نقش و اهمیت ماهواره ها به نحوی است که دیگر جزو لاینفک زندگی بشر امروز محسوب می‌شوند. هیچ‌گاه حیات بشری به اندازه امروز به گردش این قمرهای مصنوعی وابسته نبوده است. تصاویر ماهواره ای بخشی مهمی از خدمات ماهواره ها به حساب می‌آیند. 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 سال‌های ۱۹۶۰ تا ۲۰۱۰ اتفاق افتاده است. امروزه بسیاری از ماهواره ها، با ابزارهای مختلف سنجش از دوری، سطح زمین را پایش می‌کنند. این ماهواره ها و برنامه‌های مربوط به آنها ریشه در ماهواره‌های CORONA و Landsat در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ دارد.

در دهه ۱۹۶۰ آمریکا از طریق ماهواره‌های جاسوسی CORONA شروع به جمع‌آوری اطلاعات نمود که هم اکنون نیز این روند 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 ماهواره‌ ای 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 دولت‌ها و یا شرکت‌های بزرگ اداره می‌شوند، تهیه می‌گردند. برخی از این تصاویر رایگان توسط دولت‌ها برای فعالیت‌های پژوهشی و عام‌المنفعه در اختیار عموم قرار می‌گیرند و بسیاری نیز قابل سفارش و خرید بوده و تحت لایسنس به کاربران عرضه می‌گردند.

تصاویر مـاهواره هـا مـی‌تواننـد اطلاعـاتی در چنـد بعـد، چنـد مقیـاس و چنـد طیف تهیه کنند. ماهواره ها به عنوان یکی از ابزارهای قدرتمند و مهم ساخته بشر به عنوان چشم انسان در آسمان هستند. با استفاده از تصاویر و فناوری سـنجش از دور، مـی‌تـوان بـا هزینـه و زمـان کمتـر، طیـف وسـیعی از پروژه‌ها را در سطح جهـانی، منطقـه‌ای، 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 پدیـده‌هـای زمینـی را به خـوبی فـراهم سـاخته اسـت و همچنین نمایانگر خوبی هستند از آنچه در هر نقطه‌ای از جهان اتفاق می‌افتد. به ویژه در مکان‌هایی مانند اقیانوس‌ها که در آنها گپ‌های بزرگ اطلاعاتی وجود دارد.

تصاویر ماهواره ای در زمینه هواشناسی، اقیانوس‌شناسی، ماهی‌گیری، کشاورزی، حفاظت از تنوع زیستی، جنگلداری، چشم‌انداز، زمین شناسی، نقشه برداری، برنامه ریزی منطقه ای، آموزش، هوش و جنگ، کاربرد فراوانی دارد. تصاویر ماهواره ای می‌توانند در دامنه طیف مرئی و یا در سایر طیف‌ها اخذ شوند. نقشه های ارتفاعی نیز وجود دارد که معمولاً با تصاویر راداری ساخته می‌شوند. تفسیر و تحلیل تصاویر ماهواره ای با استفاده از علم سنجش از راه دور و به صورت تخصصی انجام می‌شود.

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 می‌شود: مکانی، طیفی، زمانی و رادیومتریکی. این قدرت تفکیک ها توانایی ما را در تفسیر داده های سنجش از دور، کنترل می‌کند.

• رزولوشن مکانی: اندازه پیکسل تصویری است که نشان‌دهنده سطح اندازه‌گیری شده (m2) بر روی زمین است و توسط میدان دید سنسور (IFOV) تعیین می‌شود.
• رزولوشن طیفی: بیان‌کننده طول موج باندهای تصویربرداری(بخش گسسته طیف الکترومغناطیسی) و تعداد باندهای تصویربرداری است.
• رزولوشن زمانی: فاصله زمانی (مثلا روز) بین دوره‌های جمع‌آوری 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 می‌شود و به طور معمول به صورت ۸ بیتی(۰-۲۵۵ )، ۱۱ بیتی(۰-۲۰۴۷)، ۱۲ بیتی(۰-۴۰۹۵) یا ۱۶ بیتی(۰-۶۵،۵۳۵) است.

