عنوان مقاله: سنجش از دور
وضعیت نگارش: مقاله کامل است
خلاصه مقاله:
سنجش از دور عبارت است از تشخیص و جمع‌آوری داده از فاصله دور. این تعریف محدوده بسیار وسیعی دارد اما آنچه که امروزه به عنوان سنجش از دور از آن یاد میشود، داده‌هایی هستند که از طریق انواع وسایل پرنده از اشیاء، پدیده‌ها و عوارض، ثبت و ارسال شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. لذا با این مفهوم، سنجش از دور با اختراع هواپیما متولد شد و دستیابی بشر به فضا نیز این علم را دچار یک جهش بسیار بزرگ کرد. انقلاب دیجیتال و تحول در افزایش کارآیی انواع سنجنده‌ها نیز جهش بزرگ دیگری بود که در دو دهه اخیر این حوزه را متحول کرد. امروزه سنجش از دور با صنعت فضایی گره خورده است.
مقدمه سنجش از دور یعنی تشخیص و جمع‌آوری داده از فاصله دور[1] و عمدتاً به عنوان فناوری و علمی تعریف میشود که به وسیله آن میتوان بدون تماس مستقیم، مشخصه‌های (مکانی، طیفی، زمانی) یک شیء یا پدیده را تعیین، اندازه‌گیری و یا تجزیه و تحلیل نمود[2]. با نداشتن تماس مستقیم، باید روشی برای انتقال اطلاعات از طریق فضا مورد استفاده قرار گیرد. برای این منظور، واسطههای مختلفی مانند میدان جاذبه، میدان مغناطیسی، امواج صوتی و انرژی الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این وجود، فناوری رایج در سنجش از دور، استفاده از امواج الکترومغناطیس است.
در حالت کلی، تعریف فوق دامنه وسیعی از کاربردها نظیر مشاهدات زمینی، تصویربرداری پزشکی از طریق مافوق صوت، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، توموگرافی گسیل پوزیترون (PET) و تصویربرداری صنعتی را شامل میشود. در مفهوم مدرن، این اصطلاح عموماً به کاربرد فناوری‌های سنجنده‌های تصویربردار نصب‌شده بر روی هواپیماها و فضاپیماها گفته میشود که از زمینههای دیگر مرتبط با تصویربرداری مانند تصویربرداری پزشکی جداست[2]. سنجش از دور این امکان را فراهم می‌کند که از مناطق غیرقابل دسترس و خطرناک اطلاعات جمع‌آوری شود. نمونههایی از کاربردهای سنجش از دور شامل پایش جنگل‌زدایی، بررسی تاثیر تغییر اقلیم بر روی یخچال‌ها در مناطق قطبی، تعیین عمق بدنه‌های آبی و جمع‌آوری اطلاعات نظامی از مناطق پرخطر مرزی است. همچنین سنجش از دور می‌تواند جایگزین روش‌های پرهزینه جمع‌آوری اطلاعات میدانی شود. |
جهان نقطه آغاز علم سنجش از دور مدرن را میتوان از زمان توسعه پرواز دانست. در سال 1858، اولین عکس هوایی توسط گاسپار فیلیکس تورناکون از فراز شهر پاریس به‌وسیله یک بالن تهیه شد[2]. در واقع، توسعه صنعت هواپیمایی نقطه عطفی در تاریخ سنجش از دور به‌حساب می‌آید. در سال 1908، ویلبر رایت اولین هواپیمای عکاس را رهبری نمود که شخص دیگری در آن به تهیه عکس‌های هوایی می‌پرداخت. در سال‌های آخر جنگ جهانی اول، عکس‌های هوایی به صورت گسترده‌ای برای اهداف شناسایی به‌کار گرفته شدند. اما جنگ جهانی دوم، دوره جدیدی برای عکس‌برداری‌های هوایی به همراه داشت. در این زمان بود که پیشرفت‌های مهمی در صنعت عکس‌برداری حاصل و استفاده از فیلم‌های حساس مادون قرمز رایج شد[3]. با این وجود، بزرگ‌ترین تحول و جهش در فناوری سنجش از دور، با توسعه فناوری فضایی در اواخر دهه 50 میلادی رخ داد. ماهواره‌ها بستری را فراهم می‌کردند تا حسگرها بتوانند از بالاترین ارتفاع ممکن، با تسلط کامل بر سیاره زمین و در موقعیت‌های متوالی، به تهیه و ارسال داده‌ها بپردازند. از آن پس، ماهواره‌ها با داشتن مزایایی چون ماموریت بلندمدت و پوشش جهانی به عنوان سکوی متداول