سکوها و سنجنده ها

شناخت دقیق سکوها و سنجنده ها اولین گام در دستیابی محققین در علم سنجش از دور است. 

 

سکوها (Platform)

1. در سنجش از دور سکو به محلی اطلاق می گردد که سنجنده در آن قرار می گیرد.

   2. سکوها بطور کلی شامل سکوهای زمینی، سکوهای هوایی و سکوهای فضایی هستند.

 

سكوهاي مورد استفاده در سنجش از دور

• سنجنده هاي مورد استفاده در سنجش از دور مي توانند در محيط هاي متفاوت و با ارتفاعات مختلفي  بكارگيري مي شوند.

• يك دوربين عكاسي مي تواند بر روي زمين ، بر روي بالن ، موشك ، هواپيما ، شاتل و ماهواره بكار گيري شود.
• محل بكارگيري سنجنده به بعنوان سكو شناخته مي شود و در  سنجش از دور به محل استقرار سنجنده سكو اطلاق مي گردد. سكوها بطور كلي به سه دسته ذيل تقسيم مي گردند:

–       سكوهاي زميني

–       سكوهاي هوايي

–       سكوهاي فضايي

• سکوهای زمینی معمولا جهت ثبت جزییات اطلاعات طیفی عوارض سطح زمین و مقایسه آن با اطلاعات طیفی عوارض که توسط سنجنده های هوایی و یا ماهواره ها جمع آوری شده است بکار می رود.
• سکوهای هوایی شامل هواپیما و هلیکوپتر جهت جمع آوری اطلاعات عوارض سطح زمین می باشد.
• سکوهای فضایی  در سنجش از دور شامل شاتلهای فضایی، سفینه ها، ایستگاههای فضایی و بیشتر شامل ماهواره ها می باشد. این سکوها معمولا در ارتفاع بالای 200کیلومتری سطح زمین قرار می گیرند و سنجنده های مختلف را برای جمع آوری اطلاعات منابع زمینی و هواشناسی و یا مخابراتی در اطراف زمین حمل می کنند.

Remote sensing platforms

ماهواره ها(Satellite)

• ماهواره ها از مهمترین سکوهای فضایی در سنجش از دور می باشند که جهت اهداف مختلف مخابراتی، هواشناسی، نظامی ، مطالعات منابع زمینی و…پرتاب می گردند.

• مهمترین خصوصیات ماهواره ها که باعث گردیده است روز به روز بر تنوع و تکنولوژی  و کاربرد آنها در زمینه های گوناگون افزوده گردد عبارت است از:
• ü     پوشش تکراری تصاویر ماهواره ای
• ü     پوشش وسیع تصاویر ماهواره ای
• ü      استفاده از قسمت وسیعی از طیف الکترومغناطیسی جهت سنجش

 

انواع مدارهاي ماهواره ها

• مدارهاي پايين زمين  ( Low earth orbit  = LEO ) ماهواره هاي محلي هستند که براي پوشش يک کشور ساخته شده اند.

• مدارهاي همزمان زميني (Geosynchronous earth orbit) : ماهواره هاي منطقه اي هستند که براي پوشش دادن يک منطقه خاص طراحي شده و آنتنهاي آنها به طريقي ساخته شده اند که حداکثر قدرت تشعشعي را درپرتو اصلي خود برروي منطقه مورد نظر متمرکز مي کنند .
• مدارهاي ثابت زميني (Geostationary earth orbit) GEO  ماهواره هاي بين المللي هستند که با استفاده از يک سري ماهواره تعبيه شده درفواصل مشخصي از يکديگر و در مدار سنکرون , کليه نقاط کره زمين را زير پوشش قرار مي دهند و به هم متصل مي سازند.

• ماهواره هاي مخابراتي با ارتفاع كم و پوشش جهاني و ماموريت هاي چندگانه از قبيل ماهواره اليديوم كه تقريباً از يكسري 80 تايي ماهواره هاي مخابراتي تشكيل گرديده است و از آن جهت پخش برنامه هاي تلويزيوني و يا شبكه هاي موبايل و فعاليت هاي مخابراتي استفاده مي گردد.

 

مدارهای نزدیک قطبی یا شبه قطبی (Near-polar orbits

• در یک مدار نزدیک قطبی (شمالی-جنوبی) همراه با حرکت زمین(غربی-شرقی)به گونه ای در حرکتند که در یک دوره زمانی مشخص، بیشتر یا همه سطح زمین را پوشش می دهند.

