقعیت خود را مستقیماً در همان مکان روی سطح زمین حفظ کند.

مدار پایین زمین یک مدار متداول است که ماهواره ها می توانند چندین مسیر مداری را در اطراف سیاره دنبال کنند. برای مثال، ماهواره‌های مدار قطبی، نزدیک به 90 درجه به صفحه استوای زمین تمایل دارند و با چرخش زمین از قطبی به قطب دیگر حرکت می‌کنند. این امر به سنجنده های روی ماهواره امکان می‌دهد تا داده‌های کل کره زمین از جمله مناطق قطبی را به سرعت به دست آورند. بسیاری از ماهواره‌های مدار قطبی خورشید ۀهنگ در نظر گرفته می‌شوند، به این معنی که ماهواره در هر چرخه در یک زمان خورشیدی از یک مکان عبور می‌کند. یکی از نمونه‌های ماهواره‌ای همگام با خورشید و در مدار قطبی، ماهواره Aqua ناسا است که تقریباً 705 کیلومتر بالاتر از سطح زمین می‌چرخد.

یک ماهواره در مدار متوسط زمین تقریباً 12 ساعت طول می کشد تا یک مدار را کامل کند. در 24 ساعت، ماهواره هر روز از روی همان دو نقطه از خط استوا عبور می کند. این مدار ثابت و بسیار قابل پیش بینی است. در نتیجه، این مداری است که توسط بسیاری از ماهواره های مخابراتی و GPS استفاده می شود.

 

مشاهده سطح زمین با طیف الکترومغناطیسی

انرژی موج الکترومغناطیسی که از ارتعاش ذرات باردار تولید می شود، به شکل امواج در جو و خلاء حرکت می کند. این امواج دارای طول موج (فاصله قله موج تا قله دیگر) و فرکانس متفاوت هستند. طول موج کوتاهتر به معنای فرکانس بالاتر است. برخی مانند امواج رادیویی، مایکروویو و فروسرخ دارای طول موج طولانی تری هستند، در حالی که برخی دیگر مانند امواج ماوراء بنفش، اشعه ایکس و گاما دارای طول موج بسیار کوتاه تری هستند. نور مرئی در وسط آن محدوده تابش بلند تا موج کوتاه قرار دارد. این بخش کوچک انرژی تنها چیزی است که چشم انسان قادر به تشخیص آن است. ینابراین جهت پایش سطح، ابزارهای دقیق برای تشخیص سایر اشکال انرژی الکترومغناطیسی مورد نیاز است.

برخی از امواج توسط اجزای جوی جذب یا منعکس می شوند، مانند بخار آب و دی اکسید کربن، در حالی که برخی از طول موج ها اجازه حرکت بدون مانع در جو را می دهند. نور مرئی دارای طول موج هایی است که می تواند از طریق جو منتقل شود. انرژی مایکروویو دارای طول موج هایی است که می تواند از میان ابرها عبور کند، ویژگی که توسط بسیاری از ماهواره های آب و هوا و ارتباطی استفاده می شود. منبع اصلی انرژی مشاهده شده توسط ماهواره ها، خورشید است. مقدار انرژی منعکس شده خورشید به ناهمواری سطح و آلبدوی آن بستگی دارد، یعنی اینکه یک سطح چگونه نور را به جای جذب آن منعکس می کند. به عنوان مثال، برف آلبدوی بسیار بالایی دارد و تا 90 درصد تابش خورشیدی را منعکس می کند. از سوی دیگر، اقیانوس تنها حدود 6 درصد از تابش خورشیدی را منعکس می کند و بقیه را جذب می کند. اغلب، زمانی که انرژی جذب می شود، مجدداً منتشر می شود، معمولاً در طول موج های طولانی تر. به عنوان مثال، انرژی جذب شده توسط اقیانوس دوباره به صورت گسیلش فروسرخ گرمایی ساطع می شود.

