تجزیه و تحلیل داده‌های سنجش از دور

سنجش از دور یکی از منابع اصلی داده‌های مکانی است. تجزیه و تحلیل موثر داده‌های سنجش از دور برای به دست آوردن اطلاعات مفید برای تجزیه و تحلیل و نظارت محیطی با استفاده از GIS از اهمیت حیاتی برخوردار است. این فصل مقدمه ای بر داده‌های سنجش از دور ارائه می‌دهد و اصول اولیه پردازش تصویر دیجیتال را ارائه می‌دهد. این عملیات معمولاً مورد استفاده پردازش تصویر دیجیتال در سنجش از دور محیطی، از جمله پیش پردازش تصویر، تبدیل و طبقه بندی را معرفی می‌کند.

اهداف یادگیری

پس از مطالعه این فصل، شما باید بتوانید :

1. درک ویژگی‌های داده‌های سنجش از راه دور دیجیتال
2. درک اصول اولیه سنجش از دور
3. شناسایی سیستم‌های سنجش از دور محبوب برای نظارت بر محیط زیست
4. اعمال عملیات تجزیه و تحلیل تصویر دیجیتال برای پردازش تصاویر سنجش از دور
5. انجام طبقه بندی کاربری / پوشش زمین با تصاویر ماهواره ای و ارزیابی دقت طبقه بندی

طبیعت سنجش از دور اطلاعات

بیشتر داده‌های مکانی مورد استفاده در GIS از نقشه‌ها و محصولات پیمایش گرفته شده است. با پیشرفت فناوری سنجش از دور، سنجش از دور به منبع مهمی از داده‌های مکانی برای GIS تبدیل شده است. به طور خاص ، سنجش از دور داده‌های زیست محیطی دقیق ، چند مقیاس ، چند طیفی و سریع را برای پایگاه‌های اطلاعات GIS ارائه می‌دهد. این فصل بر روی روش‌ها و توابع GIS برای تجزیه و تحلیل داده‌های سنجش از دور تمرکز دارد. فقط مفاهیم اساسی سنجش از دور در این بخش توضیح داده شده است. برای بحث‌های جامع و مفصل در مورد نظریه‌ها، تکنیک‌ها و کاربردهای سنجش از دور، لطفاً به کتاب‌های درسی سنجش از دور مانند جنسن (۲۰۰۷) و لیلسند و همکاران مراجعه کنید (۲۰۰۸).

سنجش از دور به گروهی از تکنیک‌ها برای جمع آوری داده‌های محیطی از راه دور بدون تماس مستقیم با شی یا پدیده‌های محیطی مورد علاقه اشاره دارد. داده‌های سنجش از دور می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند ، از جمله تغییرات در توزیع انرژی الکترومغناطیسی ، توزیع امواج صوتی یا توزیع نیرو. این فصل فقط مربوط به داده‌های سنجش از دور است که میزان شار انرژی الکترومغناطیسی را منعکس یا ساطع می‌کند.

سطح زمین یا درون جو. چنین داده‌های سنجش از دور معمولاً به شکلی از تصویر هستند که بیشتر پردازش، تفسیر یا تجزیه و تحلیل می‌شوند تا داده‌ها و اطلاعات مفیدی درباره منابع و محیط زمین تولید کنند. آنها عمدتا توسط سنسورهای تصویربرداری مستقر در سکوهای هوابرد و مکانی (هواپیما ، ماهواره یا دیگر فضاپیماها) ضبط می‌شوند.

ویژگی‌های تابش الکترومغناطیسی

تابش الکترومغناطیسی تنها شکل انتقال انرژی است که می‌تواند در خلاء مانند فضای بین خورشید و زمین رخ دهد. دارای ویژگی موج و ذرات است (جنسن ۲۰۰۷). تابش الکترومغناطیسی با توجه به خواص موجی اش با سرعت نور در فضا منتشر می‌شود. این موج الکترومغناطیسی متشکل از یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی است که بر یکدیگر عمود هستند و بر جهت حرکت (شکل ۶-۱) فاصله از یک قله موج تا موج دیگر طول موج (λ) است که معمولاً با میکرومتر اندازه گیری می‌شود. تعداد قله‌های موج که از یک نقطه ثابت در فضا در واحد زمان عبور می‌کنند، فرکانس موج (v) است. موجی که یک قله را در هر ثانیه ارسال می‌کند، فرکانس یک چرخه در ثانیه یا ۱ هرتز (هرتز) دارد. طول موج و فرکانس رابطه معکوس دارند: ،  جایی که c سرعت نور است ، که در اصل یک ثابت است. بنابراین، هر چه طول موج بیشتر باشد، فرکانس کمتر است و بالعکس.