• این ماهواره ها خورشید آهنگ یا (Sun-synchronous)

به این مفهوم که هر منطقه از سطح زمین را در یک زمان ثابت محلی پوشش می دهند.

• بیشتر ماهواره های منابع زمینی یا مشاهدات زمینی مانند لندست، اسپات در این گروه قرار می گیرند.

• ارتفاع این ماهواره ها از 200 تا 1000 کیلومتر از سطح زمین متغیر می باشد.

مدارهاي ثابت زميني (Geostationary orbit)

• زاويه صفحه‎اي که مداردرآن قرار گرفتهو صفحه‎اي که از استواي زمين مي‎گذرد, صفر است . در نتيجه اين دو صفحه بر هم منطبق مي‎شوند. مدار ثابت  زميني در فاصله حدود36000 کيلومتري زمين قراردارند.

• سرعت چرخش ماهواره با سرعت چرخش زمین تطابق دارد بطوریکه نسبت به زمین ساکن به نظر می رسد.
• یک منطقه خاص را بطور دائمی مشاهده و از آن اطلاعات تهیه می کند

• مدارات بیشتر ماهواره های مخابراتی و هواشناسی از این نوع می باشد.

سنجنده ­ها (Sensor)

• سيستم دريافت كننده داده در ماهواره و يا سطح زمين ، سنجنده (Sensor)ناميده مي شود .

• سنجنده وسیله ای است که اشعه الکترومغناطیسی منعکس شده از پدیده های مختلف یا سایر انرژی ساطع شده(مانند مادون قرمز حرارتی) را جمع آوری نموده و به شکلی مناسب برای کسب اطلاعات از محیط اطراف ارائه می دهد.
• بيشتر سنجنده هاي مورد استفاده در سنجش از دور براي اندازه گيري فوتون ها يا اثر فتوالكتريك طراحي گرديده اند.
• سنجنده ها به انواع مختلفي تقسيم بندي مي گردند.

–       دوربين هاي رقومي و آنالوگ

–       سنجنده هاي چند طيفي

–       سنجنده هاي حرارتي

–       سنجنده هاي راداري

–       سنجنده هاي ليزري

–       سنجنده هاي صوتي

تقسیم بندی سنجنده ها براساس منبع انرژی:

ü     – سنجنده های فعال:

این سنجنده ها خود دارای مولد انرژی الکترومغناطیسی هستند. این انرژی به طرف پدیده مورد نظر فرستاده شده و بازتاب آنها جمع آوری و ثبت می گردتد مثل میکروویو فعال و رادار.

ü        – سنجنده های غیر فعال:

این سنجنده هاخود دارای مولد انرژی الکترومغناطیسی نیستند بلکه انرژی منعکس شده از پدیده های مختلف زمینی را که اشعه الکترومغناطیسی خورشید به آنها تابیده است، جمع آوری می کنند.

سنجنده هاي فعال و غير فعال

–         سنجنده هاي مورد استفاده در سنجش از دور  به دو دسته سنجنده هاي فعال و سنجنده هاي غير فعال تقسيم بندي مي گردند.

–          منبع انرژي در سنجنده هاي غير فعال خورشيد بوده و اين سنجنده ها انرژي بازتابي يا انعكاسي عوارض سطح زمين را كه عموماً در طول موج هاي مرئي ، مادون قرمز نزديك – متوسط و مادون قرمز دور و حرارتي قرار دارند را دريافت مي نمايند.

–         بيشتر سنجنده هاي غير فعال در طول روز قادر به جمع آوري اطلاعات از سطح عوارض و پديده هاي زمين مي باشند ولي سنجنده هاي حرارتي مي توانند بصورت شبانه روزي فعاليت داشته باشند.

–         سنجنده هاي فعال داراي منبع انرژي بوده و همانند رادار باز گشت انرژي تابانده شده به سطح اشياء و عوارض سطح زمين را كه در ناحيه ميكروموج طيف الكترومغناطيس قرار دارد را دريافت مي كنند.

–         هر يك از سنجنده هاي فعال و غير فعال به دسته هاي كوچكتري تقسيم مي گردند و همچنان در حال توسعه و پيشرفت مي باشند. از ميان سنجنده هاي فوق دوربين هاي آنالوگ و رقومي ، رادار ، طيف سنج ها و سنجنده هاي موضوعي بيشترين كاربرد را در سنجش از دور دارا مي باشند.

