فناوری تصویربرداری فراطیفی

بهره‌گیری از فناوری سنجش از دور و انواع تصاویر ماهواره‌ای در طی سال‌های اخیر به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع جمع‌آوری اطلاعات به منظور مطالعه و پایش منابع زمینی و بهره‌برداری بهینه از آنها، توجه بسیاری از کارشناسان و متخصصان علوم مختلف از جمله زمین‌شناسی، معدن، محیط زیست، هواشناسی، کشاورزی، هیدرولوژی و غیره را به خود جلب نموده است. بر همین اساس نیز متناسب با ویژگی‌ها و نیازهای هر یک از علوم مذکور، سنجنده‌هایی با قابلیت‌های متفاوت طراحی و ساخته شده است. اما با توجه به محدودیت‌های موجود در فناوری ساخت و تولید سنجنده‌ها از بعد سخت‌افزاری، توان تفکیک مکانی و یا طیفی آنها در برخی موارد پاسخگوی نیاز کارشناسان نبوده و موجب کاهش قابلیت اطمینان و دقت نتایج و عدم امکان بررسی جزئیات می‌شد. در حالی که امروزه با پیشرفت سریع و شایان‌توجه صنایع الکترونیک و الکترواپتیک و فناوری ساخت قطعات الکترونیکی با ابعاد بسیار کوچک و سامانه‌های اپتیکی پراکنش طیفی دقیق، امکان طراحی و ساخت سنجنده‌هایی با توان تفکیک مکانی و طیفی بسیار خوب فراهم شده و این امر دستیابی متخصصان به داده‌هایی دقیق‌تر با ارزش اطلاعاتی بیشتر را فراهم نموده است. یکی از انواع این داده‌ها که از قابلیت تفکیک طیفی بسیار بالایی برخوردار است، تصاویر فراطیفی است که در ادامه بحث به ویژگی‌ها و کاربردهای آنها خواهیم پرداخت.

 

تصویربرداری فراطیفی برای اولین بار به منظور جمع‌آوری داده‌های مناسب برای تهیه نقشه‌های زمین‌شناسی و اکتشاف معادن در اواخر دهه هفتاد میلادی در ایالات متحده آمریکا انجام شد و به سرعت توسعه و گسترش یافت. مهم‌ترین مرحله پیشرفت و تحول این فناوری، در سال 1989 و همزمان با ساخت  [سنجنده هوابرد آویریس]  توسط مرکز جی‌پی‌ال ناسا صورت گرفت که قادر به نمونه‌برداری در 224 باند طیفی بود و پس از آن انواع سنجنده‌های فراطیفی هوابرد و فضایی دیگر نیز طراحی و ساخته شدند که نمونه‌هایی از آنها در جدول (1) ارائه شده است.

 

 

 

ایده اساسی طراحی و توسعه سنجنده‌های فراطیفی بر مبنای مفاهیم فیزیکی مورد توجه در سنجش از دور در مورد طیف الکترومغناطیس شکل گرفته است. همان‌طور که می‌دانید هر عنصر یا ماده خاص بر اساس ترکیب و ساختار مولکولی خود، عکس‌العمل بازتابی مشخصی به نواحی مختلف طیف الکترومغناطیس در طول‌موج‌های گوناگون نشان می‌دهد و این عکس‌العمل برای عناصر و مواد مختلف در شرایط یکسان، متفاوت بوده و مانند اثر انگشت انسان‌ها برای هر ماده منحصر به‌فرد است. این عکس‌العمل‌ها در طول‌موج‌های گوناگون با پهنای باند بسیار کم توسط طیف‌سنج ثبت شده و نتیجه آن یک نمودار شبه‌پیوسته تحت عنوان منحنی طیفی خواهد بود. اندازه‌گیری‌های مذکور در محیط آزمایشگاهی و در شرایط معین برای مواد مختلف انجام شده و منحنی‌های حاصل در یک بانک اطلاعاتی تحت عنوان کتابخانه طیفی ذخیره‌سازی می‌شوند و به عنوان طیف مرجع جهت مقایسه با منحنی‌های بازسازی شده توسط سنجنده‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.  

