تحقیق در مورد سنجش از دور (Remote Sensing)
هدف اصلی در نقشه برداری بدست آوردن (X,Y,Z) که در اینجا X,Y مختصات مسطحاتی وZمختصات ارتفاعی ما می باشد. برای بدست آوردن مختصات و اطلاعات از روی سطح زمین یا اشیاء از روشهای مختلفی استفاده می گردد:
1- نقشه برداری زمینی(Ground surveys)
2- فتوگرامتری برد کوتاه(Photogrametry Close range)
3- فتوگرامتری (Photogrametry)
4- LIDAR
5- سنجش از دور(Remote Sensing)
6-هیدروگرافی(Hidrography)
7- نجوم(Astoronomy)
8- ژئودزی(Geodesy)
DEM
فتوگرامتری: به بیان ساده فرآیند اندازه گیری تصاویر اجسام در روی عکسهای هوایی را فتوگرامتری گویند و به عبارت دقیق تر فتوگرامتری عبارتست از هنر ، علم و تکنولوژی تهیه اطلاعات درست از عوارض از طریق اندازه گیری ، ثبت و تفسیر بر روی عکس و یا سایر مدارکی که در بر دارنده اثری از انرژی الکترومگنتیک تابشی ثبت شده باشد. عکس به عنوان مهمترین منبع اطلاعاتی در این علم می باشد و در واقع اصول کار در فتوگرامتری بر روی عکس های هوایی است. عموماً فتوگرامتری را به دو شاخه فتوگرامتری متریک و فتوگرامتری تفسیری تقسیم بندی می کنند. در فتوگرامتری متریکی ، اندازه گیری های کمی مطرح است ، یعنی با استفاده از اندازه گیری های دقیق نقاط از طریق عکس می توان فواصل ، حجم، ارتفاع و شکل زمین را تعیین کرد ، که معمولترین کاربردهای این شاخه از فتوگرامتری تهیه نقشه های مسطحاتی و توپوگرافی از روی عکس هاست. عکس ها هم به دوصورت عمده هوایی وعکسهای زمینی است . فتوگرامتری تفسیری هم به طور کلی باشناسایی وتشخیص عوارض وقضاوت درباره اهمیت آنها از طریق تجزیه وتحلیل سیستماتیک سروکاردارد. اما فتوگرامتری تفسیری خود به دو شاخه تفسیر عکس و سنجش از دور تقسیم می شود.
در قسمت تفسیر عکس بیشتر مطالعات کیفی بر روی عکس انجام می گیرد،به عنوان مثال وضعیت پوشش گیاهی یک منطقه و یا میزان جمعیت یک شهر را از طریق عکس مورد مطالعه و تحقیق قرار می دهند.
در حالی که سنجش از دور که یک علم جدیدی است ، با استفاده از ماهواره ها و سنجنده های متفاوت نظیر دوربین های چند طیفی و مادون قرمز ، حرارتی ، رادار و … بر روی اطلاعات کمی و کیفی عوارض با دقت بسیار خوبی ، اندازه گیری صورت می گیرد. در حال حاضر با توجه به لزوم استفاده از منابع طبیعی و محیطی و به عبارت دیگر لزوم استفاده از عوارض کمی و کیفی ، دو شاخه تفسیر عکس و سنجش از دور با هم ترکیب شده و باعث به وجود آمدن سیستمهایی نظیر GIS و LIS در این علم شده است. ریشه کلمه Photogrammetry از سه کلمه یونانی فتوس یعنی نور ، گراما یعنی نوشته شده و مترون یعنی اندازه گیری ، گرفته شده است.
سنجش از دور(Remote Sensing): با بیانی ساده سنجش از دور را می توان فن آوری کسب اطلاعات و تصویربرداری از زمین با استفاده از تجهیزات هوانوردی مانند هواپیما، بالن و.. .و یا تجهیزات فضایی، ماهواره ها و… نامید. علم شناسایی، کشف، اندازه گیری و ارزیابی عوارض برروی زمین، هوا و دریا بدون تماس فیزیکی با آنها و از طریق ثبت، اندازه گیری و تفسیر بر روی عکس و سایر مدارکی که نقشی از انرژی الکترومغناطیس تابشی ثبت شده دارند. بنابه تعریف کمسیون استفاده صلح آمیز از فضا، سنجش از دور جمع آوری اطلاعات بدون تماس فیزیکی از سطح دریا، زمین، زیر دریا و فضا با استفاده از سکوهای فضایی می باشد. امروزه بیشتر از تصاویر ماهواره ای در پروژه های سنجش از دور استفاده می شود، چرا که در مقایسه با عکس های هوایی استفاده از آنها آسان تر بوده، در ضمن تصاویر ماهواره ای جهانی، به روز و دقیق می باشند. کاربرد های روز افزون سنجش از دور در تمام علوم به ویژه علم کشاورزی به وضوح قابل مشاهده است.
المان های سیستم سنجش از دور:
1-3-1) منبع تولید انرژی
منبع تولید انرژی می تواند خورشید و یا خود هدف (مثل امواج مادون قرمز حرارتی یا راداری غیر فعال) باشد، در اینصورت سنجنده ما غیر فعال است، در صورتی که منبع تولید انرژی در داخل سنجنده باشد آن را فعال می نامند. مزیت این سنجنده ها در این است که به دلیل قرار گرفتن منبع داخل سنجنده تصویر برداری در هر ساعتی از شبانه روز و در هر شرایط جوی ای امکان پذیر است.
سنجنده ها:
در سنجش از دور (Remote Sensing) هر دستگاهی که انرژی بازتاب یا گسیل یافته از عوارض و پدیده های مختلف را آشکارسازی یا ثبت نماید .سنجند ها بر اساس منبع تولید انرژی به دو دسته فعال(Active) و غیر فعال(Passive) تقسیم می گردند.
انواع سنجنده های غیر فعال:
می توان به دو دسته الکترونیکی و صوتی تفکیک نمود.سنجندههای غیر فعال الکترومغناطیس در هوا و فضا عمل می نمایند را از لحاظ محصول یا خروجی می توان به چهار نوع رادیدمتری ،عکسبرداری،تصویر برداری و ویدئویی دسته بندی نمود.سنجنده های غیر فعال صوتی که با ثبت امواج صوتی در زیر آبها کار می کنند،سونار SONAR (Sound Navigation And Ranging) می باشد.