انواع فيلم هاي دوربين هاي هوايي و يا تصاوير ماهواره اي

• فيلم هاي سياه و سفيد معمولي
• فيلم هاي رنگي معمولي
• فيلم هاي سياه و سفيد مادون قرمز
• فيلم هاي رنگي مادودن قرمز

سنجنده هاي چند طيفي

• طيف الكترومغناطيس از بخش هاي مختلفي تشكيل گرديده است و رفتار و خصوصيات طيفي پديده هاي سطح زمين در بخش هاي مختلف طيف الكترومغناطيس متفاوت مي باشد.

• ابزار تشخيص و ثبت داده ها در بخش هاي گوناگون طيف الكترومغناطيس به عنوان سنجنده هاي چند طيفي يا (Multi Spectral) معروف مي باشند.
• بيشتر سنجنده هاي چند طيفي موجود در بازار از قبيل تصاوير اخذ شده توسط سنجنده ETM ماهواره لندست قابليت ثبت داده ها در بخش هاي آبي ، سبز ، قرمز ، مادون قرمز نزديك ، مادون قرمز مياني و مادودن قرمز حرارتي دارا مي باشند.

• ماهواره هاي سنجش از دوري و يا ماهواره هاي منابع زميني داراي سنجنده هاي متعددي مي باشند كه مهمترين آنها سنجنده هاي پانكروماتيك ، سنجنده هاي چند طيفي ، سنجنده هاي ابر طيفي و سنجنده هاي موضوعي مي باشد.

سنجنده پانكروماتيك

• سنجنده اي كه بازتاب طيفي را در تمام طول موجهاي مرئي آبي ، سبز و قرمز طيف الكترومغناطيس بطور يكجا دريافت مي كنند ، سنجنده پانكروماتيك (PAN) ناميده مي شوند و تصاوير حاصل از اين سنجنده تصاوير سياه و سفيد يا پانكروماتيك ناميده مي شوند.

• در تصاوير سياه و سفيد تاثير تمام بخش هاي طيف الكترومغناطيس بر روي فيلم و سنجنده يكسان نيست و معمولاً بخش قرمز طيف اثر بيشتري در ثبت اطلاعات دارد.

• در اين تصاوير بدليل اجتناب از دريافت تاثير اثرات جوي از فيلتر هاي بخصوصي از قبيل فيلتر زرد استفاده شده و از ثبت تاثير نور آبي بر روي فيلم جلوگيري مي گردد.

سنجنده هاي راداري

• سنجنده هاي راداري كاربردهاي بسيار در زمينه هاي كنترل ترافيك فرودگاههاشناسايي  خودروهاي با سرعت غير مجاز ، رديابي مسير حركت ماهواره‏ها و فضاپيماها ، رديابي مسير حركت كشتي ها ، شناسايي دشمن ، هدايت جنگ‏افزارها ، شناسايي طوفانها ، شناسايي تندبادهاي دريايي و گردبادها ، باز كردن درب در مدخل فروشگاهها ، توليد نقشه هاي توپوگرافي ، توليد مدل رقومي ارتفاع زمين ، شناسايي پديده هاي زير سطحي زمين ، شناسايي مسير حركت در زير دريايي و … دارا بوده و از جمله متداول سنجنده هاي راداري مي باشد.

• امروزه علاوه بر امواج راديويي از امواج ليزر نيز جهت شناسايي پديده هاي و يا سرعت سنجي و فاصله يابي در سنجنده هاي راداري استفاده مي شود.
• استفاده از رادار عموماً در راستاي سه هدف زير مي‏باشد:

–       شناسايي حضور يا عدم حضور يك جسم در فاصله‏اي مشخص: عمدتاً آنچه كه شناسايي مي‏شود متحرك است و مانند هواپيما، اما رادار قادر به شناسايي حضور اجسام كه مثلاً در زيرزمين نيز مدفون شده‏اند، مي‏باشد. در بعضي از  موارد حتي رادار مي‏تواند ماهيت آنچه را كه مي‏يابد مشخص كند، مثلاً نوع هواپيمايي كه شناسايي مي‏كند.

–       اندازه گيري سرعت اجسام: به عنوان مثال كنترل سرعت خودروها در بزرگراه‌ها توسط پليس.

–       تهيه نقشه و تصوير برداري: شاتل‏هاي فضايي و ماهواره‏ها از رادار براي تهيه نقشه عوارض جغرافيايي سطح زمين و يا ماه و ديگر سيارات استفاده مي‏كنند.

 سنجنده هاي حرارتي

• ناحيه مادون قرمز به سه بخش مادون قرمز نزديك ، مادون قرمز مياني و مادون قرمز دور يا حرارتي تقسيم مي گردد.

