تصویربرداری ماهواره ای و عکاسی هوایی

هدف یادگیری

هدف این بخش درک نحوه پیاده‌سازی تصاویر ماهواره‌ای و عکس‌های هوایی در برنامه‌های GIS است.

طیف گسترده‌ای از تصاویر ماهواره‌ای و عکس‌های هوایی برای استفاده در سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) در دسترس است. اگرچه این محصولات به‌طور بنیادی گرافیک‌های رستری هستند، اما در نحوه استفاده از آن‌ها در GIS تفاوت‌های اساسی وجود دارد. تصاویر ماهواره‌ای و عکس‌های هوایی اطلاعات زمینه‌ای حیاتی را برای GIS فراهم می‌کنند و اغلب برای انجام رقومی سازی دقیق (که در آن ویژگی‌های تصویر به داده‌های برداری تبدیل می‌شوند) استفاده می‌شوند.

تصویربرداری ماهواره ای

تصاویر ماهواره‌ای سنجش از دور به طور فزاینده‌ای رایج می‌شوند، زیرا ماهواره‌های مجهز به حسگرهای پیشرفته به‌طور مستمر توسط سازمان‌های دولتی و شرکت‌های خصوصی در سراسر جهان به فضا ارسال می‌شوند. ماهواره‌ها برای کاربردهای متنوعی مانند رصد زمین (نظامی و غیرنظامی)، ارتباطات،ناوبری، پیش‌بینی وضعیت آب و هوا، تحقیقات علمی و غیره استفاده می‌شوند. تاکنون بیش از ۳۰۰۰ ماهواره به فضا ارسال شده است که بیش از ۲۵۰۰ عدد از آن‌ها متعلق به روسیه و ایالات متحده هستند. این ماهواره‌ها ارتفاعات، زاویه‌های تمایل، مسیرهای منحنی و همزمانی‌های مختلف مداری را حفظ می‌کنند و به آن‌ها این امکان را می‌دهند که ویژگی‌ها و فرآیندهای مختلف سطح زمین را تصویربرداری کنند (شکل ۴٫۱۴ «ماهواره‌ها در مدار زمین»).

شکل ۴٫۱۴ ماهواره هایی که به دور زمین می چرخند

ماهواره‌ها می‌توانند فعال یا غیرفعال باشند. ماهواره‌های فعال از حسگرهای سنجش از راه دور استفاده می‌کنند که بازتاب‌های الکترومغناطیسی از اجسام را که از منابع انرژی مصنوعی تابش می‌کنند، تشخیص می‌دهند. برای مثال، حسگرهای فعال مانند رادار، امواج رادیویی، حسگرهای لیزری و سنسورهای سونار امواج صوتی را ارسال می‌کنند. در این روش، سنسور سیگنال را منتشر کرده و سپس مدت زمان برگشت سیگنال از ویژگی‌های مختلف را اندازه‌گیری می‌کند. با دانستن سرعت سیگنال، می‌توان از تأخیر زمانی بین انتشار و بازگشت سیگنال برای محاسبه فاصله تا ویژگی‌ها استفاده کرد.

ماهواره‌های غیرفعال از حسگرهایی استفاده می‌کنند که تابش الکترومغناطیسی بازتابی یا ساطع شده از منابع طبیعی را تشخیص می‌دهند. این منابع معمولاً انرژی خورشیدی هستند، اما منابع دیگری مانند میدان‌های مغناطیسی و فعالیت‌های زمین‌گرمایی نیز قابل تصویربرداری هستند. به عنوان مثال، گرفتن عکس با دوربینی که دارای فلاش است، یک سنجش از راه دور فعال خواهد بود، در حالی که استفاده از دوربین بدون فلاش (که به نور محیطی وابسته است) سنجش از راه دور غیرفعال محسوب می‌شود.

کیفیت و کمیت تصاویر ماهواره‌ای تا حد زیادی بستگی به وضوح آن‌ها دارد. چهار نوع وضوح وجود دارد که هر حسگر سنجش از راه دور را مشخص می‌کند (Campbell, 2002). وضوح فضایی یک تصویر ماهواره‌ای، که پیش‌تر در بخش مدل‌های داده شطرنجی توضیح داده شد (پست قبلی “مدل‌های داده رستری”)، به نمایش مستقیم پوشش زمین برای هر پیکسل در تصویر اشاره دارد. اگر یک ماهواره تصاویری با وضوح ۱۰ متر تولید کند، پوشش زمین مربوط به هر پیکسل ۱۰ متر در ۱۰ متر یا ۱۰۰ متر مربع خواهد بود. این وضوح فضایی توسط میدان دید لحظه‌ای حسگر (IFOV) تعیین می‌شود. IFOV به ناحیه زمینی اشاره دارد که حسگر از طریق آن سیگنال تابش الکترومغناطیسی را دریافت می‌کند و به ارتفاع و زاویه سکوی تصویربرداری بستگی دارد.