سنجندههای رادیومتری :هر وسیله ای که قابلیت اندازه گیری امواج الکترومغناطیس را در طول موجهای مختلف دارا باشد،به عنوان رادیومتر شناخته می شود.انرژی الکترومغناطیس در دو طیف میکروویو(MicroWave) و مادون قرمز(Infra Red) آشکار سازی می کند.
رادیومترهای میکرویو انرژی گسیل شده را در محدوده طول موجهای cm30 اندازه گیری می کنند کاربرد این سنجنده ها مربوط به اندازه گیری دما در کاربرد های هواشناسی،آب شناسی و اقیانوس شناسی می باشد.
رادیومترهای مادون قرمز که از mµ0.7 تا mm1 تغییر می کند.بدسته NIR(مادون قرمز نزدیک طول موجهای بین 0.7 تا 1.1 میکرومتر) ،SWIR(مادون قرمز موج کوتاه طول موجهای بین 1.1 تا 3 میکرومتر)،TIR(مادون قرمز حرارتی 0.7 تا 3 میکرومتر)،FIR (مادون قرمز دور 15 میکرومتر تا یک میلیمتر)تقسیم می گردد.جهت برآورد حرارت اشیاء و پدیده ها مورد استفاده قرار می گیرند.کاربرد اصلی این نوع سنجنده ها در سیستم های هشدار آتش سوزی جنگل، پرتاب موشکهای بالستیک و … می باشد.
سنجند های عکسبرداری:عملکرد این سنجنده ها بصورت دوربین معمولی عکسبرداری و از نوع غیر جاروب کننده می باشد.در این سنجنده ها،در یک لحضه نور از شاتر دوربین عبور نموده و بر روی فیلم ثبت شده و پس از ظهور،عکس ایجاد می گردد.در دوربینهای عکسبرداری از فیلم های پانکروماتیک(سیاه و سفید)،رنگی معمولی (Natural color) مادون قرمز رنگی (False IR color) استفاده می شود.
سنجنده های تصویر برداری: تفاوت اصلی سنجنده های تصویر برداری با عکسبرداری در نوع محصول یا خروجی آنهاست .خروجی دوربین های عکسبرداری ,عکس آنالوگ است و در حالیکه خروجی سنجنده های تصویر برداری ،تصویر رقومی (دیجیتالی) است.از لحاظ عملکرد ،سنجنده های تصویر برداری را می توان به دو دسته جاروب کننده و غیر جاروب کننده یا فریمی تقسیم بندی نمود.
همچنین انواع سنجنده های تصویر برداری را می توان به سه دسته الکترواپتیکی،حرارتی و دید در شب طبقه بندی نمود.
سنجنده های تصویر برداری فریمی: در این سنجنده ها بجای فیلم از آرایه ای دو بعدی از آشکارسازهای حساس به نور (با توزیع مکانی یکنواخت) استفاده می گردد که معمولا از جنس نیمه هادی CCDها (Charge Coupled Devices) هستند. CCD ها بر اساس اثر فتوالکتریک نور را سنجش می کنند.طبق این اثر برخی مواد خاص بر اثر برخورد هر فوتون نور به آنها یک الکترون آزاد می کنند.جنس CCD های مورد استفاده وابسته به طیف الکترومغناطیسی است که قرار است ثبت شود،بطوریکه برای محدودههای مرئی و مادون قرمز نزدیک از جنس سیلیکن ،برای مادون قرمز موج متوسط از جنس InSb و برای مادون قرمز موج بلند از جنس HgCdTe ساخته می شوند.
جاروبگرهای آرایه های خطی(Linear Array):این نوع جاروبگرها از یک آرایه خطی CCD جهت جاروب نوارهای زمینی بصورت پی در پی استفاده می کنند.از ویژگیهای بارز این جاروبگر ها،قابلیت تیلت (کج شدن) آنها جهت تهیه تصاویرپوششی (استریو)می باشد.شیوه جاروب این جاروبگرها به دو صورت پوش بروم (Pushbroom) و پانکروماتیک (Panaromic) انجام می گیرد.در جاروبگرهای پوش بروم از حرکت سکو جهت جاروبهای خطی استفاده می گردد لذا خطوط جاروب عمود بر جهت پرواز می باشند.اما در جاروبگرهای پانارومیک از یک آینه دورانی استفاده می شود لذا خطوط جاروب، موازی جهت پرواز می باشند.
جاروبگرهای نوع نقطه ای ویسک بروم(wiskbroom):این جاروبگر در یک لحضه یک پیکسل زمینی را تصویر برداری می کنند.پیکسلهای تصویر در داخل هر خط تصویر بوسیله جاروب کردن در جهت عرض مسیر حرکت و بوسیله حرکت مکانیکی آیینه دوران کننده ایجاد می گرند.خط تصویر جدید نیز بوسیله حرکت سکو ایجاد می گردند.خط تصویر جدید نیز بوسیله حرکت سکو ایجاد می گردد.این جاروبگرها به کمک فیلتر ها یا دستگاه های پراکنش ساز (مانند منشور) می توانند تصویر برداری در چندین باند طیفی را انجام دهند.
سنجنده های کروماتیکالکترواپتیکی:سنجنده های تصویر برداری الکترواپتیکی که بر مبنای فن آوری اپتیک (لنز،آینه و منشور) ساخته می شوند،در محدوده 0.4 تا 2.5 میکرومتر (محدوده مرئی و مادون قرمز) از الکترومغناطیس بازتابی خورشید عمل می نمایند.این نوع سنجنده ها از لحاظ ثبت تعداد باندهای طیفی و محدودههایی از طیف الکترومغناطیس مورد نظر به سه دسته سنجنده های پانکروماتیک،چند طیفی و فرا طیفی تقسیم می گردند.عملکرد این سنجنده ها محدود به زمان روز است و تنها در شرایط جوی مساعد (عدم وجود ابر و مه غلیظ،بارش باران و برف،دود گرد و غبار غلیظ) کارایی خواهند داشت.