حامل سنجنده‌ها مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه فناوری سنجش از دور گسترش بسیار زیادی یافته است. سنجش از دور علاوه بر جایگاه علمی ویژه خود به عنوان ابزاری در دست دانشمندان علوم مختلف، به عنوان یک تجارت گسترده نیز مطرح است و کشورهای بسیاری وارد این حوزه شده‌اند. نقطه کلیدی توسعه این فناوری، پیشرفت در ساخت انواع سنجنده‌ها و توسعه علم پردازش داده‌ها است. در جهان امروز، نقشه‌برداری، هواشناسی، اقیانوس‌شناسی، زمین‌شناسی و بسیاری از حوزه‌های مشابه کاملاً وابسته به دانش سنجش از دور هستند. در آغاز قرن بیست و یکم و با پیشرفت بی‌سابقه و سریع در حوزه ارتباطات دیجیتالی، سنجش از دور حتی به خانه‌های مردم عادی نیز وارد شده است. مردم امروزه می‌توانند با استفاده از برخی خدمات اینترنتی، تصاویر ماهواره‌ای موردنظر خود را بر روی رایانه شخصی خود دریافت کنند. حتی امکان دیدن تصاویری از وضعیت خورشید و سیارات منظومه شمسی نیز برای عموم وجود دارد. شاید این پیشرفت را بتوان نشانه‌ای از یک جهش در فناوری سنجش از دور دانست. |
ایران سابقه تهیه عکس‌های هوایی سراسری از ایران به دهه 40 بازمی‌گردد. در کشور ما اولین فعالیت متمرکز برای وارد شدن در حوزه سنجش از دور ماهواره‌ای در سال 1353 به دنبال پرتاب اولین ماهواره منابع زمینی با تاسیس دفتر جمع‌آوری اطلاعات ماهواره‌ای در سازمان برنامه و بودجه وقت صورت گرفت که پس از مدتی دفتر مذکور به مرکز سنجش از دور تغییرنام داد. این مجموعه، در سال 1356، در قالب طرح استفاده از ماهواره، اقدام به خرید و نصب یک ایستگاه گیرنده تصاویر ماهواره‌ای در ماهدشت کرج نمود.
در سال 1371، طبق ماده واحده مصوب مجلس شورای اسلامی، مرکز سنجش از دور ایران در قالب یک شرکت دولتی به وزارت پست و تلگراف و تلفن سابق واگذار شد. متعاقباً در سال 1382، به منظور انجام مصوبات شورای عالی فضایی کشور، تمامی فعالیت‌های حاکمیتی مرکز سنجش از دور ایران به سازمان فضایی ایران محول شد[3]. |
فرآیند سنجش از دور فرآیند سنجش از دور از هفت مولفه تشکیل شده است: | | تصویر 1- فرآیند سنجش از دور: A، منبع انرژی؛ B، تعامل با اتمسفر؛ C، تعامل با سطح؛ D، سنجنده؛ E، انتقال؛ F، پردازش؛ و G، کاربرد (منبع: Canada Centre for Remote Sensing Remote Sensing) |
|
تابش الکترومغناطیس تابش الکترومغناطیس، حاملی از انرژی الکترومغناطیس است که نوسان میدان الکترومغناطیس را در فضا یا ماده انتقال می‌دهد. تابش الکترومغناطیس دارای هر دو ویژگی حرکت موجی و ذره‌ای است. از نقطه‌نظر موجی، تابش الکترومغناطیس را میتوان به عنوان یک موج عرضی حاصل از یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی در نظر گرفت که به طور عمود بر هم ارتعاش می‌کنند. | | تصویر2- موج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی که عمود بر هم نوسان می‌کنند، تشکیل شده است. |
| | تابش الکترومغناطیس در خلاء با سرعت نور و در جو با سرعتی کمتر حرکت می‌کند. تابش الکترومغناطیس را در تئوری ذره‌ای میتوان به صورت فوتون یا کوانتوم به حساب آورد. تابش الکترومغناطیس دارای چهار مشخصه فرکانس، راستای انتقال، دامنه و صفحه پلاریزاسیون است که هر کدام حاوی محتوای اطلاعاتی متفاوتی است و در سنجش از دور اهمیت زیادی دارند[4]. تابش الکترومغناطیس به صورت مجموعه پیوسته‌ای از طول موج‌ها و فرکانس‌ها از طول موج کوتاه امواج کیهانی تا طول موج بلند امواج رادیویی انجام می‌گیرد که میتوان بر اساس فرکانس یا طول موج، طیف الکترومغناطیس را تعریف کرد.