 

با توجه به شرایط موجود در آزمایشگاه، نمونه‌برداری‌های طیف مرجع با پهنای باند بسیار کوچک در حدود یک نانومتر هم قابل انجام است که نتیجه آن یک طیف شبه‌پیوسته از مواد مختلف است. اما به دلیل متحرک بودن سکوی حامل طیف‌سنج‌هایی که در سنجنده‌های تصویربرداری چندطیفی قرار گرفته‌اند و سرعت بالای آن، زمان و فرصت کافی برای نمونه‌برداری دقیق وجود نداشته و فواصل نمونه‌برداری افزایش می‌یابد. البته این امر مرتبط با نوع اطلاعات مورد درخواست از سنجنده‌ بوده و فواصل نمونه‌برداری در سنجنده‌های مختلف که برای کاربردهای خاص طراحی شده اند، متفاوت است. اما طی سال‌های اخیر فناوری ساخت طیف‌سنج‌ها این امکان را به وجود آورده که با وجود نصب آنها در سکوهای متحرک، قادر به نمونه‌برداری با پهنای باند بسیار کوچک درحدود ده نانومتر در محدوده‌ طیف‌های مرئی، مادون‌قرمز نزدیک و مادون‌قرمز کوتاه باشند (2500-400 نانومتر) که با انجام یک محاسبه ساده‌ ریاضی مشاهده می‌شود نتیجه‌ این نمونه‌برداری، جمع‌آوری و ثبت اطلاعات طیفی عناصر مختلف در بیش از 200 باند طیفی بوده و منحنی‌های طیفی بازسازی شده شباهت زیادی با طیف مرجع اندازه‌گیری شده در محیط آزمایشگاه خواهند داشت.

 

اصولاً عنوان فراطیفی نیز به همین دلیل در مورد این نوع داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد که حاوی اطلاعات طیفی باارزشی در تعداد باند‌های طیفی بسیار زیاد با توان تفکیک طیفی بسیار بالا هستند. این ویژگی امکان تشخیص و تمایز مواد و عناصر مختلف از یکدیگر را با وجود شباهت‌های طیفی زیاد، بر اساس مقایسه پاسخ طیفی هر یک از آنها در طول‌موج‌های گوناگون فراهم می‌سازد. درحالی که در داده‌های چندطیفی به دلیل وسعت پهنای باند طیفی بازسازی شده ممکن است در محدوده‌هایی از طیف الکترومغناطیس که تفاوت فاحشی در منحنی طیفی عناصر وجود دارد نمونه‌برداری انجام نشده باشد و منحنی یکسانی از دو ماده مختلف در آن ناحیه حاصل شود و امکان تشخیص آنها وجود نداشته باشد. در اشکال (1) و (2) به ترتیب تفاوت نمونه‌برداری سنجنده‌های چندطیفی و فراطیفی و عدم توانایی تشخیص سنگ معدنی کائولینیت در داده چندطیفی تی‌ام قابل مقایسه است.   

شکل 1- مقایسه نمونه‌برداری سنجنده‌های چندطیفی و فراطیفی

 

 

 

شکل 2- عدم توانایی تشخیص سنگ معدنی کائولینیت توسط داده چندطیفی

 

 

البته این ویژگی موجب افزایش قابل توجه حجم داده‌های فراطیفی نسبت به داده‌های چندطیفی شده و در نتیجه روش‌های ذخیره‌سازی، فشرده‌سازی و نمایش آنها نیز متفاوت خواهد بود.

 

در واقع، نتیجه تصویربرداری هم‌زمان در باندهای متعدد توسط سنجنده، هم‌زمان با حرکت سکوی هوایی و یا فضایی حامل آن، یک مجموعه داده سه‌بعدی متشکل از میلیون‌ها المان تصویری خواهد بود. این نوع داده در سنجش از دور تحت عنوان مکعب تصویری شناخته می‌شود که دو بعد آن معرف اطلاعات مکانی و بعد سوم نشان‌دهنده اطلاعات طیفی است. به عبارت دیگر در این نوع تصاویر، هر پیکسل تصویری به صورت یک بردار L بعدی (L نشان‌دهنده تعداد باندهای طیفی) ذخیره‌سازی و مورد پردازش قرار می‌گیرد. در شکل (3) می‌توانید یک نمونه از مکعب تصویری داده فراطیفی را مشاهده نمایید.