• با استفاده از دوربين ها وسنجنده هاي سنجش از دوري مي توان انرژي بازتابي و تشعشع يافته از پديده هاي مختلف سطح زمين را در طول موج هاي مادون قرمز بويژه مادون قرمز حرارتي دريافت كرده و پردازش نمود.
• استفاده از عكس هاي مادون قرمز و مادون قرمز حرارتي امروزه توسعه بسياري يافته و كاربردهاي متعددي از آن در زمينه مديريت محصولات كشاورزي ، سيستم هاي مراقبت و نظارت ، سيستم هاي ردياب ، پزشكي ، عايق بندي اماكن ، كنترل نشت حرارت ، رديابي لكه هاي نفتي ، امداد و نجات و … گزارش گرديده است.
• طول موج هاي بازتابي از محدوده مادون قرمز بازتابي توسط فيلم هاي مادون قرمز و يا سنجنده هاي مادون قرمز قابل ثبت و ذخيره سازي مي باشد.

• در ناحيه مادن قرمز حرارتي مي توان تشعشع ناشي از پديده هاي زميني را از طريق صفحات نيمه هادي از قبيل تيتانيوم و يا ژرمانيوم مشخص كرده و توسط سيستم ثبت اطلاعات سنجنده ذخيره سازي نمود

نکات فنی مهم در یک سنجنده

• قدرت تفکیک فضایی (Spatial Resolution)
• قدرت تفکیک طیفی (Spectral Resolution)
• قدرت تفکیک رادیومتریک (Radiometric Resolution)
• قدرت تفکیک زمانی(Temporal Resolution)

قدرت تفکیک فضایی(Spatial Resolution)

• قدرت تفکیک مکانی (Spatial resolution)

•      كيفيت وضوح فضائي توانايي تشخيص دو شي كاملا نزديك بهم برروي يك تصويراست همچنين كمترين فاصله ميان دو شي است كه تصاوير اشياء در آن مجزا بنظر مي رسند.

• کوچکترين شي قابل تشخيص بر روي تصوير

قدرت تفکیک مکانی

روش رايج بيان قدرت يا توان تفكيك فضايي بر اساس خصوصيات هندسي سيستم تصوير، ميدان ديد لحظه اي Instantaneous field of view (IFOV) يك سنجنده است. ميدان ديد لحظه اي به عنوان بخشي از سطح زمين تعريف مي شود كه به كمك ابزار از يك ارتفاع فرضي در هر لحظه از زمان قابل روين باشد. اين پارامتر به دو صورت زاويه ∞ و يا فاصله معادل آن (XY) بر روي زمين.

تقسيم بندي ماهواره ها بر اساس توان تفكيك فضايي

• توان تفكيك فضايي (Spatial Resolution) اندازة كوچكترين شيئي است كه در هر تصوير دورسنجي ديده مي‌شود.

• براين اساس، ماهواره‌هاي موجود سنجش از ‌دور را از نظر توان تفكيك فضايي، به سه گروه عمده مي‌توان تقسيم نمود:

–       ماهواره‌هاي با توان تفكيك فضايي پايين (‌توان تفكيك فضايي بيش از 200 متر) با پوشش جهاني

–       ماهواره‌هاي با توان تفكيك فضايي متوسط (توان تفكيك فضايي 5 تا 200 متر)‌ با پوشش تناوبي جهان

–       ماهواره‌هاي با توان تفكيك فضايي بالا (‌توان تفكيك فضايي كمتر از 5 متر)‌ يا دقت تفكيك ويژه

–       ماهواره هاي با توان تفكيك طيفي و فضايي بالا

قدرت تفکیک طیفی (spectral resolution)

• به پهنای باندهای طیفی مورد استفاده در سنجنده یا توانایی سنجنده برای توصیف دامنه های طیفی ، قدرت تفکیک طیفی سنجنده گفته می شود.

قدرت  تفکيک راديومتريک (Radiometric resolution)

• قدرت تفكيك راديومتريك بيانگر توانايي سنجنده در شناسايي و ثبت تعداد درجات خاكستري بر عوارض و پديده هاي مختلف مي باشد.

• هر پيكسل تعداد مشخصي از بيت هاي كامپيوتر را اشغال مي كند و هر چه تعداد اين بيت ها بيشتر باشد عمق تصوير بيشتر است .