سنجنده های پانکروماتیک:سنجنده های پانکروماتیک امواج الکترومغناطیس را از تمام طیف مرئی (0.4 تا 0.7 میکرومتر)و بعضا تا مادون قرمز نزدیک (حدود 0.9 میکرومتر) دریافت کرده و تصاویر سیاه و سفید تولید می نمایند.
سنجنده های چند طیفی: سنجنده های چند طیفی معمولا دارای سه تا ده باند طیفی در محدوده های طیفی مرئی و مادون قرمز بازتابی (طول موجهای بین 0.4 الی 2.5 میکرومتر) می باشند.سنجنده های چند طیفی برای تفسیر بسیار مناسب هستند .
سنجنده های حرارتی :این نوع سنجندهها در پنجره های اتمسفری مربوط به طیف مادون قرمز حرارتی،حرارت گسیل یافته از عوارض و پدیدههای زمینی ثبت می کنند.اکثر این سنجنده ها معمولا در طیف حرارتی LWIR عمل می نمایند.گرچه سنجنده های حرارتی نسبت به سنجنده های الکترواپتیکی بدلیل استفاده از طول موجهای بلندتر از وضوح تصویری پایین تری برخوردارند،اما بسیار کاربردی هستند.نقشه های حرارتی مربوط به سطح زمین(LST) و سطح دریاها(SST) و نیز نقشه های آتش سوزی جنگلها از محصولات مهم تصاویر این سنجنده ها می باشند که در زمین شناسی،کشاورزی،جنگلداری و غیره کاربردهای زیادی دارند.
سنجنده های ویدئویی:مشابه سنجنده های تصویر برداری می باشند با این تفاوت که بجای تهیه تصاویر ،فیلم برداری می کنند.این سنجنده ها در یکی از سه طیف مرئی،مادون قرمز نزدیک و حرارتی عمل می نمایند.اشکارسازها در این نوع سنجنده ها از نوع لامپ های الکترونیکی بوده که سیگنالهای نوری را به سیگنال الکترونیکی تدیل می کنند.سنجنده های ویدئویی در ارتفاعهای متوسط و کم (کمتر از 8 کیلومتر) جهت شناسایی و مراقبت بکار گرفته می شوند.
سونارهای غیر فعال: این سنجنده مشابه رادیومترها عمل می کنند،با این تفاوت که با شندین امواج صوتی ساطع شده در زیر آب عمل می نمایند.سونارهای غیر فعال جهت شناسایی و مراقبت نامحسوس کاربرد دارند،امکان آشکارسازی ،تعیین موقعیت و ردیابی اهداف میسر می گردد.
انواع سنجنده های فعال:این سنجنده از مولدهای غیر طبیعی اعم از میکروویو،لیزر و صوت بهره می برند.عملکرد بدین گونه است که انرژی تولید شده به عوارض و پدیده های زمینی فرستاده شده و سپس بازتاب آنها جمع آوری و ثبت می گردد.از مهمترین ویژگی های سنجنده های فعال،قابلیت بکار گیری در تمامی مدت شبانه روز می باشد.
سنجنده های فعال از لحاظ عملکرد ،خود به دو نوع جاروب کننده و غیر جاروب کننده تقسیم بندی می شوند.
سنجنده های فعال جاروب کننده:این سنجنده ها الزاما از نوع تصویر برداری بوده و شامل دو نوع رادار(RADAR) و لیدار(LIDAR) می باشند.
سنجنده های غیر جاروب کننده: این سنجنده ها الزاما از نوع غیر تصویر برداری می باشند.از جمله انواع مهم این سنجنده ها می توان به پراکنش سنجهای میکروویو،ارتفاع سنجهای راداری و نیز سودار(SODAR) و سونار اشاره نمود.
سنجنده های تصویر برداری راداری:این سنجنده ها از امواج میکروویو جهت تصویر برداری استفاده می کنند.یک تصویر راداری در واقع نسبت انرژی بازگشتی از زمین به انرژی شده به زمین می باشد.انرژی که دوباره به سنجنده برمی گردد.انرژی بازپراکنش(Backscatter)ا یا منعکسه گفته می شود.محاسن استفاده از این سنجده ها در سنجش از دور عبارتند از:
– کنترل انرژی الکترومغناطیسی تابش شده در طول موج و قطبش های مختلف میسر است.
– تشعشاعات میکروویو در ابر و مه به سختی پخش شده و اصلا جذب نمی شود .به عبارت دیگر مشاهدات راداری مستقل از شرایط آب و هوایی است.این ویژگی برای تصویر برداری مناطقی که دارای اب و هوای نامساعد جوی هستند بسیار ارزشمند است.
– قابلیت نفوذی امواج میکروویو این سنجنده ها را قادر می سازد تا اطلاعات ویژگی های زیر سطح خاک را وقتی که چگالی خاک کم و محتوای رطوبت خاک اندک است،معین نمایند.
سنجنده های لیزری: این سنجنده ها مشابه سنجنده های رادار می باشند با این تفاوت که از پا لسهای لیزری (نور منسجم در محدوده طول موج بین 0.5 تا 1.5 میکروویو ) استفاده می کنند.جاروبگر لیزری پالسهای لیزری را ارسال می کند و سپس شدت پالس لیزری برگشتی از عوارض مختلف بصورت تابعی از زمان توسط یک تلسکوپ بزرگ اندازه گیری می شود.از کاربردهای این سنجنده می توان به شناسایی اهداف ،اشکار سازی امواج الکترومغناطیس و آشکار سازی و آنالیز عوامل شیمیایی و بیولوژیکی اشاره کرد.اندازه گیری دقیق ارتفاعات از ویژگی های اصلی سنجنده های لیزری می باشد.در عمل دو نوع سنجنده لیزری وجود دارد :سیستم توپوگرافیک (LIDAR) و سیستم عمق سنجی.
سیستم توپوگرافیک(LIDAR) :سنجنده های لیدار از مادون قرمز نزدیک (طول موج حدود 1.05 میکرومتر) جهت تصویر برداری از سطح زمین استفاده می کنند.از جمله کاربردهای این سنجنده ها می توان به مدلسازی سه بعدی شهرها،تهیه مدل ارتفاعی زمین و باستان شناسی اشاره نمود.
