چهارشنبه, ۲۸ اسفند ۱۳۹۸ ۱۳:۱۹ ۱۵۱
طبقه بندی: توسعه کاربرد RS
چچ
کاربرد تصاویر ابرطیفی در شناسایی پدیده ها

کاربرد تصاویر ابرطیفی در شناسایی پدیده ها

.این بخش توسط استارت آپ سنجش دانش نصیر تهیه گردیده و به کاربرد تصاویر ابرطیفی در شناسایی پدیده های مختلف، اشاره دارد.

گزارش فنی استارت آپ سنجش و دانش نصیر در خصوص کاربرد تصاویر ابرطیفی در شناسایی پدیده ها


مقدمه:
تصویربرداری ابرطیفی امکان توصیف ویژگی های خاص را از مواد و اشیا در هوا، زمین و آب بر مبنای بازتابش های منحصربه فرد (بازتابش هر ماده در مکان خاص از طیف الکترومغناطیسی) فراهم می کند. سنجنده های ابرطیفی در باندهای طیفی پیوسته و باریک در بخش های طیفی مرئی، مادون قرمز نزدیک، مادون قرمز میانی تصویر برداری می کنند. این سنجنده ها با بهره گیری از بخش بزرگی از طیف الکترومغناطیس به اشیا می نگرند. برخی شی ها در طیف های الکترومغناطیسی خاص دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند. این نشانه طیفی که به عنوان "امضای طیفی " معروفند به بازشناسی مواد در تصاویر کمک می کنند. امضای طیفی خاص مواد در برخی طول موج ها از یک طرف و باندهای طیفی پیوسته و متنوع تصاویر ابرطیفی از طرف دیگر موجب شده است تا این تصاویر به عنوان ابزاری قدرتمند در کاربردهایی همچون مدیریت منابع، کشاورزی، کشف کانی، پایش های محیطی و کاربردهای نظامی و جاسوسی شناخته شوند؛ در حالی که سایر داده های سنجش از دوری این توانایی را ندارند. توسعه تصاویر سنجش از دوری در سال های اخیر امکان شناسایی مواد در محیط های غیرقابل دسترسی و همچنین مطالعه مواد معدنی و طبیعی در سطح وسیع را نیز فراهم آورده است. اما لازمه استفاده از سنجش از دور ابرطیفی، درک ماهیت و محدودیت های داده ها برای پردازش و تفاسیر لازم می باشد. در ادامه این مطلب به بررسی اجمالی ویژگی این داده های پرکاربرد در سنجش از دور می پردازیم.

تصویر برداری فراطیفی:
با توجه به پیشرفت های اخیر در حوزه تکنولوژی های هوایی و ماهواره ای، اخذ این تصاویر از طریق سنجنده های هوایی و فضایی امکان پذیر می باشد. با توجه با اطلاعات طیفی غنی این تصاویر، امکان استفاده از این داده ها در کاربردهای گوناگون وجود دارد. گسترش کاربرد این تصاویر در سنجش از دور و همچنین پیشرفت تکنولوژی ماهواره های مینیاتوری نوید بخش توسعه سنجنده-های فضایی سبک جهت ارائه تصاویر با هزینه های پایین است. اگرچه شرایط جوی نامساعد مثل پوشش ابری و ... یکی از مشکلات سکوهای فضایی بوده و بمنظور مطالعات محلی در مقیاس های کوچکتر می توان از پهبادها که در دهه های اخیر کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند استفاده نمود. این نحوه اخذ تصاویر (استفاده از پهبادها) انعطاف پذیری بیشتری نسبت به سنجنده های سنتی فراهم آورده و به کاربران این امکان را می دهند تا در زمینه های کاری متفاوت پارامترهایی مانند ارتفاع پرواز و وضعیت دوربین لازم را انتخاب کنند (شکل شماره 1).