وضوح طیفی توانایی حسگر در تفکیک فواصل طول موج‌ها را نشان می‌دهد که به آن «باند» گفته می‌شود. وضوح طیفی با اندازه بازه‌های طول موج و تعداد باندهایی که حسگر قادر به شناسایی آن‌هاست، تعیین می‌شود. حسگرهای چندطیفی و فراطیفی می‌توانند فواصل طول موج زیادی را شناسایی کنند. به عنوان مثال، ماهواره IKONOS تصاویر را برای باندهای آبی (۴۴۵-۵۱۶ نانومتر)، سبز (۵۰۶-۵۹۵ نانومتر)، قرمز (۶۳۲-۶۹۸ نانومتر) و نزدیک به مادون قرمز (۷۵۷-۸۵۳ نانومتر) در فواصل طول موج خود حل می‌کند.

وضوح زمانی به مدت زمان بین هر دوره جمع‌آوری تصویر اشاره دارد و توسط چرخه تکرار مدار ماهواره تعیین می‌شود. این نوع وضوح می‌تواند درست-نادیر یا خارج از نادر باشد. مناطق درست نادر مناطقی هستند که مستقیماً زیر سنسور قرار دارند، در حالی که مناطق خارج از نادر به مناطقی اطلاق می‌شود که به صورت مایل تصویربرداری می‌شوند. برای ماهواره IKONOS، وضوح زمانی برای تصویربرداری خارج از نادر بین ۳ تا ۵ روز و برای تصویربرداری درست نادر ۱۴۴ روز است.

آخرین نوع وضوح، وضوح رادیومتری است که به حساسیت سنسور به تغییرات روشنایی اشاره دارد و به طور خاص، تعداد سطوح خاکستری قابل شناسایی توسط سنسور را نشان می‌دهد. معمولاً مقادیر رادیومتریک برای یک سنسور به صورت ۸ بیتی (مقادیر ۰ تا ۲۵۵) ارائه می‌شود، اما برخی حسگرها تا ۱۱ بیتی (۰ تا ۲۰۴۷)، ۱۲ بیتی (۰ تا ۴۰۹۵) یا حتی ۱۶ بیتی (۰ تا ۶۵۵۳۵) می‌توانند داده‌ها را ثبت کنند. به عنوان مثال، ماهواره Landsat-7 وضوح ۸ بیتی برای باندهای خود دارد و بنابراین می‌تواند مقادیر را برای هر پیکسل از ۰ تا ۲۵۵ ثبت کند.

به دلیل محدودیت‌های فنی در سیستم‌های سنجش از راه دور ماهواره‌ای، تعادلی میان این انواع مختلف وضوح وجود دارد. بهبود یک نوع وضوح معمولاً منجر به کاهش یکی از انواع دیگر وضوح می‌شود. به عنوان مثال، افزایش وضوح فضایی معمولاً با کاهش وضوح طیفی همراه است و بالعکس. همچنین، ماهواره‌های زمین‌ایستا (که هر روز یک‌بار در نزدیکی خط استوا می‌چرخند) وضوح زمانی بالایی دارند اما وضوح فضایی کمتری ارائه می‌دهند، در حالی که ماهواره‌های همگام با خورشید (که مدار نزدیک قطبی حسگر را با نور خورشید همگام می‌کنند) وضوح فضایی بالایی دارند ولی وضوح زمانی کمتری دارند. پیشرفت‌های تکنولوژیکی می‌توانند به بهبود وضوح‌ها کمک کنند، اما همیشه باید مطمئن شوید که تصویری که انتخاب کرده‌اید برای نمایش یا مدل‌سازی ویژگی‌های مکانی که برای مطالعه شما مهم هستند، کافی است.

عکاسی هوایی

عکاسی هوایی، مشابه تصاویر ماهواره‌ای، منبع گسترده‌ای از اطلاعات برای استفاده در سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS) فراهم می‌آورد. پلتفرم‌های سخت‌افزاری مورد استفاده برای گرفتن عکس‌های هوایی شامل هواپیما، هلیکوپتر، بالون، موشک و سایر وسایل نقلیه هستند. در حالی که عکاسی هوایی معمولاً به تصاویر گرفته‌شده از طیف مرئی اشاره دارد، حسگرهایی نیز برای اندازه‌گیری باندهای درون طیف نامرئی (مانند فرابنفش، مادون قرمز، و مادون قرمز نزدیک) می‌توانند به پلتفرم‌های هوایی نصب شوند.