سیستم عمق سنجی(Bathymetry):این سنجنده ها لیزر مادون قرمز نزدیک و لیزر سبز جهت تعیین عمق آب به صورت غیر تصویر برداری استفاده می کنند.
سونارها و سودارهای فعال: سودارها و سونارهای فعال مشابه سنجنده های راداری عمل کرده با این تفاوت که از امواج صوتی استفاده می کنند.عملکرد سنجنده های سودار و سونار بسیار نزدیک بهم می باشد.اختلاف اندک سونار و سودار در این است که سونار در محیط آبی و سودار در محیط هوا کار می کند.سودارها عمدتا جهت مطالعات جوی(تعیین جهت و سرعت وزش باد،وارونگی هوا) و در فرکانس حدود یک تا چهار کیلوهرتز استفاده می شوند.
توان تفکیک مکانی(Spatial Resolution):اندازه کوچکترین عارضه ای است که می تواند در تصویر آشکار سازی گردد.این شاخص تابعی از اندازه پیکسل زمینی تصویر برداری می باشد.
2-3-1) اتمسفر
امواج در دو مرحله تابش و بازتابش از اتمسفر عبور می کنند و این موضوع باعث می شود تا تغییراتی در انرژی الکترومغناطیس ثبت شده صورت پذیرد. همان طور که قبلاً ذکر شد این انرژی الکترومغناطیس ثبت شده است که ما را به اطلاعات در مورد اشیاء زمینی می رساند، بنابراین این تغییرات را باید در راستای دستیابی به اطلاعات درست مورد بررسی قرار دهیم.
3-3-1) شیء زمینی
شیء زمینی (Object) همان چیزی است که اطلاعات را در مورد آن بدست می آوریم.
4-3-1) سنجنده
سنجنده اطلاعات را حس کرده و به داده های قابل ذخیره سازی تبدیل می کند. همان طور که قبلا ذکر شد سنجنده می تواند بصورت فعال و یا غیرفعال باشد. بسته به نوع سنجنده تصاویر مختلفی از جمله تصویر سیاه و سفید (Panchromatic)، چند بانده (Multiband) و یا رادار (Radar) قابل تهیه می باشند.
Frame type: همه CCD ها به صورت هم زمان برداشت می کنند.برای کل تصویر یک مرکز تصویر وجود دارد و در نتیجه هم بدست آوردن عناصر توجیه داخلی راحتتر بوده و هم تصویر از استحکام هندسی بالایی برخوردار می باشد.
Push broom: CCD ها به صورت خطی تصویربرداری می کنند، برای هر خط یک مرکز تصویر وجود دارد در نتیجه تعداد پارامترهای توجیه داخلی بیشتر شده و باعث می شود که تصویر از استحکام هندسی کمتری برخوردار باشد.
Whiskbroom: هر CCD به صورت جداگانه تصویربرداری می کند، برای هر پیکسل یک مرکز تصویر وجود دارد در نتیجه تعداد پارامترهای توجیه داخلی خیلی بیشتر شده و باعث می شود که تصویر از استحکام هندسی کمتری نسبت به تصاویر Push broom برخوردار باشد.
5-3-1) پایگاه زمینی
در این قسمت اطلاعات جمع آوری شده و پردازش های لازم بر روی آنها صورت گرفته ( خطاها از میان می روند ) و محصول نهایی تولید می شود، این محصول نهایی در تولید نقشه و یا در بخش GIS مورد استفاده قرار می گیرد.
المان های سنجش از دور
کاربرد های سنجش از دور
– نظارت بر محیط زیست ( تصاویر Motion که از NOAA بدست امده چگونگی حرکت ابرها و اب هوا را نشان می دهند.)
– مطالعه جو و اقلیم زمین
– مطالعه دمای سطح اب ها (انهایی که با امواج حرارتی کار می کنند)
-Change Detection : مربوط به زمین های کشاورزی (مهمترین کاربرد)
– کاربرد در جنگل داری
– کاربرد در منابع اب
– کاربرد در کشاورزی
– کاربرد در نقشه برداری ، برنامه ریزی و طراحی شهری (تهیه DEM و DSM )
– کاربرد در زمین شناسی
تهیه مدل رقومی ارتفاعی:
تعریف مدل ارتفاعی زمین: نمایش آماری سطح پیوسته زمین به وسیله تعداد زیاد نقطه با Z ،Y ،X معلوم در یک سیستم مختصات دلخواه. اگر این سیستم مختصات زمینی باشد، DTM خواهیم داشت.
تهیه DTM:برای تهیه DTM به یک سری نقاط نمونه و یک تابع و یا مدل ریاضی نیاز داریم.
نقاط نمونه: چون شکل زمین به صورت پیوسته می باشد امکان قرائت بیشمار نقطه با Z ،Y ،X معلوم به سوی سطح آن میسر نمی باشد، بنابراین از یک سری نقاط انتخابی (نمونه) به منظور نمایش سطح از آن بهره می جویند. این نقاط را می توان به صورت منظم و یا نامنظم انتخاب نمود و در ضمن فاصله میان آنها و تعیین سیستم مختصاتی که مختصات این نقاط در آن قرائت می شود بسیار حائز اهمیت است.
مدل ریاضی: در DTMبعد از انتخاب نقاط نمونه، ما به یک تابع جهت پر نمودن فاصله میان نقاط نیازمندیم تا یک سطح پیوسته را به وجود آوریم. بعد از انجام این عملیات ها، مختصات Z هر نقطه مشروط به این است که بر روی سطحی که بصورت ریاضی با استفاده از نقاط نمونه تعریف کرده ایم، قرار می گیرد یا خیر.
مراحل یک پروژه سنجش از دور:
1- هدف
در این مرحله مانند تمام پروژه های دیگر ابتدا باید هدف را مشخص نماییم.
2- انتخاب سنجنده مناسب
سپس در راستای تامین این هدف باید نوع سنجنده را مشخص نماییم.
3- انتخاب زمان مناسب
که به طور مثال در مکان هایی که بارش برف زیاد است بهترین زمان تصویر برداری اوایل پاییز است و برای مکان های مرطوب بهترین زمان مربوط به موقعی است که ابر کمتری وجود داشته باشد. علاوه بر این المانهای مربوط به تفکیک پذیزی اهداف هم مورد نظر قرار می گیرد، به عنوان مثال دو محصول زراعی مختلف در سن مشخصی از رشد در باندهای تصویر برداری تفکیک پذیر خواهند بود.