محدوده‌های طول موج دارای نام‌های مختلفی هستند که از اشعه گاما، اشعه X ، ماورای بنفش، نور مرئی، مادون قرمز، امواج رادیویی به‌ترتیب از طول موج کوتاه به بلند تشکیل می‌شوند. |
تمامی این طیف قابل استفاده در سنجش از دور نیست. طول موج‌هایی که در سنجش از دور بیش از همه مورد توجه هستند، طول موج‌های مربوط به تابش مرئی، مادون قرمز و مایکروویو هستند. | | تصویر 3- طیف الکترومغناطیس و کاربردهای آن |
|
انواع سنجش از دور براساس نوع منبع انرژی مورد استفاده، سنجش از دور به دو دسته سنجش از دور فعال و سنجش از دور غیرفعال تقسیم میشود. سنجش از دور غیرفعال هنگامی مطرح میشود که یک منبع طبیعی انرژی که عمدتاً خورشید است، مورد استفاده قرار گیرند. سنجنده‌های فعال، امواجی را از خود تولید می‌کنند و با تاباندن آن به سمت هدف موردنظر و دریافت بازتابش حاصل از آن، به هندسه یا ویژگی‌های هدف پی می‌برند. انواع سنجنده‌های راداری یا لیزری نمونه بارز این نوع هستند[5]. با توجه به محدوده‌های انرژی الکترومغناطیس به کار رفته و خصوصیات آنها در محدوده‌های طیفی نوری، حرارتی و مایکروویو، سنجش از دور نوری، سنجش از دور حرارتی و سنجش از دور مایکروویو مطرح می‌شوند. سنجش از دور اشعه ایکس و گاما در مقیاس محدودتری مطرح هستند. |
سکوها ، سنجنده‌ها و سامانههای دریافت و پردازش سکوها وظیفه حمل سنجنده و سایر قسمت‌های ماهواره را بر عهده دارند. ماهواره و هواپیما دو نمونه متداول سکوها هستند. سکوها در دو مدار خورشیدآهنگ و زمین‌آهنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتخاب مدار سکو با توجه به هدف طراحی‌شده برای ماموریت انجام میشود.