امکان نصب سنجنده های ابرطیفی بر روی پهباد ها
شکل-1: امکان نصب سنجنده های ابرطیفی بر روی پهباد ها

کاربردها:
همانطور که گفته شد تصاویر ماهواره ای فراطیفی به عنوان یک منبع اطلاعات غنی با و یژگی های منحصر بفرد خود، در دسترس و مقرون به صرفه در کاربردهای گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرند.
  1. کشاورزی:
اگرچه تصویربرداری ابرطیفی هزینه های بالایی دارد اما در بسیاری از کشورها و اقلیم ها از این تصاویر به منظور بررسی میزان محصولات و سلامت محصولات کشاورزی استفاده می گردد. بطور کلی تصاویر فراطیفی می توانند در پایش میزان محصولات کشاورزی (کشاورزی دقیق)، همچنین کشف ترکیبات شیمیایی گیاهان بمنظور بررسی میزان سلامت گیاهان، میزان مواد مغذی و همچنین سلامت گیاهان مورد استفاده قرار گیرند (شکل شماره 2)
کاربرد تصاویر ابرطیفی در کشاورزی
شکل-2: کاربرد تصاویر ابرطیفی در کشاورزی

سنجش از دور، به خاطر سرعت عمل، غیرتخریبی بودن و توصیف نسبتاً ارزان پدیده های سطح زمین به عنوان روشی معتبر برای برآورد و ارزیابی پارامترهای بیوفیزیکی و بیوشیمیایی گوناگون گیاهان شناخته شده است. تخمین کمّی این پارامترها در مطالعات کشاورزی از اهمیت زیادی برخوردار است. در میان پارامترهای مختلف، شاخص سطح برگ، محتوای کلروفیل برگ از اهمیت زیادی برخوردار هستند. به دلیل اهمیت برگ های سبز در کنترل کردن بسیاری از فرآیندهای فیزیکی و زیست شناختی تاج پوشش گیاهان، یک ویژگی کلیدی ساختاری برای گیاهان است و در حد وسیعی به عنوان شاخصه وضعیت گیاه استفاده می شود. محتوای کلروفیل در سطح برگ و در سطح تاج پوشش نشانگر وضعیت فیزیولوژیکی و سلامت گیاه است. همچنین در تشخیص استرس گیاه، پتانسیل فتوسنتز و تولید اهمیت به سزایی دارد.


  1. اکتشاف کانسارها:

تهیه نقشه های زمین شناسی و کانی شناسی با استفاده از روش های سنتی کار مشکلی است، در حالیکه امروزه سنجش از دور ابر طیفی به دلیل داشتن داده هایی با دید وسیع و یکپارچه و محدوده طول موجی مختلف، از بهترین روش ها در شناسایی کانسارها شناخته میشود چرا که هر نشانه طیفی بطور منحصر به فردی ویژگی یک عارضه زمینی را نشان می دهد (شکل شماره 3).


امکان شناسایی کانی های مختلف در طبیعت با استفاده از  <strong class='sis-keyword'>سنجش از دور</strong> ابرطیفی
شکل-3: امکان شناسایی کانی های مختلف در طبیعت با استفاده از سنجش از دور ابرطیفی

ایده ی اساسی طراحی و توسعه ی سنجنده های فراطیفی بر مبنای مفاهیم فیزیکی مورد توجه در سنجش از دور در مورد طیف الکترومغناطیس شکل گرفته است. هر عنصر یا ماده بر اساس ترکیب و ساختار مولکولی خود، عکس العمل بازتابی مشخصی به نواحی مختلف طیف الکترومغناطیس در طول موجهای گوناگون نشان می دهد. مواد معدنی به طور همگن در تمام سطح زمین پراکنده نشده اند، لذا بمنظور اکتشاف در مرحله اول مطالعات اولیه برای مشخص نمودن مناطقی که باید مورد جستجو و مطالعه دقیق تر قرار گیرند امری ضروری است. قابل ذکر است که تهیه نقشه های زمین شناسی از طریق فن آوری سنجش از دور، بسیار کم هزینه است بطوری که قیمت تمام شده آن با روش های سنتی قابل مقایسه نیست.