4-پردازش
در این مرحله با پردازش داده های جمع آوری شده می توانیم اطلا عات مورد نیازمان را استخراج نماییم.
5- استخراج اطلاعات
روش های متفاوتی برای این امر وجود دارد، که در ذیل به برخی از آنها اشاره شده و برخی دیگر به تفضیل مورد بررسی قرار گرفته اند.
1-5-1) برش درجات خاکستری
در این روش، با استفاده از توابع پله ای می توان یک سری از عوارض را به صورت ریزتر نمایش دارد. برای مثال بعد از استخراج حدود کلاس آب می توان براساس عمق در قسمت های مختلف آن را به کلاس های جزئی تری تقسیم نماییم.
1-1-5-1) برش درجات خاکستری
2-5-1) محاسبه باندی
این مورد را می توان هم جزء قسمت بارزسازی و هم جزء استخراج اطلاعات در نظر گرفت. در محاسبات باندی به کمک انجام عملیات جیری بین درجات خاکستری یک پیکسل در باندهای مختلف به یک عدد جدید می رسیم که با توجه به نوع تعریف محاسبات می تواند نمایانگر هدف خاصی در تصویر باشد. ابتدا یک شاخص را تعریف می نماییم، سپس آن را بر روی تمام پیکسل ها اعمال می نماییم. بعد از اعمال شاخص، یک حد آستانه ای بر روی آن قرار می دهیم، تا عارضه و یا عوارض مورد نظرمان را استخراج نماییم.
3-5-1) قطعه بندی
اولین گام در این روش استخراج لبه ها با استفاده از فیلدهای استخراج لبه می باشد این مرحله تحت عنوان شناسایی لبه (edge detection) معروف است. بعد از آن باید تشخیص دهیم که در اثر اتصال کدام یک از پیکسلها به هم شکل هندسی یک عارضه خاص حاصل می شود. این مرحله را تحت عنوان اتصال لبه ها (edge linking) داریم. بعد از این مرحله پیکسهای محدود شده به لبه ها، یک قطعه را تشکیل می دهند.
1-3-5-1) قطعه بندی
4-5-1) طبقه بندی
این روش که از مهمترین روش های استخراج اطلاعات است بعد از انجام طبقه بندی هر پیکسل در یک کلاس که نمایانگر یک عارضه خاص است، قرار می گیرد.
1-4-5-1) قطعه بندی
البته در عملیات های پردازش تصویر ابتدا باید بدانیم که آنالیز داده ها در چه فضایی صورت می پذیرد.
1. فضای مکانی: در این فضا، اطلاعات بافت تصویر قابل کمی سازی است، بحث همسایگی و شکل و تصویر هندسی منجر به شناخت عوارض در این فضا می شود. این فضا بیشتر در کارهای فتوگرامتری و تفسیر بصری بعدی مورد استفاده است.
2. فضای طیفی: این فضا به واسطه وجود سنجنده هایی با وضوح طیفی متوسط و بالا تشکیل می شود، در این فضا یک پیکسل به شکل یک بردار تعریف می شود.
در این فضا می توانیم مفاهیم فیزیکی یک پدیده را به خوبی تفسیر نماییم، بدین صورت که تشخیص دهیم طیف پیکسل مورد نظر با کدام یک از طیف های کتابخانه ای یکسان می باشد و از این طریق کلاس پیکسل مربوطه را تعیین نماییم.
3. فضای ویژگی: در این فضا، تمام پیکسها در یک فضای چند بعدی به صورت بردار نمایش داده می شوند. این فضا یک فضای محاسباتی بوده و در آن پیکسل های عضو یک کلاس واحد دور هم جمع می شوند و پیکسل های متعلق به کلاس های مختلف از هم فاصله می گیرند. هرچقدر این فواصل بزرگ تر باشد، نشان می دهد کلاس ها به خوبی از هم تفکیک شده اند، فضای ویژگی به عنوان ابزار قدرتمندی برای آنالیز داده ها می باشد.
طبقه بندی به دو روش مختلف انجام می شود، که این روش ها عبارتند از:
1-4-5-1) طبقه بندی نظارت شده
در این روش از داده های آموزشی جهت محاسبه پارامترها و مرز جدا کننده کلاس ها و تصمیم گیری در مورد تعیین کلاس یک پیکسل استفاده می شود و داده های چک به منظور بررسی صحت نتایج بکار گرفته می شوند.
البته این روش خود به دو شیوه متفاوت پارامتریک و غیرپارامتریک صورت می پذیرد.
در روش پارامتریک، پارامترهای آماری کلاس ها قابل محاسبه اند ولی در روش غیرپارامتریک پیش فرض های اولیه و توزیع آماری داده ها معلوم نمی باشد.
در ذیل نمونه هایی از این طبقه بندی به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است:
1. روش پارامتریک کمترین فاصله اقلیدسی:
برای تعیین کلاس پیکسل j ام فاصله آن را با میانگین (کلاس هایی که با استفاده از داده های آموزشی تعیین کرده ایم) بدست آورده و کمترین فاصله را تعیین می نماییم. پیکسل j عضو همان کلاسی خواهد شد که کمترین فاصله را با میانگین اش دارد.
2. روش پارامتریک بیشترین شباهت:
در این روش پیکسل j عضو کلاسی است که بیشترین احتمال را برای حضور در آن کلاس داشته باشد.
3. روش غیرپارامتریک Parallel Pipe
در این روش کسترین و بیشترین مقدار کلاس هایی که از داده های آموزشی به دست آمده اند، در باندهای مختلف تعیین شده و پیکسل موردنظر در کلاس واقع خواهد شد که مقدار درجه روشنایی اش بین مقادیر کمتر و بیشتر کلاس مربوطه در باندهای مختلف باشد.
Neural Network و K-nearest neighbor از دیگر روش های طبقه بندی نظارت شده غیرپارامتریک می باشند.
2-4-5-1) طبقه بندی نظارت نشده
در این روش نظارتی برفرآیند طبقه بندی وجود ندارد و هیچگونه نمونه آموزشی ای در اختیار ما نیست، تنها چیزی که در اختیار ماست تصویر منطقه و اطلاعات تجربی (مثل بازدید از منطقه و یا استفاده از نقشه آن) است.
