تصویربرداری ماهواره ای و عکاسی هوایی

تصویربرداری ماهواره ای

تصاویر ماهواره‌ای سنجش از دور به طور فزاینده‌ای رایج می‌شوند، زیرا ماهواره‌های مجهز به حسگرهای فناوری پیشرفته به طور مداوم توسط سازمان‌های دولتی و شرکت‌های خصوصی در سراسر جهان به فضا فرستاده می‌شوند. ماهواره ها برای کاربردهایی مانند رصد زمین نظامی و غیرنظامی، ارتباطات، ناوبری، آب و هوا، تحقیقات و غیره استفاده می شوند. در حال حاضر بیش از 3000 ماهواره به فضا فرستاده شده است که بیش از 2500 عدد از آنها از روسیه و ایالات متحده منشا گرفته اند. این ماهواره‌ها ارتفاعات، تمایلات، گریز از مرکز، همزمانی‌ها و مراکز مداری متفاوتی را حفظ می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهد تا طیف گسترده‌ای از ویژگی‌ها و فرآیندهای سطحی را تصویربرداری کنند ( شکل 4.14 “ماهواره‌ها در مدار زمین” ).

ماهواره ها می توانند فعال یا غیرفعال باشند. ماهواره‌های فعال از حسگرهای راه دور استفاده می‌کنند که پاسخ‌های منعکس شده از اجسامی را که از منابع انرژی مصنوعی تابش می‌شوند، تشخیص می‌دهند. به عنوان مثال، حسگرهای فعال مانند رادار، امواج رادیویی، حسگرهای لیزری امواج نور و سنسورهای سونار امواج صوتی را منتشر می کنند. در همه موارد، سنسور سیگنال را منتشر می‌کند و سپس مدت زمانی را که طول می‌کشد تا سیگنال برگشتی از برخی ویژگی‌های راه دور بازگردد، محاسبه می‌کند. با دانستن سرعت سیگنال ساطع شده، می توان از تاخیر زمانی از انتشار اولیه تا بازگشت برای محاسبه فاصله تا ویژگی استفاده کرد.

ماهواره‌های غیرفعال یا غیرفعال ، از حسگرهایی استفاده می‌کنند که تابش الکترومغناطیسی منعکس شده یا ساطع شده از منابع طبیعی را تشخیص می‌دهند. این منبع طبیعی معمولاً انرژی خورشید است، اما منابع دیگری مانند مغناطیس و فعالیت های زمین گرمایی نیز قابل تصویربرداری هستند. با استفاده از مثالی که همه ما تجربه کرده ایم، گرفتن عکس با دوربینی که دارای فلاش است، سنجش از راه دور فعال خواهد بود، در حالی که استفاده از دوربین بدون فلاش (یعنی تکیه بر نور محیط برای روشن کردن صحنه) سنجش از راه دور غیرفعال خواهد بود.

کیفیت و کمیت تصاویر ماهواره ای تا حد زیادی با وضوح آنها تعیین می شود. چهار نوع وضوح وجود دارد که هر سنسور از راه دور خاصی را مشخص می کند (Campbell 2002). Campbell, JB 2002. مقدمه ای بر سنجش از دور . نیویورک: گیلفورد پرس. وضوح فضایی یک تصویر ماهواره ای، همانطور که قبلا در بخش مدل داده های شطرنجی توضیح داده شد ( بخش 4.1 “مدل های داده های شطرنجی”)، یک نمایش مستقیم از پوشش زمین برای هر پیکسل نشان داده شده در تصویر است. اگر ماهواره ای تصاویری با وضوح 10 متر تولید کند، پوشش زمین مربوط به هر یک از آن پیکسل ها 10 متر در 10 متر یا 100 متر مربع روی زمین است. وضوح فضایی توسط میدان دید لحظه ای حسگرها (IFOV) تعیین می شود. IFOV اساساً ناحیه زمینی است که حسگر از طریق آن سیگنال تابش الکترومغناطیسی را دریافت می کند و با ارتفاع و زاویه سکوی تصویربرداری تعیین می شود.

وضوح طیفی نشان دهنده توانایی سنسور برای تفکیک فواصل طول موج، که باند نیز نامیده می شود، در طیف الکترومغناطیسی است. وضوح طیفی با اندازه بازه طول موج ها و تعداد بازه های اسکن شده تعیین می شود. حسگرهای چند طیفی و فراطیفی آن دسته از حسگرهایی هستند که می توانند تعداد زیادی از فواصل طول موج را در طیف تشخیص دهند. به عنوان مثال، ماهواره IKONOS تصاویر را برای باندهای آبی (445-516 نانومتر)، سبز (506-95 نانومتر)، قرمز (632-98 نانومتر) و نزدیک به مادون قرمز (757-853 نانومتر) در فواصل طول موج خود حل می کند. سنسور 4 متری چند طیفی.

وضوح زمانی مقدار زمان بین هر دوره جمع آوری تصویر است و توسط چرخه تکرار مدار ماهواره تعیین می شود. تفکیک زمانی را می توان درست-نادیر یا خارج از نادر در نظر گرفت. نواحی درست نادر در نظر گرفته می شوند که مستقیماً در زیر سنسور قرار دارند در حالی که مناطق خارج از نادر آنهایی هستند که به صورت مایل تصویربرداری می شوند. در مورد ماهواره IKONOS، وضوح زمانی برای تصویربرداری خارج از نادر 3 تا 5 روز و برای تصویربرداری واقعی 144 روز است.