از سوی دیگر ، تشعشع الکترومغناطیسی از واحدهای گسسته زیادی به نام کوانتوم یا فوتون تشکیل شده است که دارای خواص ذره ای مانند انرژی و حرکت هستند (جنسن، ۲۰۰۷). رابطه بین انرژی تابش (e) و طول موج به صورت زیر بیان می‌شود: ، جایی که e در ژول اندازه گیری می‌شود و h ثابت پلانک است  ( ). بنابراین هرچه طول موج بیشتر باشد محتوای انرژی آن نیز کمتر می‌شود.

در سنجش از دور دسته بندی امواج الکترومغناطیسی بر اساس طول موج آنها در طیف الکترومغناطیسی رایج است. ما اغلب یک منطقه خاص از طیف الکترومغناطیسی را با شناسایی طول موج آغاز و پایان ، و سپس ضمیمه توضیحات مشخص می‌کنیم. این فاصله طول موج در طیف الکترومغناطیسی ، نوار ، کانال یا ناحیه نامیده می‌شود.

همانطور که در شکل ۶-۲ نشان داده شده است، طیف الکترومغناطیسی از طول موج‌های کوتاه تر (شامل گامای موج کوتاه و اشعه ایکس) تا طول موج‌های بلندتر (شامل امواج مایکروویو و امواج بلند رادیویی) متغیر است. چندین ناحیه از طیف الکترومغناطیسی وجود دارد که برای سنجش از دور محیط مفید است، از جمله اشعه ماوراء بنفش ( ۰۰۳/۰ الی ۴/۰ میکرومتر)، مرئی (۴/۰ الی ۷/۰ میکرومتر)، مادون قرمز IR (7/0 الی ۷۰۰ میکرومتر) و مایکروویو یا رادار (۳/۰ الی ۳۰۰ سانتیمتر).  ناحیه مرئی طیف را می‌توان به محدوده‌های طول موجی تقسیم کرد که با رنگ‌های درک شده از نور مرئی مطابقت دارد: بنفش (۴/۰ الی ۴۴۶/۰ میکرومتر)، آبی (۴۴۶/۰ الی ۵/۰ میکرومتر)، سبز (۵/۰ الی ۵۷۸/۰ میکرومتر)، زرد (۵۷۸/۰ الی ۵۹۲/۰ میکرومتر)، نارنجی (۵۹۲/۰ الی ۶۲۰/۰ میکرومتر) و قرمز (۶۲۰/۰ الی ۷/۰ میکرومتر) . نوار مرئی تنها بخشی از طیفی است که می‌توانیم با مفهوم رنگ‌ها مرتبط کنیم. دو باند در ناحیه IR برای سنجش از دور مهم هستند : باندهای IR منعکس شده  (۷/۰ الی ۳ میکرومتر) و باند IR حرارتی ( ۳ الی ۱۵ میکرومتر). انرژی IR حرارتی اساساً تابشی است که از سطح زمین به شکل گرما ساطع می‌شود.

برهم کنش تابش الکترومغناطیسی با ماده

خورشید مهمترین منبع طبیعی تابش الکترومغناطیسی برای سنجش از دور است. هنگامی که تابش الکترومغناطیسی خورشید به جسمی برخورد می‌کند ، ممکن است انرژی منتقل ، جذب ، بازتاب ، منعکس یا پراکنده شود. حسگرهای از راه دور ویژگی‌های زمین را عمدتا با تشخیص تشعشع الکترومغناطیسی منعکس شده یا ساطع شده از آنها مشاهده می‌کنند. اصل مهم زیربنای استفاده از داده‌های سنجش از دور این است که اشیاء مختلف یا مواد زمینی تابش الکترومغناطیسی را در نسبت‌های مختلف منعکس، جذب، انتقال یا ساطع می‌کنند و این تفاوت‌ها امکان شناسایی آنها را فراهم می‌کند.

شکل ۶-۱ موج الکترومغناطیسی

شکل ۶-۲ طیف الکترومغناطیسی و پنجره‌های جوی (اقتباس از لیلسند و همکاران ۲۰۰۸)