 

 

شکل 3- مکعب تصویری داده فراطیفی

 

به علت حجم بسیار زیاد این داده‌ها، بسیاری از تحقیقات انجام شده در گذشته، بر موضوع چگونگی فشرده‌سازی، ذخیره‌سازی و انتقال این نوع داده‌ها و انتخاب بهینه باند‌های طیفی مناسب از میان تمامی باندهای موجود در الگوریتم‌ها و کاربردهای مختلف متمرکز شده بود. اما اخیراً مهم‌ترین موضوعات تحقیقاتی مرتبط با این داده‌ها، به توسعه و بهبود انواع الگوریتم‌های شناسایی، جداسازی، تعیین ویژگی اهداف، طبقه‌بندی و آشکارسازی آنها به‌ویژه به صورت خودکار می‌پردازند.

 

در الگوریتم‌های طبقه‌بندی، هدف اصلی تعیین تعداد و نوع کلاس‌های موجود در تصویر و همچنین خصوصیات و ویژگی‌های آنها با استفاده از اطلاعات طیفی موجود در کتابخانه‌های طیفی، نمونه‌های آموزشی و یا اطلاعات واقعیت زمینی است که نسبت به داده‌های چندطیفی امکان بررسی اشیاء و پدیده‌ها در سطوحی با جزئیات بیشتر در این داده‌ها فراهم می‌شود. به عنوان مثال، اگر با استفاده از داده‌های چندطیفی فقط تفکیک اراضی زراعی و غیرزراعی میسر باشد، تصاویر فراطیفی امکان تفکیک انواع محصولات زراعی و گونه‌های مختلف گیاهی را نیز فراهم می‌سازد. الگوریتم‌های آشکارسازی به منظور جستجو و تشخیص حضور یک یا چند هدف یا پدیده خاص موجود در مکعب داده‌ها توسعه یافته‌اند. در الگوریتم‌های شناسایی و آنالیزهای جداسازی نیز، شناسایی دقیق و تفکیک اهداف آشکارسازی شده یا موجود در کلاس‌های حاصل از طبقه‌بندی مد نظر است که بدین منظور، اطلاعات صحیحی از مشخصه‌های طیفی آنها جهت تطابق با منحنی‌های موجود درکتابخانه‌های طیفی مرجع، مورد نیاز است.

با توجه به ویژگی‌های یاد شده از کاربردهای این داده‌ها می‌توان به مواردی چون شناسایی و پاک‌سازی مناطق جنگی آلوده، عملیات جستجو و نجات، شناسایی ادوات نظامی پنهان و استتار شده، برآورد دقیق محصولات کشاورزی، مطالعه گونه‌های مختلف پوشش گیاهی، آفات و استرس‌های گیاهی، زمین‌شناسی و اکتشاف معادن به صورت دقیق، مطالعات منابع آب و آشکارسازی آلودگی‌ها، پایش‌های زیست محیطی، مطالعات شهری، آشکارسازی اتوماتیک اهداف، تصویربرداری پزشکی و تشخیص غدد سرطانی و ... اشاره نمود.

در ادامه به معرفی سنجنده [هایپریون ] که بر روی [ماهواره ئی‌او-1] نصب شده است، به عنوان مهم‌ترین سنجنده فضایی فراطیفی مورد استفاده در حال حاضر خواهیم پرداخت.

