سنجش از دور به شناسایی و نظارت بر ویژگی‌های عوارض طبیعی و غیر طبیعی زمین با استفاده از اندازه‌گیری فاصله‌ی بازتابش امواج گویند. که می‌تواند در انواع ماهواره‌ای و یا هوایی باشد.
دوربین‌های خاصی برای اندازه‌گیری عوارض از راه دور وجود دارد که با ثبت ویژگی‌های به خصوصی به محققان کمک می‌کند تا به اطلاعات مفید و قابل درکی از سطح زمین دست یابند.
به طور مثال:
- دوربین‌هایی بر روی ماهواره‌ها یا هواپیماها قرار دارند و با ثبت تصاویر از سطح زمین، اطلاعات بیشتر و ویژه‌ای را نسبت به موقعی که بر روی سطح زمین قرار داریم در اختیار ما قرار می‌دهند.
- سیستم‌های sonar که با ارسال و دریافت امواج صوتی در دریاها به تصویربرداری و اندازه‌گیری سطح زیر آب‌ها صورت می‌انجامد.
- دوربین‌های ماهواره‌ها که برای استفاده از تغییرات دمایی سطح اقیانوس‌ها استفاده می‌شود.
پس هر سنجنده‌ای که از راه دور اطلاعاتی را در اختیار محقق قرار دهد در زمره‌ی علم سنجش از دور قرار می‌گیرد.
یکی از مهم ترین کاربرد های سنجش از دور تفسیر عکس های هوایی می باشد.
که درواقع اصلی ترین و راهبردی ترین کاربرد عکس هوایی می باشد.
به سیستمی که با استفاده از مطالعه‌ی طول امواج رادیویی و آزیموت آن به ثبت اطلاعات بپردازد رادار گفته می‌شود. یک سیستم رادار می‌تواند امواج الکترومغناطیسی را تولید، ارسال و دریافت کند. از این رو بیشتر سنجند‌ه‌های ماهواره‌ای از این سیستم استفاده می‌کنند.
امواج ماکروویو
امواج ماکروویو از 1 میلی متر تا 1 متر را شامل می‌شود. این طول موج از طول موج امواج مرئی بزرگتر است و از این رو شرایط خاص سنجش از دور ماهواره‌ای را فراهم می‌کند. همچنین این امواج قابلیت نفوذ دارد که سبب تمایز آن با امواج مرئی می‌باشد.
همانطور که در شکل بالا هم ملاحظه می‌شود، از چپ به راست امواج الکترومغناطیسی با افزایش طول موج و کاهش انرژی همراه است. در نتیجه هر چه طول موج کمتر باشد.
انرژی بیشتر و هر چه طول موج بیشتر باشد دارای انرژی کمتری است.
. این درحالی است که با افزایش طول موج و کاهش انرژی آن، برد مسافتی که یک موج یک موج می‌تواند طی کند بیشتر می‌شود.
سنجنده‌ها می‌تواند فعال (Active) و یا غیر فعال (Passive) باشد. زمانی که یک منبع انتشار مستقل از سنجنده، منعکس کننده‌ی امواج باشد و سنجنده تنها دریافت کننده‌ی امواج منعکس شده باشد،
به آن Passive یا غیر فعال گویند و اگر سنجشگر خود تولید کننده‌ی این امواج باشد و با ارسال امواج تولیدی و سپس دریافت انعکاس آن ثبت اطلاعات کند به آن Active یا فعال گویند.
سنجش از دور کاربرد های فراوانی دارد که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم.
سنجنده
- در سنجنده‌ی فعال، محل ارسال و دریافت موج در یک موقعیت است اما در غیرفعال، موقعیت سنجنده و دریافت موج یکسان نیست
- در سنجنده‌ی فعال، یک موج ارسال شده و پس از بازتابش از سطح، دوباره همان موج توسط سنجنده‌ی دریافت می‌شود. اما سنجده‌ی غیر فعال تنها دریافت کننده‌ی امواج بازتابش از یک منبع در موقعیت دیگری است.