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

تقسیم‌بندی سنجنده ها بر اساس منبع انرژی

هر وسیله‌ای که اشعه الکترومغناطیسی منعکس شده از پدیده‌های مختلف یا سایر انرژی‌های ساطع شده را جمع‌آوری نموده و به شکلی مناسب برای کسب اطلاعات از محیط اطراف ارائه دهد، سنجنده(sensor) نامیده می‌شود.

سنجنده های فعال (Active Sensors)

این سنجنده ها خود دارای مولد انرژی الکترومغناطیسی هستند. این انرژی‌ها به طرف پدیده مورد نظر فرستاده شده و بازتاب آنها جمع‌آوری و ثبت می‌گردند. سنجنده های فعال می‌توانند تهیه تصاویر را در شب، روز و یا در هوای ابری انجام دهند. امواجی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند دارای طول موجی برابر با ۳/۳-۸/۰ سانتیمتر هستند. 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 پدیده‌های مختلف زمین را که خورشید به آنها تابیده است جمع‌آوری می‌کنند، 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 موج های با عرض نسبتا بالا، به ثبت انرژی و تصویربرداری می‌پردازند. داده های چندطیفی طول موج های مرئی، مادون قرمز نزدیک، کوتاه و حرارتی را پوشش می‌دهند.

تصاویر مادون قرمز حرارتی

این تصاویر معمولا با سنجنده های چند طیفی برداشت می‌شوند و در محدوده طول موج ۸ تا ۱۴ میکرومتر هستند. در این محدوده از طول موج، سنجنده به ثبت خصوصیات حرارتی مواد می‌پردازد.

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 می‌دهند.

تصاویر پانکروماتیک

این تصاویر یک باند با پهنای بالا دارند که معمولا طول موج های مرئی و مادون قرمز نزدیک را شامل می‌شود. این داده ها شبیه عکس سیاه و سفید هستند. قدرت تفکیک مکانی این تصاویر از متوسط تا بسیار زیاد است. لندست یک باند پانکروماتیک با قدرت تفکیک ۱۵ متر دارد و سنجنده QuickBird نیز یک باند پانکروماتیک با قدرت تفکیک ۶۰ سانتی‌متر. 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 نمی‌یابد.

تصاویر راداری

تصاویر راداری معمولا یکی از چند طول موج در محدوده مایکروویو را پوشش می‌دهند. از آنجاییکه تصاویر راداری فعال محسوب می‌شوند در روز و شب و در هوای ابری و بارانی نیز قابلیت تصویربرداری دارند.

تصاویر مایکروویو

سنجنده های ماکروویو در محدوده طول موج های مایکروویو تصویربرداری می‌کنند با این تفاوت که این سنجنده ها غیرفعال هستند و از انرژی برگشتی خورشید استفاده می‌کنند. قدرت تفکیک مکانی این سنجنده ها پایین است، زیرا در محدوده مایکروویو، میزان انرژی برگشتی از زمین کم بوده و به اندازه پیکسل های بالایی برای ثبت این انرژی نیاز دارند.

انواع ماهواره ها از نظر کاربرد

بر اساس ارتفاع، مسیر حرکت و گیرنده های موجود از نظر کاربرد ماهواره ها به چند دسته تقسیم می‌شوند.
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 گام های درجات خاکستری است که در تصاویر ماهواره ای معمولا به ۲۰۰۰ گام می‌رسد و بالا است. این امر موجب می‌شود که بتوان عوارض را در زمینه با کنتراست پایین مثل سایه‌ها به خوبی تشخیص داد و تفسیر نمود.

حد تفکیک مکانی

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، شناسایی و بالطبع ترسیم نمود. البته ترسیم عوارض خطی شارپ مثل لبه ساختمان ها با محدودیت کمتری همراه است.

تقسیم بندی تصاویر ماهواره ای