از نمونه های این روش می توان به خوشه بندی K means، روش ISO Data اشاره نمود.
1. روش خوشه بندی K means:
در این روش ابتدا با توجه به شناخت کلی از منطقه تعدادی کلاس تعیین می کنیم، سپس برای هر کلاس یک نماینده به درست یا غلط انتخاب می کنیم. در مرحله بعد هر پیکسل در تصویر به نزدیکترین مرکز کلاس اختصاص می یابد و بر این اساس دوباره مراکز جدید برای کلاس ها تعیین می شود. این مراحل را آنقدر تکرار می کنیم تا برای مثال 99% پیکسل ها در کلاس خود باقی بمانند.
2. روش ISO Data:
در این روش علاوه بر مراحل طی شده در روش K means دو مرحله دیگر را نیز باید طی کرد. اولین مرحله ترکیب کلاس های با میانگین نزدیک به هم و حذف کلاس هایی است که تعداد اعضای آن ها از درصد خاصی کمتر است. و دومین مرحله تجزیه کلاس هایی که انحراف معیارشان از مقدار خاصی بیشتر است به کلاس های کوچک تر می باشد. حال نوبت به این می رسد تا صحت طبقه بندی انجام شده را تعیین نماییم. برای تعیین صحت طبقه بندی از ماتریس ابهام استفاده می کنیم.
6-1) ماتریس ابهام
تشکیل ماتریس ابهام با استفاده از پیکسل هایی که کلاس آن ها مشخص است، انجام می گیرد، بدین ترتیب که با تشکیل ماتریس ابهام مشخص می شود که برای مثال از 30 پیکسلی که مطمئنا" عضو کلاس آب هستند بعد از طبقه بندی چه تعدادی در کلاس آب، و چه تعدادی در کلاس های دیگر قرار گرفته اند. علمیات مشابه را برای داده های آموزشی از کلاس های دیگر نیز تکرار شده و بدین صورت صحت کلی، خطای حذفی هر کلاس، خطای مرتکب شده هر کلاس و صحت محصول را تعیین می شود. در یک نمونه از 40 پیکسل شهری، 30 پیکسل آب، 30 پیکسل جنگل آموزشی بعد از یک طبقه بندی ماتریس ابهام زیر را خواهیم داشت:
کلاس
شهری
آب
جنگل
جنگل
15
14
28
آب
5
15
1
شهری
20
1
1
100
40
30
30
در اینجا بجاست تا به یکی از بخش های مهم پردازش تصویر با عنوان بارزسازی تصویر اشاره نماییم.
7-1) بارزسازی تصویر
مجموعه عملیاتی که روی تصویر انجام می گیرد تا اجسام نسبت به هم متمایز شوند، بارزسازی تصویر نامیده می شود. بعد از انجام این عملیات اصطلاحاً کمتراست تصویر بالا رفته و تصویر یک تصویرsharp می شود. بسته به اینکه تصویر ما از چه نوعی باشد عملیات بارزسازی تغییر خواهد کرد. در تصاویر یک بانده بارزسازی ممکن است توسط عملگر های نقطه ای و یا خطی صورت پذیرد.
بارزسازی تصاویر
ماهواره های سنجش از دور:
• Landsat
• SPOT
• Ikonos
• AVHRR
• Seawifs
• GOES
• Meteosat
• Terra EOS Satellite (ASTER, MODIS, CERES, MOPITT, MISR)
• Radarsat
• ESA Satellites (ERS, ATSR)
• India Satellites (IRS, LISS, OCM)
• Japanese Satellites (JERS, ADEOS, AVNIR, OCTS, MOS, ALOS)
• Russian Satellites (Priroda, etc)
LANDSAT
• Swath Width: 185 km
• Repeat Cycle 16 days
• Orbit Altitude: 705 km
• Equatorial Crossing: at around 10 a.m. local solar time
Spectral Bands of Landsat-7
Landsat Program Summary
SPOT 4 Characteristics
Spatial resolution (m)
Spectral range (µm)
Band (m)
20
.500 – .590
B1 (Green)
10 and 20
.610 – .680
B2 (Red)
20
.790 – .890
B3 (Near IR)
20
1.58 -1.75
SWIR (MIR)
IKONOS
Launch Date:1999
Ground resoulation:1m in pan
Ground resoulation:4m multispectral
Nominate Swath Width:11 KM at Nadir
Orbital Information:
Altitude:681 KM
Speed:4 Miles Per Second
Revisit Frequncy
2.9 Days at 1 meter Resoulaton
1.5 Days at 1.5 meter Resoulaton
Orbit time:98 Min
Vienna, Austria (full) April 2000
GOES
• The GOES series of satellites is the primary weather observation platform for the United States.
• The latest generation, GOES I-M, represent an advance in data products for weather forecasting and storm warnings over the previous series of geostationary satellites.
• GOES I-M is a 3-axis stabilized system vs. the older spin-scan system, providing more accurate geo-location of earth images.
METEOSAT
• Europe's geostationary weather observation satellite
• Meteosat was launched in November 1993.
• The 4 channel, 3-spectral-band high resolution radiometer constitutes the main payload on board Meteosat.
• The radiometer scans in 3 spectral bands: Visible, Infrared, and Water Vapor.
The instrument allows continuous imaging of the Earth with images sent
RADARSAT
Canadian Space Agency
RADARSAT Specifications
SAR Characteristics
Frequency / Wavelength 5.3GHz/C-band 5.6 cm
RF Bandwidth 11.6, 17.3 or 30.0 Mhz
Transmitter Power (peak) 5 kW
Transmitter Power (average) 300 W
Maximum Data Rate 85 Mb/s (recorded) – 105 Mb/s (R/T)
Antenna Size 15m x 1.5m
Antenna Polarization HH
Orbit Characteristics
Altitude 793-821 kilometres
Inclination 98.6 degrees
Period 101 minutes
Ascending node 18:00 hours
Sun-synchronous 14 orbits per day
Coverage Access Using Maximum Swath Width
North of 70 degrees N Daily
North of 48 degrees N Every 4 days
The Whole Earth Every 6 days
RADARSAT Specifications (cont.)
