عمق سنجی چیست؟

عمق سنجی به مطالعه عمقی زیر آب از جمله اقیانوسها، رودخانه‌ها، جریان‌های آبی و دریاچه‌ها گفته می‌شود. اصطلاح «عمق سنجی» در اصل به عمق آب نسبت به سطح آب اشاره دارد، اگر چه به معنای «توپوگرافی زیر آب» یا شکل زمین های زیر آب نیز است. همانطور که نقشه های توپوگرافی ویژگی‌های سه بعدی (یا ناهمواری های) خشکی‌ها را نشان می‌دهند، نقشه های عمق سنجی نیز نشان‌دهنده ناهمواری های زیر آب هستند. تغییرات در ارتفاع کف آب ها با خطوط رنگی و کانتورها به نام منحنی میزان های های عمقی نمایان شود.

عمق سنجی، پایه و اساس علم هیدروگرافی است که ویژگی‌های فیزیکی سطح و عمق آب را اندازه‌گیری می‌کند. اطلاع از اجزای زیر آب به منظور انجام فعالیت‌هایی نظیر کشتیرانی، لایروبی، قراردهی خطوط لوله و کابل، تعیین نقاط پر خطر ساحلی، مطالعات هیدرولوژیکی، تهیه نقشه‌های جنس بستر، اطلاع از زیستگاه های دریایی، جهت کاربرد در امور محیط زیست، نظامی و مهندسی و نظایر آن ضرورت دارد .بدین منظور بایستی متدهایی به وجود می‌آمد تا با استفاده از آن به این هدف دسترسی پیدا کرد.

روش های عمق سنجی

یکی از این متدها روش مستقیم آبنگاری(عمق سنجی با اکوساندر) است که دو ویژگی مهم آن هزینه و زمان زیادی است که بایستی صرف شود. بعد از استقرار ماهواره های دور سنجی بر مدارهایی مبتنی بر زمین و قابلیت گرفتن تصاویر ماهواره ای، روش سنجش از دور گسترش پیدا کرد. ویژگی‌های مهم این روش توانایی بالا در جمع‌آوری اطلاعات طیفی در زمان کوتاه در محدوده‌ی وسیع است. اساس روش عمق سنجی سنجش از دور بر مبنای وابستگی طیفی تصاویر با عمق آب است. هرچه آب عمیق‌تر باشد تصویر تیره‌تر می‌شود که علت اصلی آن جذب و پراکندگی انرژی نور در آب است.

خصوصیات	عمق سنجی مستقیم	عمق سنجی سنجش از دوری
عمایات آبنگاری	با تراکم نقاط بالا و پوشش کامل منطقه	با تراکم کم و حداقل یک پروفیل از ساحلتا میانه عمیق آّب
رمان عملیات صحرایی	خیلی زیاد	کم
رمان عملیات دفتری	کم	خیلی کم
صحت	بالا	متوسط
دقت ( عدم پراکندگی اندازه گیری ها)	بالا	متوسط
نواحی مناسب برای عمق سنجی	نواحی خیلی کم عمق	نواحی کم عمق
سختی کار	زیاد	کم
هزینه تجهیزات	بالا	پایین
حد تفکیک DSM بستر آب	کم	زیاد
امکان انجام کار	به تنهایی قابل انحام	نیازمند به عملیات صحرایی

عمق سنجی در سنجش از دور

مواد اصلی جذب نور در دریا، خزه یا فیتوپلانکتون، مواد ریز آلی و معدنی و اجزای آلی نامحلول که از شکست بافت گیاهی و یا از مواد فاضلابی در سواحل ایجاد می‌شود، هستند. آب به شدت نور قرمز را جذب می‌کند و تاثیر کمتری روی نور آبی دارد. به همین دلیل است که آب شفاف در نواحی عمیق به رنگ آبی دیده می‌شود. پیش پردازش های تصاویر ماهواره ای در واقع تصحیحاتی هستند که روی تصاویر اعمال می‌شوند تا داده های تصویری آماده‌ی معرفی به الگوریتم های مختلف عمق سنجی شوند. دقت خروجی الگوریتم، وابسته به کیفیت انجام این پیش پردازش ها شامل تصحیحات هندسی آشکارسازی نواحی آبی و تصحیحات رادیومتریکی است.

