مبانی و فیزیک سنجش از دور

این جلسه آموزشی یکی از مهم ترین ویدئو های این دوره آموزش می باشد. در این ویدئو سعی شده است که در کوتاه ترین زمان ممکن به شما عزیزان آموزش داده شود که مبانی سنجش از دور را بیاموزید. در ویدئو مبانی و فیزیک سنجش از دور همچنین در مورد فیزیک سنجش ازدور، انواع اصطلاح های تخصصی آن و خیلی دیگر از موارد بحث شده است. لطفا این ویدئو آموزشی را چندین بار مشاهده نمایید.

مبانی و فیزیک سنجش از دور

سنجش از دور چیست؟

تعاریف مختلفی در دنیا در مورد سنجش از دور وجود دارد. اگر بخواهیم خلاصه ای از این تعاریف را ارائه دهیم: علم و هنر کسب اطلاعات از پدیده ها و اشیاء روی سطح زمین، از طریق امواج بدون تماس مستقیم با آن را سنجش از دور گویند. در این تعریف چندین نکته وجود دارد:1-سنجش از دور علم و هنر است و هم از علوم مانند شیمی و فیزیک استفاده میکند و هم اینکه از علوم مانند شیمی و سایر علوم برای برداشت امواج استفاده خواهد کرد. 2-اشیا و پدیده ها در سطح زمین توسط سنجش از دور برداشت خواهند شد که هم میتواند اشیاء انسان ساخت و یا عوارض طبیعی باشد. 3-فاصله دور می باشد که این فاصله میتواند چندین متر تا چند صد هزار کیلومتر باشد.

سنجش از دور به فرآیندی اشاره دارد که در آن اطلاعات در مورد محیط و ویژگی‌های مختلف زمین، بدون نیاز به مستقیم ورود به محیط مورد مطالعه، از فواصل دور جمع‌آوری می‌شوند. این فرآیند با استفاده از ابزارهای سنجش از دور انجام می‌شود که ممکن است شامل ماهواره‌ها، هواپیماها، یا سایر دستگاه‌های سنجش باشد. با این روش، اطلاعات متنوعی از جمله تصاویر، داده‌های طیفی، و سایر پارامترهای مربوط به محیط زمینی از فواصل دور به دست می‌آید، که این اطلاعات برای تحلیل‌های مختلف ارزشمند هستند، از جمله مطالعات محیطی، نقشه‌برداری، کنترل تغییرات زمینی، و مسائل مرتبط با منابع طبیعی و محیط زیست میتواند کاربرد داشته باشد.

انواع تصاویر و سنجش از دور

دسته بندی های مختلف را میتوان برای تصاویر و ماهواره های مختلف سنجش از دور داشت. برای نمونه از نظر توان تفکیک مکانی، از نظر تعداد باند و از نظر ماهیت تصویر برداری و منبع آن. در این بخش از نظر منشاء و منبع انرژی میتوان سه نوع سنجش از دور: راداری، اپتیک و حرارتی میتوان سنجش از دور را تقسیم بندی کرد. در ادامه در مورد آنها بحث خواهد شد.

سنجش از دور نوی یا اپتیک

اگر منبع انرژی ما خورشید باشد به آن سنجش از دور اپتیک می گویند. در این شاخه از سنجش از دور با امواج مرئی و مادون قرمز سروکار دارد. این نوع سنجش از دور دارای یک سری مزایا و معایت است. سنجش از دور اپتیک با توجه به محدوده طول موج برداشت شده تصاویر ارائه که برای ما انسان ها قابل درک تر باشد. اما تصاویر اپتیک فقط زمانی میتواند تصویر برداری کند که نور خورشید باشد، یعنی در طول شب قابلیت تصویر برداری نداد و همچنین در زمان هایی که ابر وجود دارد نیز نمیتواند زیر ابر را مشاهده کند.

