کاربرد و گسترش سنجش از دور؛ انواع سنجنده‌؛ ماهواره‌های سنجش از دور

سنجش از دور

سنجش از دور فعالیت و فن تازه‌ای محسوب نمی‌شود و بررسی زمین از فواصل دور سابقه‌ای طولانی دارد. شاید شما درباره کیکاووس، پادشاه افسانه‌ای ایران که در شاهنامه به او اشاره شده است، اطلاعاتی داشته باشید. او برای مشاهده زمین از بالا، دستور داد به گوشه‌های تختش طناب‌هایی وصل کردند؛ پرندگان، این طنآب‌ها و تخت را بالا می‌کشیدند و کیکاووس از بالا زمین را مشاهده می‌کرد. در اساطیر یونانی نیز آمده است که‌ایکاروس برای پرواز به سوی آسمان و دیدن منظره زمین از آنجا و رسیدن به خورشید، از موم برای اتصال پر به بدنش استفاده کرد؛ اما با نزدیک شدن به خورشید و ذوب شدن موم ها پرهایش ریخت و به زمین سقوط کرد.

در عالم واقعیت نیز انسان همواره با بهره گیری از انواع ابزارها کوشیده است پرواز کند و از این طریق اطلاعات جامع تر و کلی تری از محیط اطراف خود به دست آورد و به پرسش‌های خویش پاسخ گوید. ساخت هواپیما نه تنها گامی در جهت حمل و نقل سریع بلکه اقدامی در پاسخ به کنجکاوی انسان برای مشاهده زمین از بالا بوده است.

پس از جنگ جهانی دوم، استفاده وسیع از عکس‌های هوایی که توسط هواپیماهای ویژه عکس‌برداری تهیه می‌شد، گامی دیگر در مسیر گسترش استفاده از سنجش از دور بود. این عکس ها با زاویه دید مایل یا عمودی تهیه می‌شدند و گنجینه‌ای بزرگ از داده‌ها را برای علاقه مندان به امور نظامی، بهره‌برداری از منابع زمین، برنامه ریزی‌های محیطی و نیز جغرافیدانان فراهم می آوردند.

در حال حاضر، ماهواره‌ها به کمک سنجنده‌های خود داده‌ها را گردآوری می‌کنند و به وسیله دستگاه‌های مخصوص خود روزانه، میلیون ها داده را ثبت کرده و در اختیار پژوهشگران قرار می دهند (شکل ۱).

ارسال، دریافت و ثبت اطلاعات فیزیکی و شیمیایی از پدیده‌های مختلف زمین از فاصله دور را سنجش از دور می‌گویند. معمولا پژوهشگران و تحلیل گران داده‌هایی را که از طریق سنجش از دور به دست می آید، به کمک رایانه پردازش کرده و در موارد متعدد از آنها استفاده می‌کنند.

شکل ۱- فرایند گردآوری داده‌ها در سنجش از دور

ما در زندگی روزمره خود به طور مستمر با این فن سروکار داریم، به عنوان مثال، در فعالیت‌هایی نظیر تماشای مسابقه فوتبال از جایگاه تماشاگران، استشمام بوی نان تازه و همچنین شنیدن صدای زنگ تلفن که از حواس پنج گانه خود استفاده می‌کنیم با توجه به‌این تعریف، فعالیت سنجش از دور محسوب می‌شوند.

گسترش سنجش از دور

گسترش فناوری عکاسی، در تحول علم سنجش از دور تأثیر بسزایی داشت. همراه با پیشرفت این رشته، ابتدا فیلم‌های سیاه و سفید و سپس فیلم‌های رنگی در عکس‌برداری هوایی مورد استفاده قرار گرفتند.

معمولا منبع داده‌های سنجش از دور بازتاب امواج الکترومغناطیسی خورشید از پدیده‌ها یا اشیای زمینی است. وسیله‌ای که در ماهواره‌ها تابش‌های بازتابیده شده از یک پدیده را دریافت و ثبت می‌کند، سنجنده» نام دارد. مشخصه‌های یک شیء یا پدیده را می‌توان با استفاده از بازتاب طبیعی از آن تعیین کرد؛ زیرا معمولا هر شیء مشخصه‌های بازتاب متفاوتی دارد؛ مثلا آب (رنگ آبی) و درخت (رنگ سبز) بازتاب‌های طبیعی متفاوتی دارند که موجب شناسایی آنها در روی زمین می‌شود. همه بازتآب‌ها از پدیده‌های گوناگون در طول موج نورهای مرئی قرار ندارند؛ بلکه طیف وسیعی از امواج فروسرخ (مادون قرمز) و فرابنفش (ماورای بنفش) وجود دارند که مرئی نیستند. سنجند، برخی ماهواره‌ها قادر است این امواج نامرئی (چون گرما، امواج رادیویی و غیره) را نیز دریافت کند.

ابداع فیلم‌های بسیار حساس عکاسی که نسبت به طیف فروسرخ (مادون قرمز) حساسیت داشتند. سبب شد انسان بتواند از تشعشعات حرارتی زمین (انرژی که از زمین به فضا بازتاب می‌شود) نیز عکس بگیرد. بدین ترتیب عکس‌های فروسرخ تهیه شده از زمین، توانایی انسان را برای سنجش موج‌های غیر مرئی گسترش داده است.

شکل ۲- طیف امواج الکترو مغناطیسی. طیف مرئی از طیف بنفش تا قرمز

انواع سنجنده‌ها

برای سنجش موج‌های مرئی و نامرئی (الکترومغناطیسی) بازتاب شده از پدیده‌ها یا اشیاء از دو سیستم سنجنده فعال و غیر فعال استفاده می‌شود.

الف) سیستم فعال: در سیستم فعال، سنجنده خود منبع انرژی دارد و با ارسال انرژی به پدیده‌ها و دریافت بازتاب آنها، داده‌ها را جمع آوری می‌کند. رادارها نمونه‌هایی از این سنجنده‌ها هستند. به

شکل ۳) دقت کنید. در این شکل می بینید که رادار در ارتفاع بالا می‌تواند به عنوان سکویی برای ارسال انرژی و دریافت بازتاب امواج ارسالی آن از سطح زمین عمل کند.

ب) سیستم غیرفعال: در این سیستم، سنجنده منبعی برای ارسال انرژی ندارد و برای سنجش میزان انرژی بازتاب شده از پدیده ها، از انرژی خورشیدی استفاده می‌کند.

شکل ۳- نمایی از سنجنده فعال و غیر فعال در ماهواره‌های سنجش از دور

وقتی امواج نور خورشید به اشیاء (آب‌ها، جنگل ها و…) می‌تابد، انرژی مشخصی بازتاب می‌شود؛ اما هر پدیده با شدت و ضعف خاصی نور خورشید را منعکس می‌کند. سنجنده‌ها این امواج گوناگون را دریافت کرده و پژوهشگران از طریق مقایسه ویژگی‌های بازتاب طیفی پدیده‌های مختلف نوع آن را مشخص می‌کنند (شکل ۴).

شکل ۴- بازتابندگی طیفی پوشش گیاهی، خاک و آب

ماهواره‌های سنجش از دور

امروزه از ماهواره‌ها به عنوان سکوهای دریافت و ثبت اطلاعات از پدیده‌های سطح زمین، استفاده می‌شود. ماهواره‌های سنجش از دور با ماهواره‌های مخابراتی متفاوت اند و وظایف آنها نیز با یکدیگر تفاوت دارد. ماهواره‌های مخابراتی برای تقویت ارتباطات تلفنی یا دریافت و پخش برنامه‌های تلویزیونی بین نقاط مختلف زمین به کار می‌روند؛ در حالی که ماهواره‌های سنجش از دور با تصویر‌برداری از پدیده‌های سطح زمین، نوع پدیده‌ها و نحوه بهره‌برداری از آنها را مشخص می‌کنند.

اولین ماهواره‌های سنجش از دور به نام لندست (LANDSAT) یا ماهواره‌های منابع زمینی در سال ۱۹۷۲ توسط ایالات متحده آمریکا به فضا فرستاده شد. این سری ماهواره‌ها در پیشرفت فن سنجش از دور نقش مؤثری داشتند. اکنون لندست ۷ هنوز در حال کار است. این ماهواره در ارتفاع ۷۰۵ کیلومتری فراز زمین حرکت می‌کند و در هر ۱۶ روز یک بار داده‌ها را از سراسر زمین جمع آوری می‌کند. باید بگوییم که ماهواره‌ها در مدارهای معین، در ارتفاع‌های مختلف و در مسیرهای گوناگون به دور زمین گردش می‌کنند (شکل ۵).

الف – ماهواره لندستب ب- نمونه‌ای از تصاویر ماهواره لندست (۵/۲۸ × ۵/۲۸ متر) استان اردبیل، جنگل‌های تالش و بخشی از دریای خزر

شکل ۵

در شکل ۵ رنگ سیاه آبها، رنگ آبی بازتاب رسوبات ساحلی، رنگ قرمز پوشش گیاهی، رنگ سفید ابر و برف و رنگ سبز جنس زمین را نشان می دهد.

ماهواره‌ها وظایف گوناگونی دارند؛ برای مثال، ماهواره‌های نوآ (NOAA)، یکی از ماهواره‌هایی است که در مطالعات هواشناسی از آن استفاده می‌شود. این ماهواره که در ارتفاع ۸۷۰ کیلومتری قرار گرفته است، هر ۱۰۱ دقیقه یک بار به دور زمین می چرخد، (شکل ۶) و داده‌هایی چون میزان دمای رطوبت، ویژگی لایه‌های ابر و… را در ارتفاعات مختلف جو دریافت کرده و به‌ایستگاه‌های زمینی مخابره می‌کند.