Imaging Modes
MODE NOMINAL NO. OF SWATH INCIDENCE
RESOLUTION (m) POSITIONS/BEAMS WIDTH (km) ANGLES (degrees)
Fine 8 15 45 37-47
Standard 30 7 100 20-49
Wide 30 3 150 20-45
ScanSAR Narrow 50 2 300 20-49
ScanSAR Wide 100 2 500 20-49
Extended(H) 18-27 3 75 52-58
Extended(L) 30 1 170 10-22
ESA Satellites
and
Earth Observation System
ATSR (Along Track Scanning Radiometer)
• Objective: sea surface temperature, cloud observations, land and ice surface emissivity
• Spectral channels: 4 co-registered channels at 1.6, 3.7, 10.8 and 12 micro-meter
• IFOV: 1 km x 1 km (nadir), 1.5 km x 2 km (forward view)
• Swath width: 500 km
MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)
• NASA, Terra & Aqua
– launched 1999, 2002
– 705 km polar orbits, descending (10:30 a.m.) & ascending (1:30 p.m.)
• Sensor Characteristics
– 36 spectral bands ranging from 0.41 to 14.385 µm
– cross-track scan mirror with
2330 km swath width
– Spatial resolutions:
> 250 m (bands 1 – 2)
> 500 m (bands 3 – 7)
> 1000 m (bands 8 – 36)
– 2% reflectance calibration accuracy
– onboard solar diffuser & solar diffuser stability monitor
India Satellites and Earth Observation System
IRS-1C
The earliest Indian satellite IRS-1C was launched in December 1995 and carried instruments with both high and medium spatial resolutions.
IRS-P3 is a purely research satellite, successfully launched 21 March, 1996 with WiFS sensor such as IRS-1 C/D with SWIR band at resolution 188 x 246 meter.
IRS-P4 (OCEANSAT-1) was successfully launched 26 May, 1999. The satellite is equipped with two instruments:
OCM ( Ocean Color Monitor )
• Sun synchronous at an altitude of 720 km.
• Operating in eight narrow spectral bands, 0.400 – 0.885 micrometer,
• A resolution of 350 m and a swath of 1420 km
• Used to collect data on chlorophyll concentration, detect and monitor phytoplankton blooms and obtain data on atmospheric aerosols and suspended
sediments in the water.
MSMR ( Multifrequency Scanning Microwave Radiometer ).
• A swath of 1360 km
• Operating in four microwave frequencies both in vertical and horizontal polarization
• Used to collect data on sea surface temperature, wind speed, cloud water content and water vapor content in the atmosphere above the ocean.
JERS-1
(Japanese Earth Resources Satellite)
1. Objective:
Gather data on global land masses while conducting observation for land surveys, agricultural-forestry-fisheries, environmental protection, disaster prevention and coastal surveillance, with emphasis on locating natural resources.
2. Operation Time :
1992 – 1998
3. Sensors:
• SAR (Synthetic Aperture Radar) which is an active microwave sensor
• OPS (Optical Sensor) that measures light reflected from the earth's surface ranging from visible light to short-wave infrared light.
AVNIR
(Advanced Visible Near Infrared Radiometer
Measurement Objectives: Land and Coastal Zone
Scanning Method : Electronic(CCD)
Wavelength: Visible( 3 Bands),Near-infrared(1)
Panchromatic-Band (visible): 1Bands
Spatial Resolution: 16m, Panchromatic-Band:8m
Swath Width: 80km
OCTS (Ocean Color and Temperature Scanner)
Measurement Objectives: Ocean Color and Sea Surface Temperature
Scanning Method: Mechanical
Wavelength: Visible: 6 Bands, Thermal-infrared:3 Bands,
Middle-infrared: 1 Bands
Spatial Resolution: 700m
Swath Width: 1400km
MOS (Marine Observation Satellite MOS-1 / MOS-1b)
1. Objective:
Japan's first marine observation satellite, was launched as a link in a global satellite observation system for more effective natural resource utilization and for environmental protection.
2. Operation Time:
1987 – April 1996
3. Sensors:
• MESSR ( Multi-spectral Electronic Self-scanning Radiometer )
An electronic scanning radiometer that observes solar light reflected from the earth surface. It is equipped with two camera systems that are set parallel to the satellite's flight direction.
• VTIR (Visible and Thermal Infrared Radiometer )
Using a rotating scanning mirror, the VTIR mechanically scans from right to left at right angle to the satellite's flight direction.
• MSR ( Microwave Scanning Radiometer )
A radio sensor scanning the earth surface along the flight path with its rotating dish antenna.
ساختار کلی ماهواره:
ساختمان هر ماهواره از دو قسمت اصلی به نامهای Bus (گذر گاه یا سکو) و Payload(محموله) تشکیل می گردد.منظور از محموله تجهزاتی است که جهت انجام ماموردیت ماهواره ساخته شده است،در حالیکه سکو علاوه بر اینکه وظیفه حمل محموله را بر عهده دارد ،دارای زیر سیستم هایی است که وظایف متنوعی را جهت پشتیبانی و سرویس دهی به محموله انجام می دهند.
بخش سکو:
بخش سکو علاوه بر اینکه بدنه مکانیکی ماهواره را در بر می گیرد ،شاما چندین زیر سیستم زیراست:
– کنترل وضعیت مدار:وظیفه این زیر سیستم تعیین ،تصحیح و کنترل وضعیت ماهواره در مدارش می باشد.این زیر سیستم از اهمیت بسیاری برخوردار است .در صورت نبود این زیر سیستم ماهواره های تصویر برداری قادر به توجیه سنجنده های خود نسبت به زیمن نخواهد بود.
– انرژی :وظیفه این بخش فراهم نمودن توان لازم تجهیزات الکترونیکی و مخابراتی ماهواره است.که بیشتر از پالسهای خورشیدی استفاده می شود.
– کنترل حرارت: ماهواره ها در معرض تابشهای شدید خورشید و نیز تا حدودی زیمن ناشی از انعکاس نور خورشید قرار دارند.از آنجاییکه عملکرد اکثر ماهواره ها بایستی در دماهای پایدار صورت گیرد ،لذا استفاده از روکش و عایق حرارتی و سیستم های فعال کنترل کننده دما در ماهواره ها ضروری است.