- در سنجنده‌ی فعال، فاصله‌ی بین سنجنده و شئ زمینی به راحتی از طریق محاسبه‌ی زمان ارسال و دریافت موج محاسبه می‌شود ولی در سنجنده‌ی غیرفعال تنها در صورتی که منبع انتشار موج مشخص باشد باید یک بار توسط فرستنده و یک بار توسط گیرنده مورد محاسبه قرار گیرد.
- سنجنده‌ی فعال به عنوان یک رادار یک موج ارسال کرده و منتظر دریافت همان موج می‌ماند در حالی که سنجنده‌ی غیرفعال دریافت‌کننده‌ی موج رادارهای دیگر است.
- سنجنده‌ی فعال به دلیل ارسال و دریافت موج، اطلاعات بیشتری ثبت می‌کند اما سنجنده‌ی غیرفعال با دریافت موج‌های ساطع شده‌ی محیط دارای ثبت اطلاعات کمتری است.
*با این اوصاف وقتی از رادار سخن به میان می‌اید، منظور یک سنسور فعال می‌باشد.
SAR
نوع دیگری از داده‌های رادار که در سنجش از دور مطرح است Synthetic Aperture Radar یا SAR می‌باشد. SAR یک سنسور جمع‌آوری داده‌ی فعال است که این سنسور انرژی (موج) خود را تولید می‌کند.
و سپس مقدار انرژی (موج) منعکس شده از سطح زمین را ثبت می‌کند. در داده‌های تصویری نوری، نیاز به تفسیر عکسی است در حالی که در SAR سیگنال به ویژگی‌های سطح مانند ساختار و رطوبت پاسخ میدهد.
وضوح مکانی داده‌های رادار رابطه مستقیمی با نسبت طول موج سنسور به طول آنتن سنسور دارد. برای یک طول موج مشخص، هر چه آنتن بلندتر باشد، وضوح مکانی بالاتر است.
. از یک ماهواره در فضا که در طول موج حدود ۵ سانتی متر کار می‌کند (باند c)، برای به دست آوردن وضوح مکانی ۱۰ میلی متر، به یک آنتن رادار در حدود ۴۲۵۰ متر نیاز دارید (که بیش از ۴۷ زمین فوتبال است).
یک آنتن با این اندازه برای یک سنسور ماهواره ای در فضا عملی نیست. از این رو، دانشمندان و مهندسان از تکنولوژی دیافراگم مصنوعی استفاده کردند.
. در این مفهوم، دنباله‌ای از آرایه‌ها از یک آنتن کوتاه تر با هم ترکیب می‌شوند تا یک آنتن بسیار بزرگ تر را شبیه سازی کنند، در نتیجه شکل هندسی با وضوح بالاتر را فراهم می‌کنند.
شکل زیر محدوده‌ی باندهای طیفی الکترومغناطیسی SAR را نشان میدهد.
همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌شود، محدوده‌ی طول موج SAR به چند بخش P، L، S، C و X تقسیم شد.
محدوده‌ی X دارای طول موج کم ولی انرژی بیشتر و محدوده‌ی P دارای طول موج زیاد و انرژِی کمتری نسبت به محدوده‌ی X می‌باشد.
سنسورهای نوری
سنسورهای نوری مانند تصویر برداری زمینی عملیاتی لندست (OLI) و سنسور چند طیفی سنتینل (MSI) اطلاعات را در طیف مرئی، نزدیک مادون قرمز و بخش های مادون قرمز موج کوتاه طیف الکترومغناطیسی جمع‌آوری می‌کنند.
این سنسورهای رادار از طول موج‌های بلندتر در مقیاس سانتی متر تا متر استفاده می‌کنند که ویژگی‌های خاصی مانند توانایی دیدن از میان ابرها را به آن میدهد. طول موج‌های مختلف SAR اغلب به عنوان باند شناخته می‌شوند، که نام‌گذاری و محدوده‌ی آن‌ها در شکل فوق نمایان است.