ماهواره‌های سنجش از دور عمدتاً در مدارهای خورشیدآهنگ قرار می‌گیرند تا زاویه بازتابش نور خورشید در نقاط مختلف زمین در تناوب‌های مختلف چرخش ماهواره ثابت باشد و از بالای هدف در زمان ثابتی عبور کنند. مدارهای زمین‌آهنگ برای کاربردهایی که به اطلاعات همزمان با توان تفکیک زمانی بالا مانند هواشناسی، نیاز است، مورد استفاده قرار می‌گیرند. | | تصویر 4- سامانههای مختلف سنجنده به‌کار رفته در ماهواره‌های مختلف (منبع: Jensen, John R., 2007, Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective) |
سنجنده‌های نصب‌شده بر روی سکوها، جمع‌آوری اطلاعات بازتابی از پدیده‌ها را برعهده دارند. سنجنده‌ها به طور کلی، به دو دسته سامانههای اسکن‌کننده و غیراسکن‌کننده تقسیم می‌شوند که هرکدام ممکن است از دو دسته تصویربردار و یا غیرتصویربردار باشند. در سنجش از دور عمدتاً سنجنده‌های گروه تصویربردار که خروجی تصویر تهیه می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. سنجنده‌های غیرتصویربردار برای تهیه پروفایل به کار گرفته می‌شوند. داده‌هایی که از طریق سنجنده‌ها به‌دست می‌آیند، باید ذخیره و دریافت شده و مورد پردازش قرار گیرند تا به اطلاعات مفید و قابل استفاده تبدیل شوند. ارسال داده از بستر به گیرنده‌های زمینی ممکن است بلادرنگ یا همراه با تاخیر باشد که هر یک کاربرد خاص خود را دارد. | | تصویر 5- منحنی بازتاب طیفی گیاه، درصد بازتابش از پوشش گیاهی سبز را نشان می‌دهد. این منحنی کلید تفکیک پدیده‌های مختلف سطح زمین است. |
|
توان تفکیک توان تفکیک به عنوان شاخصی که معرف دقت سنجنده در اخذ جزئیات بیشتر است، تعریف میشود. ماهواره‌ها و سنجنده‌ها با چهار نوع توان تفکیک شناخته می‌شوند. توان تفکیک مکانی مربوط به توان آشکارسازهای سنجنده در ارائه ابعاد پیکسل‌های خروجی کوچک‌تر است. توان تفکیک طیفی نشاندهنده تعداد و خصوصیات باندهایی است که سنجنده در آنها به تهیه تصویر می‌پردازد.
توان تفکیک زمانی به مدت زمانی اطلاق میشود که یک منطقه مجدداً تصویربرداری شود و به طور مستقیم به مدار سکو مرتبط است. قدرت تفکیک رادیومتریک نیز به تعداد بیت‌های حافظه اختصاص داده‌شده برای ذخیره‌سازی اطلاعات یک پیکسل اطلاق میشود.  | | تصویر 6- توان تفکیک مکانی وابسته به ابعاد پیکسل‌های زمینی است. (منبع: Jensen, John R., 2007, Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective) |
|
پردازش داده‌های سنجش از دور تجزیه و تحلیل تصاویر سنجش از دور از طریق متدها و تکنیک‌های پردازش تصویر شامل پردازش تصویر آنالوگ و پردازش تصویر رقومی صورت می‌گیرد. پردازش تصویر آنالوگ یا بصری بر روی کپی‌های سخت مانند عکس‌های هوایی اعمال میشود. در تجزیه تحلیل تصاویر از عناصر تفسیر مانند شکل، سایز، بافت، همراهی، تن، رنگ، پارالاکس، الگو، ارتفاع، سایه، مکان استفاده میشود. پردازش تصویر رقومی مجموعه‌ای از تکنیک‌هایی است که برای دستکاری تصاویر با رایانه استفاده میشود و عمدتاً شامل مراحل زیر است: پیش‌پردازش: مراحلی را که برای رفع نقایص و خطاهای تصاویر خام دریافت‌شده از سنجنده‌ها با هدف تصحیح یا جبران خطاهای سیستماتیک صورت می‌گیرد را شامل میشود. این مرحله شامل تصحیحات هندسی، رادیومتریک و اتمسفری است.
نمایش و بارزسازی تصویر به عملیات لازم برای ارتقای کیفی تصاویر به سطحی بهتر و قابل درک به منظور استفاده از تواناییهای تحلیل چشم انسان اطلاق میشود.