علاوه بر این، عکاسی هوایی می‌تواند فعال یا غیرفعال باشد و از زوایای عمودی یا مایل انجام شود. در استفاده از عکس‌های هوایی باید دقت کرد، زیرا حسگرهایی که برای گرفتن عکس‌ها استفاده می‌شوند، مشابه دوربین‌ها در استفاده از لنز عمل می‌کنند. این لنزها به تصاویر انحنا اضافه می‌کنند که این انحنا به‌ویژه با دور شدن از مرکز تصویر قابل مشاهده‌تر می‌شود (شکل ۴٫۱۵ “خطای انحنای ناشی از ویژگی‌های عدسی شکل دوربین”).

شکل ۴٫۱۵ خطای انحنای ناشی از ویژگی های عدسی شکل دوربین

یکی دیگر از منابع احتمالی خطا در عکس‌های هوایی، جابجایی امدادی است. این خطا از ویژگی‌های سه‌بعدی سطح زمین ناشی می‌شود و به صورت خم شدن آشکار اجسام عمودی از نقطه مرکزی یک عکس هوایی نمایان می‌گردد. برای تصور این نوع خطا، فرض کنید که یک دودکش در صورتی که دوربین مستقیماً بالای آن قرار داشته باشد، به شکل یک دایره (مانند دونات) به نظر می‌رسد. اما اگر همین دودکش در نزدیکی لبه‌ی میدان دید دوربین قرار گیرد، لبه‌های دودکش قابل مشاهده خواهند بود. این خطا به‌ویژه در درختان و ساختمان‌های چندطبقه مشاهده می‌شود و با ویژگی‌های بلندتر، شدت بیشتری پیدا می‌کند.

Orthophotos یا عکس‌های ارتو، عکس‌های عمودی هستند که به طور هندسی اصلاح شده‌اند تا انحنا و خطای ناشی از ویژگی‌های زمین را حذف کنند (شکل ۴٫۱۶ “Orthophoto”). رایج‌ترین محصول ارتوفوتو، چهارگوش ربع ارتو دیجیتال (DOQQ) است. DOQQ‌ها توسط سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) تهیه می‌شوند و این تصاویر ابتدا از کتابخانه عکس‌های برنامه ملی عکاسی هوایی در مقیاس ۱:۴۰۰۰۰ تولید شدند. این تصاویر به‌صورت رنگی یا خاکستری با وضوح فضایی ۱ متر و وضوح رادیومتریک ۸ بیتی در دسترس هستند. همانطور که از نام آن پیداست، هر تصویر DOQQ، یک چهارم از یک چهارضلعی ۷٫۵ دقیقه‌ای USGS را پوشش می‌دهد که مساحتی تقریباً برابر با ۲۵ مایل مربع دارد. علاوه بر این تصاویر، یک حاشیه اضافی به عرض ۵۰ تا ۳۰۰ متر در اطراف عکس‌ها قرار دارد که به کاربران امکان می‌دهد تا چندین DOQQ را در یک تصویر پیوسته و یکپارچه ترکیب کنند. این DOQQ‌ها برای استفاده در GIS به‌عنوان اطلاعات پس‌زمینه نمایش، ویرایش داده‌ها و دیجیتالی‌سازی هدآپ ایده‌آل هستند.

شکل ۴٫۱۶ Orthphoto

منبع: داده های موجود از سازمان زمین شناسی ایالات متحده، مرکز مشاهده و علم منابع زمین (EROS)، سیوکس فالز، SD.

خوراکی های کلیدی

• تصاویر ماهواره‌ای یک ابزار رایج برای برنامه‌های نقشه‌برداری GIS است، زیرا این داده‌ها به دلیل پیشرفت‌های تکنولوژیکی در حال انجام به طور فزاینده‌ای در دسترس می‌شوند.
• تصاویر ماهواره ای می توانند غیرفعال یا فعال باشند.
• چهار نوع وضوح مرتبط با تصاویر ماهواره ای عبارتند از: فضایی، طیفی، زمانی و رادیومتری.
• عکس‌های هوایی عمودی و مایل اطلاعات پایه ارزشمندی را برای کاربردهای GIS فراهم می‌کنند.

تمرین

به وب‌سایت EarthExplorer ( http://edcsns17.cr.usgs.gov/EarthExplorer) بروید و دو تصویر ماهواره‌ای از منطقه‌ای که در آن زندگی می‌کنید دانلود کنید. رزولوشن های مختلف فضایی، طیفی، زمانی و رادیومتری برای این دو تصویر چیست؟ آیا این ماهواره ها تصاویر فعال یا غیرفعال (یا هر دو) را ارائه می دهند؟ آیا آنها زمین ساکن هستند یا همگام با خورشید؟