–       تصاوير سنجنده PAN ماهواره IRS داراي شش بيت و عمق تصوير 63

–       تصاوير باندهاي چهار تا هفت سنجنده MSS لندست داراي هفت بيت و عمق تصوير 127

–       تصاوير سنجنده TM  و استر داراي هشت بيت و عمق تصوير 255

–       تصاوير جديد سنجنده Ikonos 11 بيت و عمق تصوير 2048

–       تصاوير ماهواره هاي هواشناسي 13 بيت و عمق تصوير 16384

قدرت  تفکيک زماني  (Temporal  resolution)

کمترين فاصله زماني ممکن بين دو تصوير برداري متوالي.

پيكسل

• هر تصوير رقومي از مجموعه اي عناصر يا جزئيات تصوير تشكيل شده است كه پيكسل(Pixel) ناميده مي شود .

• پيكسل سطحي است كه تصويركوچكتر از آن نشده و عوارض كوچكتر از آن در تصوير ديده نمي شود .
• پيكسل كوچكترين جز يك تصوير مي باشد.
• اندازه پيكسل بيانگر دقت هندسي تصاوير مختلف ماهواره اي مي باشد .
•  به هر پيكسل يك رقم خاص نسبت داده مي شود كه در واقع ميانگين ارزشهاي رقمي يا انعكاس امواج از سطح مورد نظر در روي زمين است.
• ارزش عددي هر پيكسل باعث ظهور تن هاي مختلف با درجات روشنائي متفاوت بر روي تصوير مي شود .

• نكته مهمي كه بايد به آن توجه داشت اين است كه اگرچه هر پيكسل كوچكترين جزء يك تصوير است ولي اين موضوع باعث مشاهده تمام عوارض زميني بزرگتر يا مساوي با ابعاد فضايي پيكسل ها بر روي تصاوير ماهواره اي و يا عكس هاي هوايي نمي شود. بعنوان مثال در تصاوير سنجنده TM ماهواره لندست با قدرت تفكيك 30 متر عوارض خطي بويژه راههاي با عرض حدود 5 متر مشاهده مي گردد ولي عوارض نقطه اي با ابعاد 30 × 30 متر ممكن قابل مشاهده و يا شناسايي نباشند.

ماهواره ها

• NOAA(AVHRR)
• TERRA
• LANSAT
• SPOT
• IRS
• IKONOS
• Quickbird
• GeoEye

 

NOAA (AVHRR)

• اولین ماهواره از این سری، در سال 1970میلادی به فضا پرتاب شد.

• در ارتفاع 850 كيلومتري زمين و در هر شبانه روز دو پوشش كامل از زمين دارد و داراي دو حسگر است  قدرت تفكيك در مركز 1100 متر و در گوشه ها 3000 متر
• عرض تصوير برداري  2700 كيلومتر
• خورشید آهنگ ومدار نزدیک قطبی
• دو ماهواره که هر کدام یک پوشش جهانی ایجاد می کند.یکی از این دو ماهواره از استوا در اوایل صبح از شمال به جنوب عبور می کند، در صورتیکه ماهواره دیگر بعد از ظهر همین مسیر را طی میکند
•  سنجنده AVHRR مهمترین و اولین سنجنده این ماهواره می باشد.

سنجنده AVHRR  ((Advanced Very High Resolution Radiometer

• داراي 5 كانال اخذ اطلاعات است
• (مرئي- مادون قرمز نزديك –مادون قرمز نزديك- دو باند مادون قرمز حرارتي)

AVHRR SENSOR

1           0.58-0.68

2               0.72-1.10

3               3.55-3.93

4               10.3-11.3

5               11.5-12.5

• ويژگيها:
•     ديد وسيع و يكپارچه معادل 2700 كيلومتر
•    تهيه دو پوشش كامل در شبانه روز از يك منطقه توسط هر ماهواره
•  نظر به اينكه سه باند اطلاعات اين حسگر MIR و حراتي است قابليت نظارت و بررسي سطح زمين در شب نيز وجود دارد
• كاربردهاي هواشناسي:
• الف) شناسايي نوع ابرها و درصد پوشش آنها
•    ب) تعيين جبهه هاي جوي و مراكز كم فشار و پر فشار
• كاربرد در منابع طبيعي:
• تهيه نقشه هاي  پوشش اراضي و پوشش گياهي و نظارت بر تغييرات آنها
• تهيه تصاوير هم دماي سطح آب و نظارت بر جريانهاي دريايي
• مطالعه تغييرات مناطق ساحلي و پهنه هاي جزر و مدي
• تهيه نقشه رطوبت خاك
• رديابي و پيگيري مسير حركت لكه هاي نفتي
• تهيه تصاوير محل تجمع فيتو پلانگتونها

• مكانيابي آتش سوزي جنگلها