آشکارسازی نواحی آبی

برای اعمال الگوریتم های عمق سنجی روی تصویر لازم است تا کلیه نواحی غیر آبی همچون نواحی خشکی، اجسام روی آب مثل قایق‌ها و یا کشتی‌ها و ابرها در صورت وجود با تهیه‌ی ماسکی باینری از روی تصویر حذف شوند. این کار در نرم‌افزار پردازش تصویر به طور دستی و یا اتوماتیک انجام می‌گیرد.

از آنجا که باند مادون قرمز نزدیک نفوذپذیری بسیار کمی در آب دارد و مرز نواحی آبی در این تصویر با دقت بالاتری نسبت به باندهای دیگر قابل تشخیص است، برای تهیه ماسک از تصاویر از اطلاعات این باند استفاده می‌شود. جایی که تصویر آب را نشان می‌دهد، اطلاعات باند مادون قرمز نزدیک(NIR) در تصویر تاریک به نظر می‌رسد و همچنین اگر سطح زمین را نشان دهد، روشن دیده می‌شود. در حالت دستی، کارشناس خود نواحی مورد نظر را تعیین می‌کند، اما در حالت اتوماتیک این آشکارسازی تحت عنوان کلاس بندی تحت نظارت با معرفی قسمت‌هایی از نواحی مورد نظر به نرم‌افزار به عنوان داده های آموزشی انجام می‌گیرد. البته دقت تهیه ماسک در این روش بستگی به تعداد و توزیع و پراکندگی تعریف نواحی آموزشی دارد.

روش های عمق سنجی در سنجش از دور

 

1. سنجنده های فعال: از امواج راداری جهت عمق سنجی استفاده می‌شود که خود با دو گروه Altimetry و  SAR  تقسیم بندی می‌شوند. گروه Altimetry با استفاده از امواج رادار فاصله ماهواره تا سطح لحظه ای آب را اندازه‌گیری می‌کند به طوری که با در اختیار داشتن پارامترهای مداری و ارتفاع ژئوئید میزان توپوگرافی سطح دریا حتی در نواحی عمیق قابل دستیابی است.
2. سنجنده های غیرفعال: از فیزیک عبور نور در محیط آب جهت احیای اطلاعات از جمله عمق استفاده می‌شود. برای استخراج عمق آب از تصاویر با سنجنده های غیرفعال چند طیفی روش‌های متعددی آزمایش شده که اکثرا بر اساس قانون فیزیکی Beer که مبین میزان تضعیف نور با افزایش عمق آب و سپس معادله بدست آمده از آن بعد از تضعیف در جو بنا شده اند. به بیان دیگر درجات روشنایی طیف های مختلف تصویری در نواحی آبی با دور شدن از ساحل و افزایش عمق آب به تدریج کمتر شده و تصویر تیره‌تر می‌شود.

دو روش شناخته شده برای محاسبه عمق سنجی با استفاده از تصاویر چند طیفی ماهواره ای غیرفعال وجود دارد: رویکرد رادیومتریکی و رویکرد فتوگرامتری.