– تله متری ،ردیابی و فرمان:این زیر سیستم که مغز ماهواره است ،چندین وظیفه اساسی بر عهده دارد .منظور از تله متری کلیه عملیات تولید سیگنالهای الکتریکی متناسب با کمیتهای اندازه گیری شده و رمز نگاری و ارسال آن به ایستگاههای زمینی می باشد.دادههایی که بصورت سیگنالهای تله متری ارسال می گردد شامل اطلاعات وضعیت ماهواره ،اطلاعات محیطی (مانند شدت و جهت میدان مغناطیسی ،تصاویر تولید شده و …) و اطلاعات ماهواره (دما،ولتاژ منبع انرژی ،میزان انرژی ذخیره شده و…) می باشد.زیر سیستم های فرمان نیز سیگنالهای فرمان ارسال شده از ایستگاههای زمینی را دریافت و رمز گشایی می کند و دستورات را برای تجهیزات مربوطه (سنجنده های تصویر برداری،انتن های مخابراتی و…) توزیع می کند.رد یابی ماهوراه در مدارش نیز با ارسال سیگنالهای Beacon ماهواره به ایستگاه زمینی صورت می گیرد.این عملیات در مراحل مختلف پرتاب ماهواره بسیار حائز اهمیت است.با انجام ردیابی امکان اندازه گیری های حرکت مداری ماهواره و ارسال سیگنالهای تصحیح مداری میسر می گردد.
– آنتن:انتهای مخابراتی به ماهواره چسبیده بوده و دو وظیفه اساسی ارسال و دریافت سیگنالها را بر عهده دارد دارند.آنتها با سیستم TTC (Telemetry,Tracking And Command) ارتباط مستقیم دارند.
بخش محموله:این بخش شامل سنجنده های مختلف سنجش از دور می باشد.بخش محموله در ماهواره های سنجش لز دور شامل سنجنده های تصویر برداری مختلف می باشد.
مدار ماهواره :اصولا هر شئ واقع در فضای زمین(بالاتر از 100 کیلومتری سطح دریا) بدلیل نیروهای جاذبه و گریز از مرکز زمین،طبق قانون کپلر در یک مسیر بیضی شکل به نام مدار،دور زمین می چرخد.6 پارامتر مداری که به عناصر کپلری معروف هستند ،پارامترهای اصلی مدار ماهواره را تشکیل می دهند.
موقعیت هر جسم در فضا به وسیله 6 پارامتر مشخص می شود به بیان دیگر شش راه وجود دارد که این جسم(در اینجا ماهواره) نسبت به یک جسم ثابت (در اینجا زمین) می تواند موقعیتش تغییر کند. پس برای تعریف یک مدار ایده ال برای ماهواره شش پارامتر، معروف به پارامترهای کپلری به ترتیب زیر تعریف می شوند:
بعد نقطه گرهی( ) و زاویه میل مدار ماهواره(i) و زاویه آرگومان پریجی( ) نصف قطر اطول بیضی مسیر حرکت(a) و خارج از مرکزیت مدار حرکت(e)و آنامولی متوسط(M)
قانون اول کپلر:
مدار حرکت ماهواره ها ، بیضی شکل است و زمین در یکی از کانونهای آن قرار دارد.
قانون دوم کپلر:
ماهواره در مدار خود دارای سرعت سطحی ثابتی می باشد.
قانون سوم کپلر:
نسبت مربع پریود ماهواره به مکعب نصف قطر اطول بیضی مدار ماهواره برای همه ماهواره ها ثابت می باشد.
انواع مدارها:
انواع اصلی مدارهای ماهواره ها شامل مدار زمین ثابت(GEO) ،ارتفاع پایین (LEO) ،ارتفاع متوسط (MEO) و بیضی کشیده (HEO) می باشد.
مدار زمین ثابت(GEO): هر مدار یکه دارای دوره تناوب 24 ساعت (پریود حرکت دورانی زمین) باشد،زمین آهنگ (Geosynchronous)نامیده می شود.مدار زمین آهنگی که بطور پیوسته بالای یک منقطه مشخص از کره زمین قرار گیرد،زمین ثابت نامیده می شود.با توجه به قوانین کپلر ،مدار زمین ثابت تنها یک مدار دایره ای در فاصله 35786 کیلومتری از سطح زمین است که دارای زاویه میل صفر درجه نسبت به استوا می باشد.
از معایب این نوع مدار جهت تصویر برداری ماهواره ای ،می توان به عدم پوشش مناطق قطبی و پایین بودن توان تفکیکی مکانی (بدلیل ارتفاع بسیار زیاد ) اشاره نمود.
کاربرد اصلی مدار زیمن ثابت در زمینه های مخابراتی و هواشناسی می باشد. ماهواره های تصویر برداری هواشناسی واقع در این مدار شامل GOES-E و GEOS-W آمریکا ،InSat(هند)،GMOS(روسیه)،MeteoSAT (اروپا)می باشند.
مدار ارتفاع پایین (LEO):این نوع مدار محدوده ارتفاع بین 200 تا 2000 کیلومتری را شامل می شود.
مدار خورشید آهنگ: از لحاظ علمی هرگاه انحراف زاویه گرهی صعودی صفحه مداری ماهواره به میزان 0.9856 درجه و به سمت شرق باشد،ان مدار خورشید آهنگ خواهد بود زیرا در طی یک سال (365.24) زاویه گرهی صعودی مدار ماهواره 360 درجه را می پیماید.اصطلاحا مدار ماهوراه و خورشید هماهنگ می شود.در این صورت ماهواره همواره در یک زمان محلی خورشیدی ثابت در هر منطقه مشخص زمین عبور خواهد نمود.مدار خورشید آهنگ تقریبا دایره ای بوده و دارای مداری بین 300 تا 900 کیلومتر می باشد. همچنین در این مدار تعداد دور چرخش ماهواره در یک شبانه روز 14 الی 16 بار می باشد. از آنجاییکه میل مداری ماهواره بین 95 تا 104 درجه می باشد،به این نوع مدارات ،مدارات نزدیک قطب(Near Polar Orbits) می گویند.اکثر ماهواره های سنجش از دور دارای این نوع مدار می باشند.