سنجش از دور حرارتی

سنجش از دور به عنوان علم و هنر کسب اطلاعات از پدیده های سطح زمین بدون تماس مستقیم با آن توسط یک سری ابزارهای که سنجنده نامیده میشود تعریف خواهد شد. سنجش از دور حرارتی شاخه ای از سنجش از دور است که به اندازه گیری امواج در طول موج مادون قرمز حرارتی 8 تا 14 میکرو متری خواهد پرداخت. در مقاله سنجش از دور حرارتی به بررسی این علم و تکنکیک های آن خواهیم پرداخت لذا این مقاله کاربردی از دست ندید و آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید.

درفن آوری سنجش از دوری که منبع انرژی نور خوشید باشد دو طیف بسیار مورد توجه قرار خواهد گرفت. یکی بازه 0.4 تا 3 میکرومتری و بازه 8 تا 14 میکرو متری است که بر اساس پنجره اتمسفری تعداد زیادی باند در این دو محدوده توسط ماهواره های مختلف قرار گرفته است.

در محدوده 0.4 تا میکرومتری ما بیشتر با مباحث بازتاب پدیده ها دراین طول موج خواهیم پرداخت که به بخش مرئی و مادون قرمز طول موج کوتاه و متوسط اشاره داد. اما در محدوده 8 تا 14 میکرومتری نور خورشید پر از برهمکنش با پدیده ها به صورت گرما از سطح پدیده منتشر میشود.

 

 

سنجش از دور حرارتی چیست؟

سنجش از دور حرارتی شاخه ای از سنجش از دور است که پیرامون پردازش و تفسیر داده ها و تصاویر بدست آمده در ناحیه مادون قرمز حرارتی طیف الکترومغناطیسی خواهد پرداخت. در این علم انرژی تشعشع ساطع شده از پدیده اندازه گیری و مورد تحلیل واقع خواهد شد.

حرارت به عنوان عامل مهم در سیستم های بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی موجود در زمین شناخته میشود. از طرفی 95 درصد انرژی کل وارد شده به سطح زمین به صورت تابش خورشیدی می باشد. لذا خورشید مهم ترین منبع انتشار امواج الکترومغناطیسی در دنیا شناخته می شود و سنجش از دور حرارتی نیز بسیار وابسته به آن می باشد.

ماهیت سنجش از دور حرارتی

طبق قانون پلانک هر جسم یا ماده ای که دمای آن بالاتر از صفر مطلق (منفی 273.15) باشد ازخود انرژی ساطع خواهد کرد. این انرژی طبق قانون استفان بولتزمن رابطه مستقیم با توان چهارم دمای جسم دارد. زمانی که انرژی از سمت خورشید به سمت پدیده زمین می باشد بخشی از آن بازتاب می یابد. اما بخش از آن در جسم جذب شده که پس از گرم شده انرژی از خود ساطع خواهد کرد. میزان انرژی ساطع شده بر اساس گسیل مندی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

بر اساس قانون جابه جایی وین، بیشترین انرژی ساطع شده در دمای معمول در سطح زمین در محدوده 9.7 میکرومتری می باشد لذا برای ذخیره بهتر این اطلاعات لازم است که باندهایی در این محدوده از زمین وجود داشته باشد. بر اساس پنجره اتمسفری محدوده 8 تا 14 میکرومتری میتواند گزینه بسیار مناسبت برای باندهای حرارتی باشد که اکثر سنجنده های مانند لندست، استر و مودیس در این محدوده دارای باند هستند.

امواج الکترومغناطیسی که از سمت خورشید به سمت زمین حرکت میکنند دارای چندین مولفه مانند سرعت، فرکانس و طول موج می باشد. زمانی که تابش الکترومغناطیسی از ماده به ماده ای دیگر عبور می کند سرعت نور و طول موج تغییر پیدا می کند اما فرکانش آن ثابت است.