استخراج اطلاعات آخرین مرحله در به‌دست آوردن خروجی نهایی فرایند مزبور است. بعد از دو مرحله پیشین، تصاویر با استفاده از روش‌های کمّی تجزیه و تحلیل می‌شوند تا هر پیکسل به کلاس خاصی اختصاص داده شود. فرایند طبقه‌بندی، به دو صورت نظارت‌شده و نظارت‌نشده صورت می‌گیرد. بعد از تکمیل طبقه‌بندی ارزیابی، صحت طبقه‌بندی با مقایسه نمونههایی از تصویر با حقایق زمینی انجام میشود.
نتایج پایانی این فرایند به تصاویر، نقشهها، داده‌ها و گزارش‌هایی ختم میشود که ارائه‌دهنده اطلاعاتی در خصوص منابع داده، روش‌های تحلیل، خروجی و قابلیت اطمینان به آن است[6][7]. |
نرم‌افزارهای سنجش از دور به نظر می‌رسد که جدی‌ترین نرم‌افزار رایگان سنجش از دور، نرم افزار Chips باشد. با این وجود این نرم‌افزار، دیگر توسعه داده نمی‌شود و آخرین نسخه آن، 7/4 برای ویندوز است. تعداد زیادی از نرم‌افزارهای سنجش از دور به صورت منبع باز برای تجزیه و تحلیل داده‌های سنجش از دور چندطیفی و اَبَرطیفی از APIهای قابل برنامه‌نویسی تا نرم‌افزارهای کامل مانند GRASS موجود است. نرم‌افزار آموزشی DIPS نیز به آموزش مفاهیم پردازش تصویر در یک محیط شبیه‌سازی‌شده می‌پردازد. نرم‌افزارهای تجاری سنجش از دور توسط شرکت‌های متعددی تهیه و توزیع می‌شوند که محصول هر کدام، نقاط ضعف و قوت خاص خود را دارد. از این میان، میتوان به نرم‌افزارهای تخصصی سنجش از دور ENVI، PCI Geomatica ، ERDAS، ERMapper، Idrisi و Ilwis اشاره کرد. |
کاربردهای سنجش از دور اگر از کاربرد قدیمی سنجش از دور در حوزه شناسایی نظامی صرف‌نظر کنیم، سنتی‌ترین و معروف‌ترین کاربرد سنجش از دور در نقشه‌برداری و سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) است. اصولاً اختراع هواپیما و به‌ویژه دستیابی بشر به ماهواره، دنیای نقشه‌برداری را متحول کرد.
امروزه این امکان وجود دارد که دقیق‌ترین نقشه‌های جغرافیایی در حداقل زمان ممکن در مقیاس‌های محلی و جهانی تهیه شده و تغییرات آن به‌طور مداوم ثبت و ضبط شوند. با پیشرفت فناوری سنجنده‌ها و پردازش داده، سنجش از دور علاوه بر نقشه‌برداری توانست دنیای هواشناسی را نیز با جهش مواجه کند. امروزه سنجش از دور طیف بسیار وسیعی از کاربردها را پیدا کرده است. بررسی و شناخت فضای بیکران، پایش محیط زیست، اقیانوس‌شناسی، رصد و کمک به پیشگیری و مدیریت بلایای طبیعی (سیل، زلزله، سونامی و ...)، کویرزدایی، اکتشاف و استخراج منابع زیرزمینی، امداد و نجات و رصد تغییرات آب و هوای جهان از دیگر زمینههای کاربردهای سنجش از دور هستند. |
|
مراجع[1] - Williamson M., "Cambridge Dictionary of Space Technology", Cambridge University Press, First Edition, 2001.
[2] - www.wikipedia.org/Remote_sensing
[3] - وب‌سایت سازمان فضایی ایران
[4] - "مبانی سنجش از دور"، مترجمان فرشید جاهدی ، شاهرخ فرخی، مرکز سنجش از دور، 1375.
[5] - Rycroft M., "The Cambridge Encyclopedia of Space", Cambridge University Press, First Edition,1990.
[6] - gisdevelopment.net
[7] - حمید مالمیریان، "اصول و مبانی سنجش از دور و تعبیر و تفسیر تصاویر ماهواره‌ای"، انتشارات سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح، چاپ دوم، 1381. |
|
|