سنجش از دور راداری

سنجش از دور راداری (RAdio Detection And Ranging) یک تکنیک استفاده می‌شود که از فناوری رادار برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد سطح زمین یا اشیاء دیگر از فواصل دور بهره می‌برد. به عکس از سنجش از دور اپتیکال که به نور مرئی یا فروسرخ وابسته است، رادار با ارسال امواج رادیویی و اندازه‌گیری بازتاب آن‌ها عمل می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که رادار به ویژه در شرایطی که حسگرهای اپتیکال ممکن است با محدودیت‌ها روبرو شوند، مانند هواپیمایاب آب‌وهوا یا شب، بسیار مفید باشد.

با توجه به آنکه در سنجش از دور راداری تولید کننده انرژی خود ما هستیم میتواند در طول شبانه روز از سطح زمین تصویر برداری کند. همچنین با توجه به اینکه در طول موج های بالا تصویر برداری می کند کمترین تاثیر را از اتمسفر گرفته لذا میتواند در شرایط آب و هوایی مختلف از سطح زمین تصویر برداری کند. سنجش از دور راداری کاربردهای مختلفی دارد که شامل کشاورزی، جنگلداری، نظارت محیطی، مدیریت بحران و دفاع می‌شود.

سنجش از دور حرارتی

یکی دیگر از انواع سنجش از دور که بسیار نیز حائز اهمیت بوده و از انرژی ساطع شده از پدیده ها برای تصویر برداری استفاده میکند، سنجش از دور حرارتی است. در مقاله سنجش از دور حرارتی به صورت جامع در مورد اصطلاح های مختلف صحبت شده است. پایه و اساس این نوع سنجش از دور بر این اساس است که زمانی که دمای جسمی بالاتر از صفر مطلق باشد از خود انرژی ساطع میکند. این انرژی در طول موج بلند بین 8 تا 14 میکرومتر ساطع می شود.

سنجش از دور حرارتی یک تکنیک است که در آن از اشعه مادون قرمزی که توسط اشیاء روی سطح زمین از خود ساطع میکنند، برای شناسایی و اندازه‌گیری استفاده می‌شود. به عکس از سنجش از دور اپتیکال که به نور مرئی و فروسرخ وابسته است، سنجش از دور حرارتی در بخش مادون قرمزی از طیف elektromagnetic عمل می‌کند. این فناوری بر اساس حقیقت استوار است که همه اشیاء با دمای بالاتر از صفر مطلق، اشعه مادون قرمز حرارتی را ساطع می‌کنند.

امواج الکترومغناطیسی

به دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود به هم، که با زمان و مکان نوسان کرده و در جهتی خاص حرکت می‌کنند، موج الکترومغناطیسی گفته می‌شود. امواج الکترومغناطیسی مجموعه‌ای از امواج بوده که انرژی خود را به وسیله میدانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی انتقال می‌دهند. این امواج به صورت موج‌های متعامد به یکدیگر حرکت می‌کنند و در طیف وسیعی از فرکانس‌ها و طول‌موج‌ها وجود دارند. امواج الکترومغناطیسی بدون نیاز به وسیله جسمی برای انتقال انرژی هستند و می‌توانند در خلاء حتی در فضای خالی بدون هوا حرکت کنند.

تمرین: بر اساس تدریس داخل پاور محدوده های مهم از محدوده مرئی تا راداری را به خاطر بسپارید؟

3 مرحله اصلی پردازش تصاویر ماهواره ای

پیش پردازش تصاویر

• تصحیحات یا تبدیلات رادیومتریکی
• تصحیحات اتمسفری
• تصحیحات هندسی

پردازش تصاویر

پس پردازش تصاویر

پیش پردازش تصاویر ماهواره ای

اولین مرحله از فرایند های سنجش از دور مرحله پیش پردازش تصاویر ماهواره های است. پیش‌پردازش در سنجش از دور به مجموعه‌ای از روش‌ها و تکنیک‌ها اطلاق می‌شود که پیش از استفاده از آنها برای تجزیه و تحلیل یا تفسیر بر داده‌های خام سنجش از دور اعمال می‌شود. هدف از پیش‌پردازش افزایش کیفیت داده، اصلاح انواع خطاها  و آماده‌سازی داده برای تحلیل‌های بعدی است. پیش‌پردازش یک گام حیاتی در جریان کار سنجش از دور است و می‌تواند به طور قابل توجهی بر دقت و قابلیت اعتماد نتایج تأثیر بگذارد.