همه پدیده های روی زمین انرژی را منعکس می‌کنند، جذب می‌کنند یا منتقل می‌کنند که مقدار آن بر اساس طول موج متفاوت است. همانطور که اثر انگشت شما منحصر به شماست، همه  پدیده های روی زمین دارای اثر انگشت طیفی منحصر به فرد است. محققان می توانند از این اطلاعات برای شناسایی ویژگی های مختلف زمین و همچنین انواع سنگ ها و مواد معدنی  (آموزش سنجش از دور برای زمین شناسی و معدن) استفاده کنند. تعداد باندهای طیفی شناسایی شده توسط یک ابزار معین، تفکیک طیفی آن، تعیین می کند که یک محقق چقدر تمایز بین مواد را می تواند تشخیص دهد.

 

سنجنده ها

سنجنده ها یا ابزارهای روی ماهواره ها و هواپیماها از خورشید به عنوان منبع روشنایی استفاده می کنند یا منبع روشنایی خود را فراهم می کنند و انرژی بازتاب شده را اندازه گیری می کنند. حسگرهایی که از انرژی طبیعی خورشید استفاده می کنند، حسگرهای غیرفعال نامیده می شوند. آنهایی که منبع انرژی خود را تامین می کنند، حسگرهای فعال نامیده می شوند.

حسگرهای غیرفعال شامل انواع مختلفی از رادیومترها (وسایلی که شدت تابش الکترومغناطیسی را در نوارهای انتخابی اندازه گیری می کنند) و طیف سنج ها (دستگاه هایی که برای تشخیص، اندازه گیری و تجزیه و تحلیل محتوای طیفی تابش الکترومغناطیسی منعکس شده طراحی شده اند) هستند. اکثر سیستم‌های غیرفعال مورد استفاده توسط برنامه‌های سنجش از راه دور در بخش‌های مرئی، فروسرخ، فروسرخ حرارتی و مایکروویو طیف الکترومغناطیسی کار می‌کنند. این حسگرها دمای سطح زمین و دریا، خواص پوشش گیاهی، ویژگی‌های ابر و گرد و غبار و سایر ویژگی‌های فیزیکی را اندازه‌گیری می‌کنند. اکثر سنجنده های غیرفعال نمی‌توانند به پوشش ابر متراکم نفوذ کنند و بنابراین محدودیت‌هایی برای مشاهده مناطقی مانند مناطق استوایی که در آن پوشش ابر متراکم زیاد است، دارند.

اکثر سنسورهای فعال در باند مایکروویو طیف الکترومغناطیسی کار می کنند که به آنها توانایی نفوذ در جو را در اکثر شرایط می دهد. این نوع حسگرها برای اندازه گیری پروفایل های عمودی ذرات معلق در هوا، ساختار جنگل، بارش و بادها، توپوگرافی سطح دریا و یخ و غیره مفید هستند.

 

وضوح سنجنده

وضوح (رزولوشن) در نحوه استفاده از داده های یک حسگر نقش دارد. وضوح بسته به مدار و طراحی حسگر ماهواره می تواند متفاوت باشد. چهار نوع وضوح برای هر مجموعه داده وجود دارد - رادیومتری، مکانی، طیفی و زمانی.

وضوح رادیومتریک مقدار اطلاعات موجود در هر پیکسل است، یعنی تعداد بیت هایی که انرژی ثبت شده را نشان می دهند. هر بیت یک توان 2 را ثبت می کند. برای مثال، وضوح 8 بیتی 28 است که نشان می دهد سنسور دارای 256 مقدار دیجیتال بالقوه (0-255) برای ذخیره اطلاعات است. بنابراین، هرچه وضوح رادیومتریک بالاتر باشد، مقادیر بیشتری برای ذخیره اطلاعات در دسترس است و تمایز بهتری بین کوچکترین تفاوت‌ها در انرژی ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، هنگام ارزیابی کیفیت آب، وضوح رادیومتری برای تمایز بین تفاوت‌های ظریف در رنگ اقیانوس ضروری است.