چهارمین و آخرین نوع رزولوشن، وضوح رادیومتری ، به حساسیت سنسور به تغییرات روشنایی اشاره دارد و به طور خاص تعداد سطوح خاکستری قابل تصویربرداری توسط سنسور را نشان می دهد. به طور معمول، مقادیر رادیومتریک موجود برای یک سنسور 8 بیتی هستند (مقادی را که از 0 تا 255 به عنوان 256 مقدار منحصر به فرد یا به عنوان مقادیر 2 ⁸ متغیر است) ارائه می شود. 11 بیتی (0–2047)؛ 12 بیتی (0–4095)؛ یا 16 بیتی (0–63535) ( برای اطلاعات بیشتر در مورد بیت ها به فصل 5 “مدیریت داده های جغرافیایی” ، بخش 5.1.1 “انواع داده” مراجعه کنید). به عنوان مثال، Landsat-7، وضوح 8 بیتی را برای باندهای خود حفظ می کند و بنابراین می تواند مقادیری را برای هر پیکسل از 0 تا 255 ثبت کند.

به دلیل محدودیت‌های فنی مرتبط با سیستم‌های سنجش از راه دور ماهواره‌ای، بین این انواع مختلف تفکیک‌پذیری تعادل وجود دارد. بهبود یک نوع وضوح اغلب مستلزم کاهش یکی از انواع دیگر وضوح است. به عنوان مثال، افزایش قدرت تفکیک مکانی معمولاً با کاهش وضوح طیفی همراه است و بالعکس. به طور مشابه، ماهواره‌های زمین‌ایستا (آنهایی که هر روز یک‌بار دور زمین در نزدیکی خط استوا می‌چرخند) وضوح زمانی بالا اما وضوح مکانی کم دارند، در حالی که ماهواره‌های همگام با خورشید(آنهایی که مدار نزدیک قطبی حسگر را با نور خورشید همگام می کنند) وضوح زمانی پایینی را ارائه می دهند در حالی که وضوح فضایی بالایی را ارائه می دهند. اگرچه پیشرفت‌های تکنولوژیکی می‌تواند به طور کلی وضوح‌های مختلف یک تصویر را بهبود بخشد، همیشه باید مراقب بود که تصویری که انتخاب کرده‌اید برای نشان دادن یا مدل‌سازی ویژگی‌های مکانی که برای مطالعه شما مهم هستند، کافی باشد.

عکاسی هوایی

عکاسی هوایی، مانند تصاویر ماهواره ای، منبع گسترده ای از اطلاعات برای استفاده در هر GIS است. پلتفرم‌های سخت‌افزاری که برای گرفتن عکس‌های هوایی استفاده می‌شود شامل هواپیما، هلیکوپتر، بالون، موشک و غیره است. در حالی که عکاسی هوایی به تصاویر گرفته شده از طیف مرئی اشاره می کند، حسگرهایی برای اندازه گیری باندهای درون طیف نامرئی (به عنوان مثال، فرابنفش، مادون قرمز، مادون قرمز نزدیک) نیز می توانند به منابع هوایی ثابت شوند. به طور مشابه، عکاسی هوایی می تواند فعال یا غیرفعال باشد و می تواند از زوایای عمودی یا مایل گرفته شود. باید مراقب عکس‌های هوایی بود زیرا حسگرهایی که برای گرفتن عکس استفاده می‌شوند مشابه دوربین‌ها در استفاده از لنز هستند. این لنزها یک انحنا به تصاویر اضافه می کنند که با دور شدن از مرکز عکس مشخص تر می شود.شکل 4.15 “خطای انحنای ناشی از ویژگی های عدسی شکل دوربین” ).

یکی دیگر از منابع خطای احتمالی در عکس هوایی جابجایی امدادی است. این خطا از جنبه سه‌بعدی ویژگی‌های زمین ناشی می‌شود و به صورت خم شدن آشکار اجسام عمودی از نقطه مرکزی یک عکس هوایی دیده می‌شود. برای تصور این نوع خطا، در نظر بگیرید که یک دودکش مانند یک دونات به نظر می رسد اگر دوربین دید مستقیماً بالای ویژگی باشد. با این حال، اگر همین دودکش در نزدیکی لبه دید دوربین مشاهده می شد، می توان کناره های دودکش را مشاهده کرد. این خطا اغلب در درختان و ساختمان های چند طبقه دیده می شود و با ویژگی های بلندتر بدتر می شود.

Orthphotos عکس‌های عمودی هستند که از نظر هندسی برای حذف انحنا و خطای ناشی از زمین از تصاویر تصحیح شده‌اند ( شکل 4.16 “Orthophoto”). رایج ترین محصول ارتوفوتو، چهارگوش ربع ارتو دیجیتال (DOQQ) است. DOQQ ها از طریق سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) در دسترس هستند، که شروع به تولید این تصاویر از کتابخانه عکس های برنامه ملی عکاسی هوایی در مقیاس 1:40000 کرد. این تصاویر را می توان در مقیاس خاکستری یا رنگی با وضوح فضایی 1 متر و وضوح رادیومتریک 8 بیتی به دست آورد. همانطور که از نام آن پیداست، این تصاویر یک چهارم از یک چهارضلعی 7.5 دقیقه ای USGS را پوشش می دهند که مساحتی تقریباً 25 مایل مربعی دارد. همراه با این عکس‌ها یک لبه 50 تا 300 متری اضافی در اطراف عکس وجود دارد که به کاربران اجازه می‌دهد تا بسیاری از DOQQ را در یک تصویر منفرد و پیوسته موزاییک کنند. این DOQQ برای استفاده در یک GIS به عنوان اطلاعات نمایش پس‌زمینه، برای ویرایش داده‌ها و برای دیجیتال‌سازی هدآپ ایده‌آل هستند.