تصحیحات توپوگرافی - Topographic Correction

اگر به تصاویر اپتیک در مناطق کوهستانی دقت کرده باشید ظاهر ناهمگونی در ترکیب رنگی آن مشاهده می شود. این به دلیل اثر توپوگرافی و سایه در مناطق کوهستانی می باشد. اگر ما اثر توپوگرافی تصحیح کنیم به آن Topographic Correction خواهند گفت. یکی از پیش پردازش هایی که برای صحت بیشتر در استخراج در مناطق کوهستانی مد نظر قرار میگیرد تصحیحات توپوگرافی - Topographic Correction می باشد. در این مقاله شما را با مفاهیم پایه و انواع روش آن آشنا خواهیم کرد.

در تحلیل تصاویر ماهواره‌ ای که از مناطق کوهستانی برداشت شده است، یکی از چالش‌ های اساسی پیش‌ پردازش تصاویر اپتیک، اثر توپوگرافی بر مقادیر بازتاب سطحی ثبت‌شده توسط سنجنده است. شیب، جهت و ارتفاع زمین باعث می‌ شوند که یک پوشش زمینی یکسان در دو موقعیت متفاوت، مقادیر طیفی کاملاً متفاوتی نشان دهد. این مقاله به بررسی مفهوم تصحیح توپوگرافیک، جایگاه آن در مباحث پیش‌ پردازش، روش‌های اصلی موجود و معیار های ارزیابی عملکرد آن‌ ها می‌پردازد.

آموزش پیشنهادی: آموزش جامع و پروژه محور ENVI

تصحیحات توپوگرافی - Topographic Correction

سنجش از دور به عنوان یکی از ابزار های کلیدی در پایش محیط زیست، مدیریت منابع طبیعی و مطالعات اقلیمی، وابستگی زیادی به دقت و صحت داده‌ های طیفی دارد. اما این داده‌ ها پیش از آنکه به دست محقق برسند، تحت تأثیر عوامل متعددی قرار می‌گیرند که یکی از مهم‌ترین آن‌ ها در مناطق کوهستانی، اثر توپوگرافی است. در مناطق کوهستانی، زاویه تابش خورشید نسبت به هر نقطه از سطح زمین متفاوت است. دامنه‌ هایی که رو به خورشید هستند، انرژی بیشتری دریافت کرده و روشن‌ تر به نظر می‌رسند، در حالی که دامنه‌ های پشت به خورشید، تاریک‌تر ثبت می‌شوند( حتی اگر پوشش زمینی هر دو کاملاً یکسان باشد).

این اثر توپوگرافی یک سری تاثیرات بر روی تصویر می گذارید:

• طبقه‌بندی پوشش زمین
• تحلیل سری زمانی
• تصاویر مقایسه تصاویر چندسنجنده‌ ای
• استخراج پارامترهای بیوفیزیکی

به صورت کلی : اصلاح توپوگرافی (Topographic Correction) فرآیندی در سنجش از دور است که برای حذف یا کاهش تأثیرات توپوگرافی بر سیگنال‌ های ثبت‌ شده توسط سنجنده اپتیک ماهواره‌ ای به کار می‌رود. در مناطق کوهستانی، پوشش‌های سطحی یکسان بسته به جهت شیب نسبت به خورشید، ممکن است روشن‌تر یا تاریک‌تر دیده شوند که این موضوع باعث بروز مشکلاتی در طبقه‌بندی تصاویر و ارزیابی‌های موضوعی می‌شود.

آیا Topographic Correction پیش پردازش است؟

تصحیح توپوگرافیک (Topographic Correction) بدون شک یکی از مراحل کلیدی و تعیین‌کننده در پیش‌پردازش (Pre-processing) تصاویر ماهواره‌ ای است که نقش واسط میان داده‌ های خام و خروجی‌ های تحلیلی دقیق مانند طبقه بندی  را ایفا می‌کند. این فرآیند بخشی از یک زنجیره منطقی و متوالی است که با تصحیح رادیومتری آغاز می‌شود؛ در این گام نخست، مقادیر عددی دیجیتال (DN) ثبت‌ شده توسط سنجنده های ماهواره ای به واحد های فیزیکی استاندارد یعنی رادیانس یا بازتاب سطحی  تبدیل می‌شوند.

پس از آن، نوبت به تصحیح اتمسفری می‌رسد که در آن اثرات ناخواسته جوی مانند پراکندگی و جذب نور توسط ذرات معلق حذف می‌گردد تا بازتابندگی واقعی سطح زمین (Surface Reflectance) استخراج شود. بدون انجام این مراحل اولیه، هرگونه تحلیل طیفی اعتبار علمی خود را از دست می‌دهد. در حلقه سوم این زنجیره، تصحیح هندسی قرار دارد که وظیفه آن موقعیت‌ دهی دقیق مکانی پیکسل‌ ها بر روی سطح زمین است. این مرحله با استفاده از نقاط کنترل زمینی (GCP) و مدل رقومی ارتفاع (DEM) انجام می‌شود تا تصویر با مختصات واقعی زمین منطبق گردد.

نکته بسیار مهمی که اغلب نادیده می‌گیرند، تفاوت تصحیح هندسی با تصحیح توپوگرافیک است؛ تصحیح هندسی تنها به اصلاح مکان پیکسل‌ها می‌پردازد، اما تصحیح توپوگرافیک مستقیماً مقدار بازتاب پیکسل‌ ها را اصلاح می‌کند. بنابراین، صرف استفاده از DEM در فرآیند زمین‌ مرجع کردن، به معنای انجام اصلاح توپوگرافیک نیست.

در نهایت، نوبت به مرحله حیاتی تصحیح توپوگرافیک می‌رسد که تفاوت یک کار حرفه‌ ای را با پردازش‌های عمومی مشخص می‌کند. در نواحی کوهستانی، ناهمواری‌ ها باعث می‌ شوند که شیب‌ های رو به خورشید بسیار روشن و شیب‌ های در سایه بسیار تاریک دیده شوند که این پدیده منجر به خطای شدید در طبقه‌بندی می‌ شود. تصحیح توپوگرافیک با حذف اثرات فیزیکی زاویه تابش خورشید نسبت به شیب و جهتِ سطح زمین، بازتابندگی واقعی پوشش‌های سطحی را بازیابی می‌کند.

مبانی فیزیکی تصحیح توپوگرافیک

اساس اصلاح توپوگرافی در تصاویر ماهواره‌ای، درک دقیق تعامل میان هندسه تابش خورشید و ناهمواری‌ های سطح زمین است. مفهوم کلیدی در این میان زاویه تابش محلی است؛ برخلاف زاویه زنیت خورشید که برای کل تصویر عددی ثابت در نظر گرفته می‌شود، زاویه تابش محلی برای تک‌ تک پیکسل‌ها بر اساس تغییرات شیب و جهت سطح زمین متفاوت است.

این زاویه از طریق رابطه ریاضی وابسته به کسینوسِ زاویه زنیت خورشید، زاویه شیب زمین، آزیموت خورشید و جهت شیب محاسبه می‌شود. از نظر فیزیکی، هرچه مقدار کسینوس زاویه تابش محلی بزرگ‌تر باشد، به این معناست که آن پیکسل خاص در معرض تابش مستقیم‌ تری قرار دارد و در نتیجه، بازتابندگی (Reflectance) ثبت‌ شده توسط حسگر نیز به مراتب بالاتر خواهد بود.

برای پیاده‌ سازی این محاسبات فیزیکی، تکیه بر مدل‌های رقومی ارتفاع (DEM) اجتناب‌ناپذیر است. در واقع، تمامی روش‌ های تصحیح توپوگرافیک به صورت مستقیم وابسته به داده‌های DEM هستند، زیرا این مدل‌ ها تنها منبع استخراج اطلاعات مربوط به شیب و جهت (Aspect) زمین برای هر پیکسل به شمار می‌ روند. دقت محاسباتی در تصحیح توپوگرافیک، پیوندی مستقیم با کیفیت و رزولوشن DEM مورد استفاده دارد؛ به عبارت دیگر، هرچه جزئیات ناهمواری‌ها در DEM دقیق‌ت ر ثبت شده باشد، محاسبه زاویه تابش محلی با خطای کمتری همراه بوده و خروجی اصلاح‌ شده از لحاظ رادیومتریک، به واقعیت زمینی نزدیک‌تر خواهد بود.

روش های مختلف تصحیحات توپوگرافی - Topographic Correction

روش های مختلفی برای تصحیحات توپوگرافی وجود دارد اما نکته مهم این است که پایه و اساس تمامی این روش های لایه ارتفاعی است:

روش لامبرتی (Lambertian)

ساده‌ ترین رویکرد برای اصلاح اثرات توپوگرافی، فرض این موضوع است که سطح زمین یک بازتابنده کامل یا «لامبرتی» است. در این مدل، فرض بر این است که بازتابندگی سطح از تمام زوایا یکسان به نظر می‌ رسد. اگرچه این روش از لحاظ محاسباتی بسیار سریع و ساده است، اما در عمل با چالش بزرگی روبه می باشد. در مناطقی که شیب‌ های پشت به خورشید یا در سایه قرار دارند، به دلیل مقدار بسیار کوچک کسینوس زاویه تابش محلی، این روش باعث افزایش بیش از حد مقدار بازتابندگی می‌ شود. این پدیده که به آن بیش‌ تصحیح  (Overcorrection) می‌گویند، باعث می‌شود پیکسل‌ های واقع در سایه به صورت مصنوعی بسیار روشن دیده شوند و دقت کل فرآیند تحلیل تصویر کاهش یابد.

روش C (C Correction)

روش C یکی از محبوب‌ ترین و کاربردی‌ ترین روش‌ های نیمه‌ تجربی در سنجش از دور است که به منظور رفع مشکل بیش‌ تصحیح طراحی شده است. تفاوت اصلی این روش با مدل‌های قبلی، اضافه کردن یک پارامتر اصلاحی به مخرج کسر است که اثر سایه‌ ها را تعدیل می‌ کند. از بزرگترین مزایای این روش می‌ت وان به عدم وابستگی مطلق آن به تصحیح اتمسفری اشاره کرد، به طوری که می‌ توان آن را مستقیماً بر روی بازتاب سطحی بالای جو (TOA) نیز اعمال کرد. با این حال، باید توجه داشت که کارایی روش C در باندهای طیفی مرئی بسیار عالی است، اما در باندهای مادون قرمز نزدیک (NIR) و مادون قرمز کوتاه (SWIR) ممکن است عملکرد آن نسبت به روش‌های پیشرفته‌ تر کمی افت داشته باشد.

روش گاما (Gamma)

روش گاما به عنوان گامی رو به جلو در تکامل روش‌های اصلاحی، علاوه بر در نظر گرفتن موقعیت خورشید، هندسه دید حسگر ماهواره را نیز وارد محاسبات می‌کند. این روش به ویژه برای تصحیح تصاویر حسگرهایی با زاویه دید گسترده (مانند ماهواره SPOT) بسیار مناسب است، زیرا تغییرات بازتابندگی ناشی از زاویه مشاهده حسگر را هم‌ پوشانی می‌کند. با وجود دقت بالاتر در شرایط هندسی پیچیده، استفاده از این روش نیازمند دسترسی به اطلاعات دقیق درباره زوایای دید حسگر است و در برخی موارد خاص، ممکن است باعث ایجاد آرتیفکت‌ های بصری یا تغییرات رنگی ناخواسته در پیکسل‌های خروجی شود.

روش مینارت و مدل اصلاح‌شده (MM)

روش مینارت در اصل برای مطالعه فوتومتریک سطوح سیارات طراحی شده بود و از یک توان متغیر برای توصیف ماهیت غیرلامبرتی سطح زمین استفاده می‌کند. از آنجایی که روش اصلی مینارت نیز ممکن است در سایه‌ ها دچار بیش‌ تصحیح شود، نسخه صلاح‌شده (MM) با استفاده از مجموعه‌ای از قوانین تجربی توسعه یافت. این قوانین بر اساس زاویه زنیت خورشید و نوع پوشش زمین (گیاهی یا غیرگیاهی) تنظیم می‌شوند تا از رفتار غیرمنطقی بازتابندگی در سایه‌ها جلوگیری کنند. روش MM به دلیل انعطاف‌ پذیری بالا، معمولاً بهترین نتایج بصری را ارائه می‌دهد و در باندهای NIR و SWIR عملکرد بسیار قدرتمندی دارد. اگرچه این روش نسبت به روش C پیچیدگی محاسباتی بیشتری دارد و نیازمند انجام تصحیح اتمسفری پیش از اجراست، اما در اکثر پروژه‌ های بزرگ سنجش از دور، به عنوان دقیق‌ ترین گزینه شناخته می‌شود.