طول موج یک ویژگی مهم است که باید هنگام کار با SAR در نظر گرفت، زیرا تعیین می کند که چگونه سیگنال رادار با سطح تعامل دارد و تا چه حد یک سیگنال می تواند به یک محیط نفوذ کند.(مهم ترین هدف سنجش از دور)
رادار X-band
رادار X-band که در طول موج حدود ۳ سانتی متر عمل می کند، قابلیت بسیار کمی برای نفوذ به جنگل پهن برگ دارد و در نتیجه بیشتر به ثبت اطلاعات تاج درختان (canopy) می‌کند.
از سوی دیگر، یک سیگنال L – Band دارای طول موج حدود ۲۳ سانتی متر است که نفوذ بیشتری به جنگل دارد و امکان تعامل بیشتر بین سیگنال رادار و شاخه های بزرگ و تنه درختان را فراهم می کند.
طول موج تنها بر عمق نفوذ به جنگل ها تاثیر نمی گذارد، بلکه به دیگر انواع پوشش زمین مانند خاک و یخ نیز تاثیر می گذارد.
برای مثال، در سنجش از دور دانشمندان و باستان شناسان از داده های SAR برای کمک به “کشف” شهرهای ناپیدا.
زیرساخت های شهری پنهان در طول زمان توسط پوشش گیاهی متراکم یا شن های بیابانی استفاده می کنند.
جهت انتشار سیگنال در SAR سنجش از دور
همچنین رادار می تواند سیگنال ها را در قطبش یا جهات (Polarization) مختلف در مسیر انتقال و دریافت سیگنال جمع آوری کند. قطبش سیگنال به جهت صفحه ای اشاره دارد که در آن موج الکترومغناطیسی انتقالی نوسان می‌کند.
در حالی که قطبش می تواند در هر زاویه ای رخ دهد، سنسورهای SAR معمولا قطبش خطی را انتقال می دهند. قطبش یا جهت افقی با حرف H و قطبش یا جهت عمودی با V نمایان است.
مزیت سنسورهای رادار این است که قطبش سیگنال را می توان به طور دقیق در انتقال و هم در دریافت کنترل کرد.
سیگنال های انتشاری در حالت عمودی (VH) و سیگنال های دریافتی در حالت افقی (HH) توسط یک VH نمایان هستند.
همچنین، سیگنالی که در حالت افقی (HH) منتشر شده و در حالت افقی (HH) دریافت می شود، توسط HH نمایان است. بررسی قدرت سیگنال از این قطبش های مختلف، حامل اطلاعاتی در مورد ساختار سطح تصویر براساس انواع پراکندگی نظیر: سطح ناهموار، حجم، و بازتاب دوگانه (شکل زیر) است.
- پراکندگی انعکاس سیگنال از سطح سخت، مانند آنچه که توسط خاک یا آب صاف ایجاد می شود، به پراکندگی انعکاس VV بسیار حساس است.
- پراکندگی انعکاس از حجم، به عنوان مثال، ناشی از شاخه ها و برگ های تاج درختان، به دیتاهای چند قطبی مانند VH یا HV بسیار حساس است.
- آخرین نوع پراکندگی انعکاس، بازتاب دوگانه، ناشی از ساختمان ها، تنه درختان، یا پوشش گیاهی زیر آب است و به یک سیگنال قطبی HH بسیار حساس است.
پراکندگی انعکاس شدید در HH نشان دهنده برتری پراکندگی double-bounce است (به عنوان مثال، پوشش گیاهی ساقه ای و سازه های ساخت بشر)، است.
در حالی که VV شدید مربوط به پراکندگی سطح ناهموار است.
پراکندگی پلارزاسیون
(به عنوان مثال، زمین صاف و آب) و تغییرات مکانی در پلاریزاسیون دوگانه نشان دهنده توزیع پراکندگی حجمی است (به عنوان مثال، پوشش گیاهی و انواع خاک با پراکندگی بالا مانند ماسه یا دیگر خاک های متخلخل خشک).
لازم به ذکر است که مقدار سیگنال ممکن است نسبت به انواع مختلف پراکندگیِ انعکاس و به عنوان تابعی از طول موج تغییر کند، زیرا طول موج عمق نفوذ سیگنال را تغییر می دهد.