 

---

ماهواره ئی‌او-1 ماهواره ئی‌او-1 در تاریخ ۲۱ نوامبر سال 2000 میلادی به وسیله ناسا و به منظور مقایسه با داده‌های ماهواره لندست- 7 به صورت آزمایشی در مدار قرار داده شد. بر روی این ماهواره سه سنجنده شامل اولین سنجنده فراطیفی فضایی به نام هایپریون، [سنجنده چندطیفی ای‌ال‌آی] و [سنجنده فراطیفی ای‌سی] با مشخصاتی که در جدول (2) مشاهده می‌کنید، نصب شده است.    این ماهواره با ٦٠ ثانیه اختلاف زمانی با ماهواره لندست 7 و در همان مدار به صورت خورشید آهنگ در فاصله 750 کیلومتری از سطح زمین با زاویه میل مداری 2/98 درجه حرکت می‌کند. دوره مداری آن  نیز 9/98 دقیقه بوده که بیش از ۱٤ مدار را در طول یک روز پوشش می‌دهد. دوره گردش کامل این ماهواره ۱٦ روز است و در حالت نزولی در ساعت 10:01' صبح از استوا عبور می‌کند. سرعت حرکت این ماهواره در نقطه حضیض، 74/6 کیلومتر بر ساعت است و امکان تصویربرداری از کنار با حداکثر زاویه ۲۲ درجه را نیز فراهم می‌کند. به این ترتیب، می‌توان از یک ناحیه خاص بر روی زمین در طول ۱٦روز، سه بار تصویربرداری نمود. در شکل (4) مدار حرکت این ماهواره و سطح پوشش تصویربرداری آن در مقایسه  با لندست 7 نمایش داده شده است.    شکل 4- مقایسه مدار حرکت ماهواره‌های لندست 7 و ئی‌او-1

---

معرفی سنجنده هایپریون سنجنده هایپریون از فناوری [پوش‌بروم ] در تصویربرداری استفاده می‌کند و در هر فریم تصویری محدوده‌ای به عرض 6/7 کیلومتر در جهت عمود بر حرکت را برداشت می‌کند. به این ترتیب با حرکت سنجنده، اطلاعات طیفی اشیاء و پدیده‌های گوناگون موجود در سطح زمین در فریم‌های تصویری متوالی به صورت مکعب‌های سه‌بعدی به عنوان داده فراطیفی ثبت و ذخیره‌سازی می‌شود.   اما فناوری تصویربرداری پوش‌بروم مورد استفاده در این سنجنده، با سنجنده‌های عادی متفاوت است. به عنوان مثال، در سنجنده [ئی‌تی‌ام+] مجموعه‌ای از آرایه‌های آشکارساز خطی و یک آینه به کار گرفته می‌شود که به وسیله آنها سطح زمین در جهت عمود بر حرکت، اسکن شده و تصویر چندطیفی به صورت دوبعدی ایجاد می‌شود. با پیشرفت فناوری ساخت آرایه‌های دوبعدی و قرارگیری آنها در صفحه کانونی سامانه نوری سنجنده، تصویر دوبعدی مذکور بدون نیاز به حرکت قابل تشکیل است و بدین ترتیب، زمان تمرکز بیشتری به منظور ثبت اطلاعات در یک محدوده معین برای سنجنده فراهم شده و موجب بالا رفتن نسبت سیگنال به نویز و به عبارت دیگر کیفیت داده تصویری می‌شود. این سامانه همچنین مشکل مهم سنجنده‌های پوش‌بروم با فناوری آشکارسازی خطی را که نیازمند [واسنجی] تعداد بسیاری از پیکسل‌ها هستند را نخواهد داشت و حل این مسأله عاملی کلیدی در موفقیت برنامه ساخت سنجنده هایپریون به شمار می‌رود. در شکل (5) نحوه تشکیل مکعب تصویری در سنجنده هایپریون قابل مشاهده است.     شکل 5- نحوه تشکیل مکعب تصویری سنجنده هایپریون     بخش نوری سنجنده‌هایپریون نیز از یک تلسکوپ با طراحی آستیگمات سه‌آینه‌ای و دو طیف‌سنج مجزا برای محدوده‌های طیف مرئی- [مادون قرمز نزدیک] و [مادون قرمز کوتاه] تشکیل شده است. طیف‌سنج [وی‌ان‌آی‌آر] دارای آرایه‌هایی با ابعاد 60 میکرومتر است که از اتصال زیرآرایه‌های ۳x۳ با ابعاد 20 میکرومتر به وجود آمده‌اند. این طیف‌سنج قادر به ثبت اطلاعات طیفی در 70 طول‌موج مختلف در محدوده طیفی 400 تا 1000 نانومتر، با توان تفکیک طیفی 10 نانومتر و در 256 ردیف آرایه‌های پیکسلی است. طیف‌سنج [سوئیر] نیز دارای آشکارسازهایی با ابعاد 60 میکرومتر در 256 ردیف مکانی است که اطلاعات طیفی در محدوده 2500-900  نانومتر را در 172 باند طیفی نمونه‌برداری می‌کند که با احتساب طیف‌سنج وی‌ان‌آی‌آر در مجموع در242 باند طیفی، اطلاعات ثبت خواهد شد. در شکل (6) بخش‌های مختلف سامانه نوری مورد استفاده در سنجنده‌های فراطیفی قابل بررسی است.       شکل 6- بخش‌های مختلف سامانه نوری سنجنده‌های فراطیفی   بخش‌های دیگرسنجنده نیز   از ابتدای دسامبر سال 2001 این داده‌ها در سطح 1بی1 در آرشیو موجود است و به راحتی در اختیار کاربران قرار می‌گیرد. همچنین امکان سفارش اخذ داده‌های جدید نیز فراهم است که البته با قیمت بسیار بالاتری نسبت به داده‌های آرشیو ارائه می‌شود.   حذف اثر سایر خطاها به عهده کاربر است که مهم‌ترین آنها عبارتند از: واسنجی دوباره، همردیف‌سازی پیکسل‌ها در دو ناحیه وی‌ان‌آی‌آر و سوئیر، حذف باندهای مشترک در دو ناحیه وی‌ان‌آی‌آر و سوئیر، حذف باندهای صفر، حذف [خطای نواری شدن] و انجام تصحیحات اتمسفری.   در نهایت، پس از حذف خطاهای مذکور می‌توان با به‌کارگیری این داده در الگوریتم‌های گوناگون پردازش تصاویر فراطیفی به عنوان یک منبع غنی اطلاعات طیفی در مورد اهداف و پدیده‌های موجود در منطقه مورد نظر، به بررسی دقیق آنها پرداخت.   شامل سامانه خنک‌کننده، سامانه واسنجی همزمان با پرواز و صفحه کانونی الکترونیکی با سرعت بالا است. پس از دریافت تصویر ثبت‌شده از ماهواره توسط مرکز کنترل پردازش سطح صفر بر روی آن صورت می‌گیرد که شامل حذف خطای انتقال اطلاعات و مرتب‌سازی قالب داده است. داده سطح صفر به همراه داده‌های کمکی و اطلاعات پردازشی به مرکز پردازش فرستاده می‌شود تا ارزیابی شده و پردازش‌های سطح یک بر روی آن انجام گیرد.