پیش پردازش های اصلی در فرایند های سنجش از دوری

• تصحیحات رادیومتریکی (Radiometric Correction)
• تصحیحات اتمسفری (Atmospheric Correction)
• تصحیحات هندسی (Geometric Correction)
• کاهش میزان نویز (Noise Reduction)
• بهبود کانتراست تصویر (Image Enhancement)
• Image Registration
• موزاییک کردن تصاویر
• ماسک کردن ابر
• Resampling

انواع توان تفکیک در سنجش از دور

تصاویر ماهواره ای دارای 4 نوع توان تفکیک هستند که در ادامه به بررسی هر کدام از آنها خواهیم پرداخت. این 4 توان تفکیک شامل:

• توان تفکیک مکانی (Spatial Resolution)
• توان تفکیک زمانی (Temporal Resolution)
• توان تفکیک طیفی (Spectral Resolution)
• توان تفکیک رادیومتریکی (radiometric Resolution)

توان تفکیک مکانی (Spatial Resolution)

به کوچکترین جزء که بر روی تصاویر قابل شناسایی است توان تفکیک مکانی گویند. توان تفکیک مکانی با پیکسل سایز برابر است اما نه لزوما. دلیل آن نیز وجود خطای اتمسفری است. اما اگر برای یک سنجنده از شما پرسیده شود که توان تفکیک مکانی سنجنده چقدر است به پیکسل سایز آن اشاره کنید.  به طور کلی، هرچه توان تفکیک مکانی یک سنجنده بیشتر باشد، تصاویر ارائه شده توسط آن دقیق‌تر و با کیفیت بالاتری خواهند بود. این موضوع از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا در بسیاری از حوزه‌ها، دقت مکانی تصویر اطلاعات حیاتی و تصمیم‌گیری‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

توان تفکیک زمانی (Temporal Resolution)

این توان تفکیک اشاره به این دارد که چه مدت زمان طول می کشد که سنجنده (ماهواره) به یک مکان خاص برگشته و از آن منطقه تصویر برداری میکند.  این نوع توان تفکیک  نشان‌دهنده است که چقدر یک منطقه خاص در یک دوره زمانی معین مشاهده یا تصویربرداری می‌شود. وضعیت زمانی یک پارامتر حیاتی است، به ویژه زمانی که فرآیندهای پویا و زمان‌بندی حساس روی سطح زمین مورد ارزیابی قرار گیرد. در مباحث علوم طبیعی این نوع توان تفکیک بسیار مهم است.

توان تفکیک طیفی (Spectral Resolution)

این نوع توان تفکیک اشاره به قدرت سنجنده در طول موج های مختلف ( تعداد باند) و نسبت سیگنال به نویز دارد. سنجنده های سنجش از دور معمولاً در محدوده‌های خاصی از طیف عمل می‌کنند و وضعیت طیفی برای شناسایی و تحلیل ویژگی‌های مختلف روی سطح زمین بسیار حیاتی است. این نوع توان تفکیک در مباحث کشاورزی دقیق و کانی شناسی بسیار مهم است.

توان تفکیک رادیومتریکی (radiometric Resolution)

به شدت دریافت انرژی در واحد سطح پیکسل توان تفکیک رادیومتریکی (radiometric Resolution) می گویند. هر چه توان تفکیک رادیومتریکی بالاتر باشد وضوع تصویر نیز بیشتر است.

تصویر گزینی یا image acquisition

تصویر گزینی یعنی اینکه قبل از مطالعات خود بهترین نوع تصویر را انتخاب کنیم. البته مبحث image acquisition به زمان نیز اشاره دارد. برای نمونه بهترین فصل برای شناسایی درختان در مناطق شهری کدام زمان و تصویر می باشد. برای انتخاب این شرایط باید 3 عامل زیر را در نظر بگیرید.

وابسته به ویژگی تصاویر در دسترس (توان تفکیک ها)

شرایط محیطی

شرایط پدیده