این مسئله از آنجایی مهم است بین طول موج و میزان انرژی رابطه معکوس وجود دارد. یعنی با افزایش طول موج میزان انرژی نیز کاهش می یابد. در طول موج انعکاسی خورشید که حداکثر آن 9.7 میکرومتر است انرژی کمتری وجود دارد. برای آنکه بتوان این انرژی را ثبت کرد لازم است که دهانه سنسور یا زاویه دید لحظه ای بیشتر باشد تا بتوان انرژی بیشتری دریافت کرد و سنجنده بتواند آن را ثبت کند. لذا در سنجش از دور حرارتی زاویه دید لحظه ای بزرگتر و این رو پیکسل سایز بزرگتری نیز خواهیم داشت. برای مثال لندست دارای توان تفکیک 100 متری و 120 متری می باشد درحالی که باند های اپتیک آن توان تفیک 30 متری دارا است.

این اختلاف توان تفکیک و قابل درک نبودن این محدوده برای چشم انسان عاملی بوده که کمتر از سنجش از دور حرارتی برای شناسایی پدیده ها مانند فرایند های طبقه بندی استفاده شود.

قوانین سنجش از دور حرارتی

جسم سیاه

جسیم سیاه جسمی فرضی است که همه انرژی که که به آن می رسد را جذب کرده تمامی این انرژی را در واحد سطح را ساطع می کند. بر اساس این جسم فرضی تعریف داریم تحت عنوان توان تشعشعی یا گسیل مندی که در ادامه تعریف آن ارائه خواهد شد.

گسیل مندی یا توان تشعشعی

بر اساس یک جسم فرضی به نام جسیم سیاه گسیل مندی یا Emmissivity تعریف خواهد شد. بر اساس تعریف این ضریب اشاره دارد که چقدر از انرژی که به یک جسم می رسد را از خود ساطح می کند. جسم سیاه تمام انرژی رسیده به خود را ساطح خواهد کرد. اما این یک جسم فرضی است و در طبیعیت اینگونه نیست. بیشترین ضریب گسیل مندی مربوط به آب و کمترین ان مربوط به لایه نازک نفتی می باشد. در طول موج 8 تا 10 میکرومتری توان تشعشعی در محدوده 0.81 تا 0.96 می باشد.

عوامل موثر بر میزان گسیل مندی

رنگ

هر چه یک جسم تیره تر باشد جذب کنندگی بهتر دارد و در نتیجه توان تشعشعی بالاتری نیز دارد لذا پدیده ها و اشیاء دارای رنگ تیره تر انعکاس بیشتری نیز دارد.

زبری سطحی

میزان زبری سطحی با میزان تابع رابطه مستقیم دارد یعنی هر چقدر جسم زبری بیشتر داشته باشد پتانسیل جذب و ساطع کردن انرژی بیشتری نیز دارد.

میزان رطوبت

هر چقدر میزان رطوبت بیشتر باشد توانایی یک جسم برای جذب انرژی بیشتر خواهد بود لذا تابش کننده بهتری خواهد بود. از این رو خاک مرطوب توان تشعشعی بالاتری به نسبت خاک خشک دارد.

سایر عوامل

تراکم ، میدان دید و توان تفکیک سنجنده و طول موج

قانون استفان بولتزمن

این قانون که با انتگرال گیری از قانون پلانک ایجاد شده است اشاره دارد که کل انرژی ساطع شده بر حسب وات بر متر مربع از جسم سیاه با توان چهارم دمای آن رابطه مستقیم دارد. از این رو با افزایش دما، سرعت تابش ساطع شده از ماده افزایش می باشد. با افزایش دما میزان انرژی بیشتر و به سمت طول موج کوتاه حرکت خواهد کرد لذا از قانون جابه جایی وین استفاده خواهد کرد.