وضوح مکانی با اندازه هر پیکسل در یک تصویر دیجیتال و منطقه روی سطح زمین که توسط آن پیکسل نشان داده می شود، تعریف می شود. به عنوان مثال، اکثر باندهای مشاهده شده توسط طیف‌سنج تصویربرداری با وضوح متوسط (MODIS) دارای وضوح مکانی 1 کیلومتر هستند. هر پیکسل یک منطقه 1 کیلومتر در 1 کیلومتر را بر روی زمین نشان می دهد. MODIS همچنین شامل باندهایی با وضوح مکانی 250 متر یا 500 متر است. هر چه رزولوشن مکانی کمتر باشد (هر چه عدد کمتر باشد)، جزئیات بیشتری را می توانید ببینید. در تصویر زیر می توانید تفاوت پیکسلی بین وضوح مکانی مختلف را دید.

وضوح طیفی توانایی سنجنده برای تشخیص طول موج های ظریف تر است، یعنی داشتن باندهای بیشتر و باریک تر. بسیاری از حسگرها چند طیفی در نظر گرفته می شوند، به این معنی که دارای 3-10 باند هستند. برخی از حسگرها صدها تا حتی هزاران باند دارند و ابرطیفی در نظر گرفته می شوند. هر چه محدوده طول موج برای یک باند معین باریکتر باشد، وضوح طیفی بهتر است.

وضوح زمانی، به زمانی که طول می‌کشد تا یک ماهواره یک مدار را کامل کند و به همان منطقه رصدی دوباره برگردد، می گویند. این وضوح به مدار ویژگی‌های سنجنده بستگی دارد. از آنجایی که ماهواره های زمین ایستا با سرعت چرخش زمین مطابقت دارند، وضوح زمانی بسیار دقیق تر است. ماهواره های مدار قطبی دارای وضوح زمانی هستند که می تواند از 1 روز تا 16 روز متغیر باشد. به عنوان مثال، حسگر MODIS در ماهواره‌های Terra و Aqua ناسا دارای وضوح زمانی 1-2 روز است که به سنجنده اجازه می‌دهد زمین را در حالی که روز به روز تغییر می‌کند، تجسم کند.

 

ایجاد تصاویر ماهواره ای

بسیاری از حسگرها داده ها را در طول موج های طیفی مختلف به دست می آورند. به عنوان مثال، باند 1 OLI روی Landsat 8 داده ها را در 0.433-0.453 میکرومتر به دست می آورد در حالی که MODIS Band 1 داده ها را در 0.620-0.670 میکرومتر به دست می آورد. OLI در مجموع دارای 9 باند است در حالی که MODIS دارای 36 باند است که همگی مناطق مختلف طیف الکترومغناطیسی را اندازه گیری می کنند. باندها را می توان برای تولید تصاویری از داده ها ترکیب کرد تا ویژگی های مختلف آشکار شود. اغلب از تصویرسازی داده‌ها برای تشخیص ویژگی‌های یک منطقه مورد مطالعه استفاده می‌شود.

تصاویر رنگی واقعی، زمین را همانطور که در چشم انسان به نظر می رسد نشان می دهند. برای یک تصویر با رنگ واقعی Landsat 8 OLI (قرمز، سبز، آبی [RGB])، باندهای سنجنده 4 (قرمز)، 3 (سبز)، و 2 (آبی) ترکیب می شوند. سایر ترکیبات باند طیفی را می توان برای کاربردهای علمی خاص مانند پایش سیل، ترسیم شهرنشینی و نقشه برداری پوشش گیاهی استفاده کرد. در تصویر زیر می توانید تصویر ترکیب رنگی واقعی و کاذب را مشاهده کنید.

 

 

منبع

https://earthdata.nasa.gov/learn/backgrounders/remote-sensing