  1. مطالعه کیفیت آب های سطحی:

امروزه اکثر آبهای طبیعی در معرض آلودگی قرار گرفته یا آلوده شده اند. اطلاع از وضعیت کیفیتی آبهای سطحی و زیرزمینی با استفاده از شاخصهای کیفیت آب این امکان را فراهم می سازد تا ضمن استفاده از اطلاعات بدست آمده در مواقع لزوم بتوان راهکارهای مدیریتی را اتخاذ نمود که کمترین آسیب به این منبع مهم و حیاتی وارد گردد. استفاده از شاخص های طیفی و تکنولوژی های سنجش از دور برای کنترل و پایش کیفیت آب رودخانه ها و مخازن، آب های زیرزمینی بسیار مقرون به صرفه بوده، خصوصا هنگامیکه نیاز به داشتن اطلاعات از چند منبع آبی در محدوده ای وسیع باشد. ویژگی های طیفی آب تمیز و عاری از املاح و رسوبات با آب دارای ناخالصی متفاوت بوده و براساس غلظت و نوع و ترکیبات مواد مختلف بازتابش های متفاوتی از خود بروز می نمایند. تصاویر ماهواره ای تهیه شده از وضعیت منابع در گذشته و حال بررسی گشته، ویژگی های مهم استخراج و در بانکهای اطلاعاتی GIS جهت پردازش و استخراج نتایج ذخیره می شوند. از این روش می توان برای اندازه گیری و شناسایی شاخص های کیفیتی آب همچون: کدورت رسوبات معلق مواد آلی و محلول، غلظت کلروفیل، دما، وضعیت سفره های آب زیرزمینی، تخمین بارش و روان آبها، کنترل وضعیت منابع یخ و برف، مطالعات شوری، بررسی وجود فیتوپلانگتونها و جلبکها استفاده و میزان جذب و پراکندگی نور و ارتباط بین آنها را در تصاویر دریافتی مشخص نمود. حسگرهای سنجش از دور تصاویر را با استفاده از طیف های مختلف رنگ و یا ویژگی های حرارتی ثبت می کنند. بانکهای اطلاعاتی تهیه شده حاصل از تصاویر ماهواره ای به همراه اندازه-گیری های میدانی ابزار مدیریتی قوی برای برنامه ریزان و طراحان بوده و براحتی می توانند راهکارهای مدیریتی و پهنه بندی کیفیتی آب را در منطقه مورد مطالعه بدست آورند.


  1. پایش شهری و شناسایی عوارض:

الگوریتم های تشخیص و شناسایی عوارض، نوع خاصی از روشهای آشکارسازی هدف هستند که در آنها هیچ اطلاعات اولیه ای در مورد اهداف و طیف آنها استفاده نمی شود. هدف این الگوریتم ها آشکارسازی پیکسل هایی در مکعب اطلاعات است که طیف آنها تفاوت زیادی با طیف پس زمینه دارد و در مقایسه با پس زمینه نوعی ناهنجاری محسوب می شوند. روش های تشخیص اهداف پنهان برای دو منظور استفاده می شوند: آشکارسازی اهداف پنهان، مانند معادن یا اهداف نظامی استتار شده و نیز به عنوان عملیات پیش پردازش برای روش های تشخیص خودکار اهداف، به این صورت که مناطقی را که در آنها احتمال وجود هدف زیاد است را شناساییمی کنند.روش هایی که برای آنالیز تصاویر فراطیفی استفاده می شوند، زیرمجموعه روشهای شناسایی الگو می باشند. این روشها به دو دسته تقسیم میشود:


  1. کلاسه بندی که در آن پیکسل های تصویر در کلاسه ای موضوعی قرار می گیرند.
  2. آشکارسازی هدف که در این روش برای پیدا کردن شیء و یا ماده خاصی (هدف)، تصویر مدنظر مورد بررسی و جستجو قرار می‌گیرد.
هدف الگوریتم های آشکارسازی این است که مشخص کنند هر کدام از پیکسل های تصویر، هدف مورد نظر را در خود دارند یا نه. این هدف ممکن است عوارض مصنوعی زمین مانند جاده، ساختمان و مواردی از این نوع باشد و یا این که از نوع آلودگی های محیطی مانند یک لکه ی نفت در دریا باشد (شکل شماره 4).

شناسایی پدیده های مختلف در تصاویر فرا طیفی
شکل-4: شناسایی پدیده های مختلف در تصاویر فرا طیفی
آدرس کوتاه شده: