تصاویر ماهواره ای و انواع آن

نقش و اهمیت ماهواره ها به نحوی است که دیگر جزء لاینفک زندگی بشر امروز محسوب می شوند. هیچ گاه حیات بشری به اندازه امروز به گردش این قمرهای مصنوعی وابسته نبوده است. تصاویر ماهواره ای بخشی مهمی از خدمات ماهواره ها محسوب می شوند. این نوشتار بطور جامع و کامل به بررسی تصاویر ماهواره ای و انواع آن از جهات مختلف پرداخته است.

تاریخچه:

عمده تغییرات در زمینه سنجش از دور  بین سال های ۱۹۶۰ تا ۲۰۱۰ اتفاق افتاده است. امروزه بسیاری از ماهواره ها، با ابزارهای مختلف سنجش از دوری، سطح زمین را پایش می کنند.  این ماهواره ها و برنامه های مربوط به آنها ریشه در ماهواره‌های  CORONA و Landsat  در دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ دارند.

در دهه ۱۹۶۰ آمریکا از طریق ماهواره‌های جاسوسی CORONA شروع به جمع‌آوری اطلاعات نمود. که هم اکنون نیز با استفاده از ماهواره های پیشرفته Keyhole ادامه دارد. در سال ۱۹۷۲ ناسا اولین ماهواره ارزیابی منابع زمینی را با چهار باند طیفی به فضا پرتاب کرد که بعدها تحت عنوان لندست شناخته شد.  این ماهواره همچنان از طریق نوع پیشرفته تر خود، مجهز به سنجنده با هفت باند طیفی درحال انجام ماموریت است. از این سال بود که تصویربرداری از حالت آنالوگ خارج شد و بصورت رقومی درآمد که دریچه‌ای جدید برای پردازش تصویر و نهایتاً تعبیر و تفسیر آن‌ها به روی بشر گشوده شد.

با پرتاب ماهواره  Ikonos (با قدرت تفکیک ٫۸. متر و ۳٫۲ متر) در سال ۱۹۹۹ و سپس پرتاب ماهواره  quickBird (قدرت تفکیک ٫۶. متر و ۲٫۴۴ متر) در سال ۲۰۰۱، قدم‌های بزرگی در جهت تولید و بکارگیری تصاویر ماهواره‌ای با قدرت تفکیک بالا برداشته شد.

تصویر ماهواره ای چیست ؟

تصاویر ماهواره ای تصاویری هستند که از سطح زمین و یا سایر کرات توسط ماهواره هایی که عمدتاً توسط دولت ها و یا شرکت های بزرگ اداره می شوند، تهیه می گردند. برخی از این تصاویر رایگان توسط دولت ها برای فعالیت های پژوهشی و عام المنفعه در اختیار عموم قرار می گیرند و بسیاری نیز قابل سفارش و خرید بوده و تحت لایسنس به کاربران عرضه می گردند.

تصاویر مـاهواره هـا مـی تواننـد اطلاعـاتی در چنـد بعـد، چنـد مقیـاس و چنـد طیف تهیه کنند. تصاویر ماهواره ای یکی از ابزارهای قدرتمند و مهم  به عنوان چشم انسان در آسمان هستند.  با استفاده از تصاویر و فناوری سـنجش از دور، مـی تـوان بـا هزینـه و زمـان کمتـر، طیـف وسـیعی از پروژه ها را در سطح جهـانی، منطقـه ای، ملـی، اسـتانی و حتی محلـی بـه نتیجـه رسـاند. عـلاوه بـر ایـن، قابلیـت تکـرار تصویربرداری مــاهواره ای از یک محل بــه فاصــله زمــانی چنــد ســاعت تــا چنــد روز در طــول مــاه یــا ســال، امکــان مطالعــات تغییرات و پایش پدیـده هـای زمینـی را بخـوبی فـراهم سـاخته اسـت. و همچنین نمایانگر خوبی از آنچه در هر نقطه ای از جهان اتفاق می افتد، هستند به ویژه در مکان هایی مانند اقیانوس هایی که گپ های بزرگ اطلاعاتی وجود دارد.

تصاویر ماهواره ای در زمینه هواشناسی، اقیانوس شناسی، ماهیگیری، کشاورزی، حفاظت از تنوع زیستی، جنگلداری، چشم انداز، زمین شناسی، نقشه برداری، برنامه ریزی منطقه ای، آموزش، هوش و جنگ، کاربرد فراوانی دارد. تصاویر ماهواره ای می توانند در دامنه طیف مرئی ویا در سایر طیف ها اخذ شوند. نقشه های ارتفاعی نیز وجود دارد که معمولا با تصاویر راداری ساخته می شوند. تفسیر و تحلیل تصاویر ماهواره ای با استفاده از علم سنجش از راه دور تخصصی انجام می شود.