قانون جابه جایی وین

این قانون حداکثر طول موج در دما های مختلف را نمایش می دهد. بر اساس این قانون با افزایش دما میزان انرژی ساطع شده بیشتر شده و به سمت طول موج کوتاه خواهد رفت. برای خورشید بیشتری انرژی ساطع شده در طول موج 0.48 میکرومتری می باشد و این انرژی برای زمین در محدوده 9.7 میکرومتری می باشد.

چند اصطلاح رایج سنجش از دور حرارتی

زمانی که با تصاویر ماهواره ای و سنجش از دور حرارتی کار خواهید کرد چندین اصطلاح وجود دارد که در ادامه در مورد هر کدام از آنها مطالبی ارائه خواهد شد.

ظرفیت حرارتی

میزان قابلیت یک ماده برای جذب و نگه داری انرژی گرمایی است. این پارامتر کمیتی از گرانای مورد نیاز برای بالا بردن دمای یک گرم از ماده مشخص میزان یک درجه سانتی گراد است. آب دارای بیشترین ظرفیت حرارتی است. دمای آب در طول شبانه روز تغییرات اندکی خواهد داشت که اشاره به ظرفیت حرارتی دارد. اما سنگ در طول شابه روز تغییرات زیادی خواهد داشت.

هدایت حرارتی

هدایت حرارتی عبارت است از مقدار گرمایی که در در مدت یک ثانیه از واحد سطح جسم به عمق یک سانتی متر می رسد، در شرایطی که اختلاف دمای عمق و سطح یک درجه سانتی گراد باشد. این پارامتر به درصد رطوبت و مواد آلی آن بستگی دارد.

پخشیدگی حرارتی

پخشیدگی گرما به توانایی یک ماده برای انتقال گرما از سطح به عمق در طول گرمای روزانه خورشید و بر عکس انتقال گرما از عمق به سطح در طول دوره خنک شدن شبانه گویند.

 

انرسی حرارتی

انرسی حرارتی واکنش حرارتی یک ماده به تغییرات دما است، که با تغییرات زمانی دمادر طول یک دوره گرم و سرد شدن مشخص می شود. انرسی حرارتی با کاللری بر سانتی متر مربع در جذب ثانیه در یک درجه سانتی گراد اندازه گیری میشود.

 

 

لیست سنجنده های دارای باند های حرارتی

سنجنده و ماهواره های مختلفی در دنیا وجود دارد که توانایی اندازه گیری دمای سطح زمین و انرژی ساطع شده از سطح زمین را دارد. هر کدام از این سنجنده ها دارای ویژگی های خاص خود است که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.

ماهواره NOAA

از سال 1970 در ارتفاع 850 کیلومتری شروع شده است.

ماهواره نیمبوس (Nimbus)

در تاریخ تاریخ 1978 در ارتفاع 955 کیلومتری قرار گرفته است. باندهای مادون قرمز آن در محدوده 10.5 تا 12.5 میکرومتری می باشد.

ماهواره لندست

لندست 5 که از سال 1984 با توان تفکیک 120 متری باند حرارتی دارد.

از سال 1999 که لندست 7 پرتاب شد با توان تفیکیک 60 متری باند حرارتی داشته است.

از سال 2013 لندست 8 با دو باند حرارتی 100 متری از سطح زمین تصویر برداری می کند.

از سال 2022 لندست شماره9 با دو باند حرارتی با توان تفکیک 100 متری.

سنجنده MODIS

از سال 1999 از سطح زمین بر روی دو ماهواره ترا و اکوا از سطح زمین تصویر برداری کرده است. دارای توان تفکیک 1 متری برای باندهای حرارتی می باشد.

سنجنده Aster

یکی دیگر از ماهواره هایی که دارای 5 باند حرارتی 90 متری می باشد.

الگوریتم های محاسبه دمای سطح زمین

به صورت کلی روش های مختلفی در دنیا برای محاسبه دمای سطح زمین وجود دارد. دمای دریافت شده توسط سنجنده یا انرژی ساطع شده ای که به سنجنده می رسد نیاز است که به دمای سطح زمین تبدیل شود. عامل مهم در این تبدیل ضریب گسیل مندی است. روش های مختلف برای آن توسعه داده شده و روش های مختلف از بر اساس تعداد باند وارد شده در الگوریتم خود و روش محاسبه ضریب گسیل مندی به بخش های مختلف تقسیم بندی خواهند شد.

به صورت کلی روش های اندازه گیری دما عبارت است از:

روش تک باندی

مهم ترین مزیت روش های تک باندی سادگی و قابل کاربرد برای سنجنده های تک باندی مانند لندست 5 می باشد. از معایت این روش نیاز به دانش کافی در زمینه محاسبه ضریب گسیل مندی است. این روش نیاز مند محتوای بخار اتمسفر است.

روش اسپلیت ویندو

از مهم ترین مزیت های این روش سادگی و کارایی بالای آن است. در این روش نیازمند پروفایل دقیق اتمسفری نیستیم. این روش برای سنجنده های با بیشتر از یک باند بسیار مناسب است. برای نمونه لندست 8 و تصاویر ماهواره ای استر مناسب است. معایب این روش نیاز به دانش کافی در زمینه گسیل مندی و تعداد بالای ضرایب است.

روش چند زاویه ای

مهم ترین مزیت این روش سادگی و کارمدگی ان است. در این روش نیازمند پروفایل دقیق اتمسفریی نیستیم. در این روش محاسبه دما به باند های اپتیک زیاد وابسته نیست. این معایت این روش میتوان اشاره به دانش کافی در مورد زاویه های گسیل مندی در مقیاس پیکسل ماهواره ای اشاره کرد. این روش نیازمند تصحیح هندسی دقیق است.

کاربردهای سنجش از دور حرارتی

تصاویر حرارتی در تشخیص بسیاری از پدیده ها و درک محیط میتواند کارامد باشد. از سنجش از دور حرارتی در مباحث تنش آبی، خشکسالی، زمین شناسی، تعیین گروه های خاک، تعیین گسیل ها، رطوبت خاک، آتش سوزی، زلزله، تبخیر و تعرق و حتی پزشکی استفاده شده است. البته امروزه از این فن آوری در مباحث نظامی نیز بسیار استفاده خواهد شد. در ادامه خلاصه ای از کاربرهای آن ارائه شده است.

پیش‌بینی هواشناسی و تغییرات اقلیمی

دمای سطح زمین به عنوان یک پارامتر اساسی در مدل‌های هواشناسی و اقلیمی مورد استفاده قرار میگیرد. اطلاعات دمای سطح زمین به تحلیل و پیش‌بینی شرایط آب و هوایی بسیار کمک می‌کند.

مدیریت منابع آبی

دمای سطح زمین می‌تواند به تخمین تبخیر و تعرق از سطح زمین کمک کند که اطلاعات ارزشمندی برای مدیریت منابع آبی در مناطق مختلف فراهم می‌کند.

کشاورزی

دمای سطح زمین به کشاورزان و مدیران مزارع کمک می‌کند تا وقتی که گیاهان نیاز به آب و تراکم کود دارند را تشخیص دهند. همچنین، این اطلاعات می‌توانند در پیش‌بینی عملکرد محصولات کشاورزی مؤثر باشند.

پایش تغییرات ارتفاع برف و یخ

اندازه‌گیری دمای سطح زمین می‌تواند به شناسایی تغییرات ارتفاع برف و یخ در مناطق قطبی و کوهستانی کمک کند.

مطالعات محیط‌ زیستی

دمای سطح زمین به محققان مطالعات محیط‌زیستی اطلاعاتی درباره تغییرات اکوسیستم‌ها، تغییرات کاربری اراضی و تأثیرات تغییر اقلیم را ارائه می‌کند.

 

پیش‌بینی آتش‌سوزی

دمای سطح زمین می‌تواند در پیش‌بینی و کنترل آتش‌سوزی‌ها در مناطق خشک و جنگلی مؤثر باشد.