---

مراجع

[1] - Remote Sensing Tutorial of NASA [2] - Shaw G.A. and Burke H.K., "Spectral Imaging for Remote Sensing ", Lincoln Laboratory Journal, Volume 14, Number1, 2003, pp. 3-28. [3] - Manolakis D., Marden D., and Shaw G.A., "Hyperspectral Image Processing for Automatic Target Detection Applications ", Lincoln Laboratory Journal, Volume 14, Number 1, 2003, pp. 79-116. [4] - Beck R., "EO-1 User Guide V. 2.3 ", Department of Geography, University of Cincinnati, Ohio, July 15, 2003. [5] - Shippert P., "Introduction to Hyperspectral Image Analysis", Research Systems Inc., 2003. [6] - Landgrebe D., “Hyperspectral Image Data Analysis as a High Dimensional Signal Processing Problem ",IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 19, No. 1, January 2002, pp. 17-28. [7] - Pearlman J. S., "Hyperion Validation Report", NASA/GSFC, July 16, 2003. [8] - فهیم نژاد، حامد، ” ارزیابی تفکیک نوع محصولات کشاورزی با استفاده از دادههای فراطیفی"، پایان نامه کارشناسی ارشد سنجش از دور، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، 1386. [9] - صوف باف، سید رضا، ” آنالیز جداسازی و تشخیص آنومالی برای تعیین اهداف در تصاویر فراطیفی"، پایان نامه کارشناسی ارشد سنجش از دور، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، 1386.