از این رو شناسایی تنوع ماهواره های سنجش از دور موجود در فضا و آگاهی یافتن از قابلیت های تصاویر آنها در کاربردهای مختلف، بسیار حائز اهمیت بوده و برای جامعه کاربران سنجش از دور مفید است.

رزولوشن تصاویر ماهواره ای چیست ؟

در هنگام بحث درباره تصاویر ماهواره ای در سنجش از دور چهار نوع رزولوشن تعریف می شود : مکانی، طیفی، زمانی و رادیومتریکی.  این قدرت تفکیک ها توانایی ما را در تفسیر داده های سنجش از دور، کنترل می کند.

  • رزولوشن مکانی : اندازه پیکسل تصویری است که نشان دهنده سطح اندازه گیری شده (m2) بر روی زمین است. توسط میدان دید سنسور (IFOV) تعیین می شود.
  • رزولوشن طیفی : بیان کننده طول موج باندهای تصویر برداری (بخش گسسته طیف الکترومغناطیسی) و تعداد باندهای تصویربرداری است.
  • رزولوشن زمانی : فاصله زمانی (مثلا روز) بین دوره های جمع آوری تصاویر برای یک مکان مشخص شده، است.
  • رزولوشن رادیومتریک : به عنوان توانایی یک سیستم تصویربرداری برای ضبط سطوح مختلف روشنایی و بیت سنسور (تعداد سطوح خاکستری) بیان می شود. به طور معمول به صورت ۸ بیتی (۰-۲۵۵ )، ۱۱ بیتی (۰-۲۰۴۷)، ۱۲ بیتی (۰-۴۰۹۵) یا ۱۶ بیتی (۰-۶۵،۵۳۵) می باشد.

رزولوشن تصاویر ماهواره ای بسته به تجهیزات مورد استفاده و ارتفاع مدار ماهواره متفاوت است. تصاویر ماهواره ای را میتوان با تصاویر هوایی تکمیل تر نمود زیرا رزولوشن بالاتری دارند اما اخذ هر متر مربع آن گرانتر است. در حالت کلی، عکس‌های هوایی تفکیک مکانی بسیار بالایی را برای مناطق تهیه می‌نمایند. گاهی نیز عکس‌های هوایی به منظور ساخت هندسه برای وارد کردن به سیستم‌های CAD و GIS مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سوی دیگر تصاویر ماهواره‌ای مناطقی با وسعت بیشتر، گاهی به اندازه یک کشور را پوشش می‌دهند.

تقسیم بندی سنجنده ها بر اساس منبع انرژی

هر وسیله ای که اشعه الکترومغناطیسی منعکس شده از پدیده های مختلف یا سایر انرژی های ساطع شده را جمع آوری نموده و به شکلی مناسب برای کسب اطلاعات از محیط اطراف ارائه دهد، سنجنده (sensor) نامیده می شود

     سنجنده های فعال (Active Sensors)

این سنجنده ها خود دارای مولد انرژی الکترومغناطیسی هستند. این انرژی ها به طرف پدیده مورد نظر فرستاده شده و بازتاب آنها جمع آوری و ثبت می گردند. می تواند تهیه تصاویر را در شب یا روز ، در هوای ابری انجام داده. امواجی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند دارای طول موجی برابر با ۳/۳-۸/۰ سانتیمتر می باشند .اکثر حسگرهای فعال  بخش مایکروویو از طیف الکترومغناطیسی، که آنها را قادر به نفوذ در جو در اغلب شرایط می کند را به کار می گیرند. تغییر در جهت دید این سنسورها (اختلاف منظر) مربوط به فاصله مطلق بین سنسور و هدف است.

      سنجنده های غیر فعال (Passive Sensors)

این سنجنده ها خود دارای مولد انرژی الکترومغناطیسی نیستند تا به طرف پدیده بفرستند، بلکه انرژی منعکس شده از پدیده های مختلف زمین را که خورشید به آنها تابیده است،جمع آوری می کنند، مثل عکسبرداری در روز با انواع دوربینها ،اسکنرها و میکروویو غیرفعال.

انواع تصاویر ماهواره ای از نظر باند طیفی:

تصاویر چند طیفی

سنجنده های چندطیفی معمولا در طول موجهای با عرض نسبتا بالا، اقدام به ثبت انرژی و تصویربرداری می پردازند. داده های چندطیفی طول موجهای مرئی، مادون قرمز نزدیک، کوتاه و حرارتی را پوشش می دهند.

تصاویر مادون قرمز حرارتی : این تصاویر معمولا با سنجنده های چند طیفی برداشت می شوند و در محدوده طول موج ۸ تا ۱۴ میکرومتر می باشند. در این محدوده از طول موج، سنجنده به ثبت خصوصیات حرارتی مواد می پردازد.