. به عنوان مثال، یک سیگنال C-band تنها به لایه های بالایی تاج درختان درون جنگل نفوذ می کند.
بنابراین عمدتا پراکندگی ناهمواری همراه با مقدار محدودی پراکندگی حجمی حاصل خواهد کرد.
با این حال یک سیگنال L-band یا P-band نفوذ بسیار عمیق تری خواهد داشت و بنابراین پراکندگی حجمی به شدت افزایش می یابد.
همچنین مقادیر فزاینده پراکندگی ناشی از double-bounce تنه ی درختان را نشان می دهد. (شکل زیر نفوذ تاج درختان را نشان میدهد).
کاربردهای سنجش از دور
طبق توضیحات فوق پیرامون سنجش از دور، رادار و SAR، کاربردهای بسیاری را می توان برای سنجش از دور نام برد.
پایش و نظارت زمین‌های کشاورزی، پایش آب و هوا، تشخیص تغییرات زمین، محاسبه ی میزان رطوبت و جنس خاک و … از مهم ترین کاربردهایی است که می توان به آن پرداخت.
نظارت بر زمین های کشاورزی
توسط سنجنده های ماهواره ای که داده های چند طیفی و ابر طیفی را در اختیار کاربران قرار می دهند، می توان علاوه بر اندازه گیری حجم محصولات کشاورزی، نوع و کاربری زمین های کشاورزی را نیز محاسبه نمود.
حتی می توان با استفاده از داده های ابرطیفی که تصاویر منطقه را در چندین باند الکترومغناطیسی ذخیره می کنند، به رفتار شناسی گیاهان پرداخت و با استخراج ویژگی های بیماری های موجود در گیاهان، به تشخیص بیماری گیاهی پرداخت.
و جلوی گسترش آن را به سایر محصولات کشاورزی گرفت. ماهواره های PROBA-1، PRISMA، HISUI از نوع ماهواره های ابر طیفی می باشند
پایش آب و هوا
با توجه به این که امواج ماکروویو قابلیت عبور از رطوبت و آب را ندارند، میتوان با استفاده از این خصوصیات برای یافتن ابرهای باران زا استفاده کرد.
در نتیجه اگر در در تصاویر راداری که از بالای سطح زمین دریافتی، اطلاعات سطح زمین مشخص نشود نشان دهنده ی حضور ابر و حتی باران زا بودن آن ابر خواهد بود.
تشخیص تغییرات زمین در سنجش از دور
یکی دیگر از کاربردهای سنجش از دور در تشخیص تغییرات سطح زمین طی گذر زمان می باشد. در صورتی که از یک منطقه یک تصویر ماهواره ای دریافتی.
و پس از گذر زمانی آن منطقه دچار تغییرات بخصوصی در سطح خاک، رطوبت و یا حتی شکل زمین شود، با مقایسه تصویر بروز با تصویر قبلی می توان به تمام تغییرات ایجادی در منطقه که با چشم قابل رویت نیستند دست یافت.
سنجش از دور میزان رطوبت و جنس خاک
با استفاده از ویژگی نفوذپذیری امواج راداری می توان به میزان رطوبت و جنس خاک منطقه دست یافت.
هر چقدر اطلاعات ثبتی از سطح زمین کمتر باشد، نشانگر میزان شدت رطوبت سطح زمین است.
همچنین با استفاده از میزان نفوذ امواج به درون خاک و مطالعه ی انعکاس آن می توان به نوع و جنس زمین یا خاک دست یافت.
نتیجه گیری
در بالا به چند کاردبرد مهم از سنجش از دور اشاره شد اما با توجه به ویژگی به خصوص سنجش از دور راداری مانند میزان قدرت نفوذ و عدم حساسیت به نور (توانایی ثبت اطلاعات در شب و آب وهوای مختلف)، کارایی و کاربردهای بسیار متنوعی برای سنجش از دور وجود دارد.
همچنین در این مقاله سعی شد که به صورت مفصل سنجش از دور راداری و SAR تشریح شود.