شکل ۶ – ماهواره نوا

ماهواره اسپات در سال ۱۹۷۶ توسط کشور فرانسه به فضا پرتاب شد. این ماهواره در ارتفاع ۸۳۲ کیلومتر هر ۱۰۱ دقیقه یک بار به دور زمین حرکت می‌کند و مهم ترین ویژگی توانایی تصویر‌برداری از زوایای مختلف و برجسته نمایی پدیده‌ها می باشد.

ماهواره‌ها بر حسب ارتفاع خود، میدان‌های دید متفاوتی دارند؛ مثلا ماهواره لندست، در هر گذر خود تقریبا داده‌های پهنه‌ای برابر ۱۸۵×۱۸۵ کیلومتر یا حدود ۳۵۰۰۰ کیلومتر مربع را سنجش می‌کند. این ماهواره‌ها می‌توانند انرژی پدیده‌هایی کوچک در ابعاد ۵/۲۸ × ۵/۲۸ متر را روی سطح زمین ثبت کنند. به‌این پهنه اندازه گیری، یک پیکسل (Pixel) گویند. در برخی از ماهواره‌ها اندازه هر پیکسل ممکن است به ۱۸۱ متر و کمتر از آن نیز برسد. هرچه اندازه یک پیکسل کوچک تر باشد، قدرت تفکیک تصویر آن بیشتر و پدیده‌های کوچک تری در آن قابل مشاهده و بررسی است.

شکل ۷- عکس – نقشه شهر تهران بر اساس داده‌های ماهواره اسپات

امید، نخستین ماهواره‌ای است که جمهوری اسلامی ایران آن را ساخته و به فضا پرتاب کرده است. این ماهواره در ارتفاع ۲۴۶ تا ۳۷۷ کیلومتری فراز زمین حرکت می‌کرد و در هر ۲۴ ساعت ۱۵ بار دور زمین می چرخید و داده‌های دورسنجی را به منظور استفاده در بخش‌های مخابراتی جمع آوری می‌کرد و به مراکز مربوطه ارسال می‌کرد. شکل ۸، تصویری از این ماهواره را نشان می دهد.

شکل ۸ – سکوی پرتاب ماهواره امید

جدول اسامی ماهواره‌هایی که توسط ایران به فضا پرتاب شده است.

شکل ۹- نمونه‌ای از نقشه هواشناسی تهیه شده از ماهواره نوآ – منطقه خاورمیانه

کاربردهای سنجش از دور

بدون شک، برنامه‌ریزی برای بهره‌برداری از منابع زمینی و مدیریت‌های محیطی نیازمند در دست داشتن اطلاعات پایه‌ای دقیق، قابل اعتماد و روزآمد است. فناوری سنجش از دور به دلیل برخورداری از این ویژگی ها، برتری قابل ملاحظه‌ای بر سایر روش ها دارد. همین امر سبب توسعه کاربردهای آن در جغرافیا و علوم محیطی دیگر شده است. علم جغرافیا از مزایای فن سنجش از دور بیشترین استفاده را می‌کند؛ زیرا با علوم زمین و چگونگی بهره‌برداری انسان از محیط سروکار دارد و به اطلاعات جدید و قابل اعتماد نیازمند است. برخی از کاربردهای سنجش از دور در جغرافیا عبارت اند از :

۱- تهیه داده‌های قابل اعتماد از پدیده‌های سطح زمین و دسته بندی دقیق آنها. (شکل ۱)

۲- نمایش ارتباط بین پدیده‌های بخشی از سطح زمین از طریق داده‌های سنجش از دور. (شکل ۱۱).

٣- تهیه نقشه‌های پایه و موضوعی از نواحی گوناگون کره زمین با سرعت و دقت بیشتر. (شکل ۱۲)

شکل ۱۰- نقشه کاربری اراضی بخشی از منطقه فیروزکوه – دماوند

شکل ۱۱- تصویر هوایی خلیج فارس

الف- تصویر ماهواره‌ای

ب بزرگ نمایی نقشه تهیه شده اما از همان تصویر

شکل ۱۲- تهیه نقشه‌های موضوعی و نقشه‌های پایه از تصاویر ماهواره‌ای (تصویری از اطراف سی و سه پل اصفهان)

۴- تهیه مدل‌های دقیق سه بعدی از سطح زمین به کمک داده‌های سنجش از دور (شکل ۱۳).

شکل ۱۳- تصویر سه بعدی قله دماوند در رشته کوه البرز بر اساس داده‌های تصاویر ماهواره‌ای

۵- شناسایی پدیده‌ها و پردازش تصاویر ماهواره‌ای به منظور بهره‌برداری از منابع زمینی.

۶- بررسی وضعیت هوا و امکان پیش بینی و کنترل آن.

۷- ارزیابی و برآورد خسارتهای وارده بر اثر مخاطرات طبیعی (مثل زلزله) از طریق مقایسه تصاویر مربوط به زمان‌های مختلف (شکل ۱۴).

شکل ۱۴- شکل‌های الف و ب قبل از زلزله و پ بعد از زلزله (زلزله بم، ۱۳۸۲)