قبل از اینکه تابش الکترومغناطیسی خورشید به سطح زمین برسد، باید در فاصله ای از جو حرکت کند ، جایی که با ذرات و گازها برهم کنش دارد. این تعامل با جو عمدتا از طریق مکانیسم‌های پراکندگی و جذب رخ می‌دهد. پراکندگی اتمسفر تابش را از مسیر خود منحرف می‌کند و می‌تواند محتوای اطلاعات داده‌های سنجش از دور را به شدت کاهش دهد تا جایی که تصویر کنتراست خود را از دست داده و تمایز اجسام دشوار می‌شود. جذب اتمسفر باعث می‌شود مولکول‌های موجود در جو ، انرژی را در طول موج‌های مختلف جذب کنند. ازن ، دی اکسید کربن و بخار آب سه ترکیب اصلی جوی هستند که تابش الکترومغناطیسی را جذب می‌کنند. سنجش از دور در مناطقی از طیف که به شدت تحت تأثیر پراکندگی و/یا جذب جو قرار دارند ، مشکل است. ما فقط از مناطق طیفی استفاده می‌کنیم که نسبتاً و نه کاملاً تحت تأثیر جذب و پراکندگی برای دستیابی به داده‌های سنجش از دور قرار ندارند. این مناطق طیفی پنجره‌های جوی نامیده می‌شوند. که در شکل ۶-۲، درصد تابش الکترومغناطیسی ورودی از طریق جو در برابر طول موج رسم می‌شود. پنجره‌های جوی آن مناطق طیفی هستند که در آنها انتقال تابش از جو زیاد است.

تابش الکترومغناطیسی که جذب یا پراکنده در جو نباشد می‌تواند به سطح زمین برسد و با آب، خاک، پوشش گیاهی و دیگر ویژگی‌های زمین تعامل داشته باشد. هنگامی که تابش الکترومغناطیسی روی سطح زمین رخ می‌دهد ، با ویژگی‌های سطح به یک یا چند مورد از سه طریق جذب، انتقال و بازتاب تعامل می‌کند. داده‌های سنجش از دور عمدتا اندازه گیری تابش منعکس شده از اهداف است. ویژگیهای بازتاب ویژگیهای زمین بستگی به طول موج انرژی حادثه و مواد و شرایط این ویژگیها دارد. ممکن است با اندازه گیری بخشی از تابش ورودی منعکس شده ، که به آن بازتاب طیفی گفته می‌شود ، کمیابی شود.

بازتاب طیفی یک جسم خاص زمین معمولاً با طول موج متفاوت است. نمودار بازتاب طیفی یک جسم به عنوان تابعی از طول موج، منحنی بازتاب طیفی نامیده می‌شود. شکل ۶-۳ سه منحنی بازتاب طیفی را نشان می‌دهد که به ترتیب پاسخ‌های طیفی معمولی پوشش گیاهی، خاک و آب شفاف را روی نوارهای مرئی و نزدیک مادون قرمز نشان می‌دهد. این نشان می‌دهد که پوشش گیاهی سالم تشعشعات را در نوارهای قرمز و آبی به شدت جذب می‌کند ، اما تابش سبز را در نوار قابل مشاهده منعکس می‌کند.

چرا پوشش گیاهی سالم در چشم انسان سبز به نظر می‌رسد؟ وقتی از منطقه مرئی به ناحیه IR نزدیک ۷/۰ میکرومتر حرکت می‌کنیم، بازتاب طیفی پوشش گیاهی سالم به شدت افزایش می‌یابد. اگر چشمان ما نسبت به IR نزدیک حساس بود، درختان در این طول موج برای ما بسیار روشن به نظر می‌رسند. شکل ۶-۳ همچنین نشان می‌دهد که منحنی‌های طیفی آب زلال، خاک و پوشش گیاهی اشکال متفاوتی دارند. این نشان می‌دهد که این ویژگی‌ها را می‌توان به صورت طیفی از هم جدا کرد، و بنابراین می‌توان آنها را در تصاویر سنجش از دور برخی نوارها متمایز کرد. به عنوان مثال، آب و پوشش گیاهی ممکن است تا حدودی به طور مشابه در ناحیه مرئی منعکس شوند، اما تقریباً همیشه در باند IR نزدیک قابل تفکیک هستند، بنابراین یک تصویر IR نزدیک می‌تواند به طور موثر برای تشخیص آب و پوشش گیاهی استفاده شود. تفاوتهای طیفی بین اجسام یا ویژگیهای مختلف ممکن است در نتیجه تفاوت آنها در خواص بیوفیزیکی، ترکیب شیمیایی و هندسه سطح (مانند زبری) باشد. پاسخ طیفی حتی برای همان نوع ویژگی می‌تواند متغیر باشد و همچنین می‌تواند با زمان و موقعیت جغرافیایی متفاوت باشد.

علاوه بر این انرژی الکترومغناطیسی جذب شده توسط ویژگی‌های زمین، سرانجام دوباره در قالب گرما به عنوان انرژی IR حرارتی ساطع شده آزاد می‌شود. آنها همراه با انرژی زمین گرمایی ساطع شده از داخل زمین ، منبع تابش الکترومغناطیسی برای سنجش از دور IR حرارتی را تشکیل می‌دهند.

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

ترجمه:سعید جوی زاده،شهناز تیموری،فاطمه حسین پور فرزانه