رویکرد رادیومتریکی

 روش رادیومتریکی بر اساس این واقعیت است که طول موج های مختلف نور توسط آب به درجات مختلف تقلیل داده می‌شود، به عنوان نمونه نور قرمز بسیار سریع‌تر از نور آبی توسط آب تقلیل می‌شود. ضخامت و نفوذ نور وابسته به طول موج است. باند قرمز بیشتر از حدود ۵ متر در آب زلال و شفاف نفوذ نمی‌کند، در حالی که باند آبی ممکن است در آب زلال و شفاف تا ۲۵-۳۰ متر نفوذ کند. با استفاده از باند لبه آبی، می‌توان از طریق اندازه‌گیری جذب نسبی باند لبه آبی، آبی و سبز، عمق تا ۲۰ متر و به طور بالقوه عمق ۳۰ متر را محاسبه کرد و با افزودن نقاط اندازه‌گیری شده کنترلی مبتنی بر سونار، دقت عمودی و افقی کمتر از ۱ متر را به دست آورد.

به منظور بهبود اندازه گیری های عمقی، پژوهشگران به سیستم های چند طیفی با وضوح بالا رو آورده‌اند. این سنسورها قادر به تشخیص نور بین ۴۰۰ تا ۴۵۰ نانومتر هستند – طیفی که عمیق‌ترین نفوذ در آب را فراهم می‌کند. مطالعات با استفاده از این داده ها نشان می‌دهد که اندازه گیری دقیق عمقی می‌تواند تا ۲۰ متر و عمیق‌‌تر به دست آید.

WorldView-2 نخستین سری از ماهواره های تجاری با وضوح بالا برای ارائه تصاویر با رزولوشن ۱٫۸۴ متر به همراه یک آشکارساز لبه آبی است که در محدوده ۴۰۰ تا ۴۵۰ نانومتر قرار دارد. WorldView-2، تحلیلگران را قادر می‌سازد تا جذب‌های متفاوت از باندهای لبه آبی، آبی و سبز را با استفاده از چند نقطه کنترلی مقایسه کنند، و سپس به طور قابل اعتمادی مدل را در کل منطقه گسترش دهند.

رویکرد فتوگرامتری

در این روش، تصاویر استریو بر روی منطقه مورد نظر جمع‌آوری می‌شوند و یک مدل ارتفاعی(DEM) از کف اقیانوس کم عمق از تصاویر تهیه می‌شود. مطالعات اولیه با تصاویر ماهواره ای و رقومی امیدوار کننده بوده و نشان می دهد که این تکنیک می تواند برای ارائه مدل های دقیق عمق سنجی محیط های کم عمق بدون نقاط کنترل کارساز باشد. با این حال، این تکنیک به دلیل محدودیت در قابلیت سنسورهای فعلی به طور گسترده مورد مطالعه قرار نگرفته است.

چالش جمع‌آوری تصاویر استریو از کف اقیانوس کم عمق این است که چگونه نور با هوا/آب ارتباط برقرار می‌کند. در زوایای بالای انتشار، نور به طور کامل از سطح آب منعکس می‌شود و مانع از دیدن هر گونه ویژگی‌های زیر آب می‌شود. سنسورهای چندطیفی ماهواره ای قادر به جمع‌آوری تصاویر استریو با وضوح بالا در محدوده زاویه باریک لازم برای نفوذ به سطح اقیانوس نبودند. علاوه بر این، هیچ یک از آنها قادر به اندازه گیری طول موج کوتاه‌تر از آبی مورد نیاز برای نفوذ در عمق نبود. تا اینکه WorldView-2 با اخذ اطلاعات در باند لبه آبی و حداکثر نفوذ در آب، این روش را برای عمق سنجی با سنجش از دور  امکان‌پذیر کرد.

مزیت این روش این است که تصاویر چندگانه را می‌توان با استفاده از نقاط گره‌ای که در خشکی و در آب قابل مشاهده است، رجیستر کرده و ترکیب کامپوزیت استریو حاصل می‌تواند برای محاسبه عمق آب بدون تکیه نقاط کنترل زمینی استفاده شود. هیچ ماهواره ای دیگر قادر به ارائه این ترکیب منحصر به فرد از رزولوشن بالا مکانی و طیفی با وضوح بالا و ظرفیت جمع‌آوری استریو نیست.