تصاویر فراطیفی

سنجنده های فراطیفی (یا ابرطیفی) باندهای نسبتا باریکی دارند (قدرت تفکیک طیفی بالا). داده های فراطیفی معمولا طول موجهای مرئی، مادون قرمز نزدیک و کوتاه را پوشش می دهند.

تصاویر پانکروماتیک

این تصاویر یک باند با پهنای بالا دارند که معمولا طول موجهای مرئی و مادون قرمز نزدیک را شامل می شود. این داده ها شبیه عکس سیاه و سفید می باشند. قدرت تفکیک مکانی این تصاویر از متوسط تا بسیار زیاد می باشد. لندست یک باند پانکروماتیک با قدرت تفکیک ۱۵ متر دارد و سنجنده QuickBird  نیز یک باند پانکروماتیک با قدرت تفکیک ۶۰ سانتی متر دارد. باند پانکروماتیک قدرت تفکیک بالاتری از باندهای چند طیفی دارد، زیرا پهنای باند بیشتر است و با افزایش قدرت تفکیک، نسبت سیگنال به نویز کاهش نمی یابد.

تصاویر راداری

تصاویر رادار معمولا یکی از چند طول موج در محدوده مایکروویو را پوشش می دهند. تصاویر رادار فعال محسوب می شوند به همین دلیل در روز و شب و در هوای ابری و بارانی نیز قابلیت تصویربرداری دارند.

تصاویر مایکروویو

در محدوده طول موجهای مایکروویو تصویر برداری می کنند با این تفاوت که این سنجنده ها غیرفعال می باشند و از انرژی برگشتی خورشید استفاده می کنند. به همین دلیل، قدرت تفکیک مکانی این سنجنده ها پایین می باشد. زیرا در محدوده مایکروویو، میزان انرژی برگشتی از زمین کم می باشد و به همین دلیل نیاز به اندازه پیکسلهای بالایی برای ثبت این انرژی می باشد.

انواع ماهواره ها از نظر کاربرد

بر اساس ارتفاع ، مسیر حرکت و گیرنده های موجود از نظر کاربردی ماهواره ها به چند دسته تقسیم می شوند .
ماهواره های مخابراتی، ماهواره های هواشناسی،  ماهواره های منابع زمینی ، ماهواره های موقعیت یاب، ماهواره های ستاره شناسی و  ماهواره های نظامی.

انواع تصاویر ماهواره ای از نظر محتوای اطلاعاتی:

محتوای اطلاعاتی : این عامل  به حد تفکیک رادیومتریک و مکانی تصویر بستگی دارد.

حد تفکیک رادیومتریک

مبین تعداد گامهای درجات خاکستری است که در تصاویر ماهواره ای معمولا به ۲۰۰۰ گام میرسد و بالا است. این امر موجب می شود که بتوان عوارض را در زمینه با کنتراست پایین مثل سایه ها بخوبی تشخیص داد و تفسیرنمود.

حد تفکیک مکانی

تصویر به  ابعاد پیکسل زمینی تصویر GSD و میزان وضوح یا PSF ان بستگی دارد. در تصاویر با وضوح بالا، توان تشخیص عوارض و جزئیات آنها به GSD بسیار وابسته است و معمولا نمیتوان عارضه نقطه ای با ابعاد زیر ۲٫۵ GSD را تشخیص و شناسایی و بالطبع ترسیم نمود. البته ترسیم عوارض خطی شارپ مثل لبه ساختمانها با محدودیت کمتری همراه است.

 

تقسیم بندی تصاویر ماهواره ای

تصاویر ماهواره اینام سنجندهرزولوشن مکانی ( متر )منبع انرژیباند طیفی





تصاویر ماهواره ای با رزولوشن بسیار بالا
WorldView40.30




غیرفعال
PAN + 4 MS
WorldView30.30PAN + 8 MS + 8 SWIR
WorldView20.46PAN + 8 MS
WorldView10.50PAN
GeoEye-10.50PAN + 4 MS
Pléiades10.50PAN + 4 MS
QuickBird0.60PAN + 4 MS
IKONOS0.80PAN + 4 MS
TripleSat1PAN + 4 MS
تصاویر ماهواره ای با رزولوشن متوسطASTER15-30-90 غیرفعال15

تصاویر ماهواره ای با رزولوشن بالا
SPOT6/71.5
غیرفعال
PAN + 4 MS
SPOT52.5PAN + 4 MS
RapidEye5PAN + 4 MS


تصاویر ماهواره ای راداری
TERRASAR-X0.25 - 40


فعال
X
COSMO-SKYMED≤ 1 - 100X
RADARSAT-18 - 100C
ALOS PALSAR7 - 100L
RADARSAT-27.6 * 2.8 – 9 * 7.6C