اصول سنجش از دور راداری و کاربرد آن در علوم جغرافیایی

در تصویربرداری توسط سنجنده­های ماهواره­ای دو سیستم کلی وجود دارد، سیستم فعال و سیستم غیرفعال. در سیستم تصویربرداری فعال، سنجنده امواج را به زمین ساتع­کرده و سپس دریافت می­کند، در حالی که در سیستم غیرفعال سنجنده امواج موجود در محیط را دریافت کرده و لذا وابسته به خورشید می­باشد. رادار یک سنسور فعال است که با استفاده از محدوده ماکروویو طیف الکترومغناطیس تصویربرداری می کند. اصطلاح رادار مخفف نمایان سازی و مسافت یابی رادیویی است. یک رادار سه کار انجام میدهد: ۱) ارسال پالس به سمت هدف ۲) دریافت بخش منعکس شده پالس پس از برخورد به هدف و اندازه گیری قدرت پالس 3) اندازه­گیری تاخیر زمانی سیگنال­های برگشتی. هدف اولیه رادار تعیین فاصله سنجنده تا عارضه زمینی است که این فاصله با حاصلضرب زمان رفت و برگشت پالس در سرعت سیر آن را تعیین می­شود. توان برگشتی یا شدت امواج بازتابی رادار دربردارنده اطلاعاتی در رابطه با طبیعت، ویژگیهای هندسی و الکتریکی جزئیات عوارض است. این ابزار برای مطالعه نواحی بزرگ مفید واقع می­شود.

2-1- تاریخچه رادار

اولین تجربه در مورد بازتابش امواج رادیویی توسط هرتز آلمانی در سال 1881 میلادی به دست آمد. پس از گذشت مدت کمی اولین رادار که از آن برای آشکارسازی کشتیها استفاده شد، مورد بهره برداری قرار گرفت. در سالهای 1920 تا 1930 پیشرفت­های زیادی در جهت ساخت رادار با قابلیت تعیین فاصله اهداف صورت گرفت. اولین رادارهای تصویری در طی جنگ جهانی دوم برای آشکارسازی و موقعیت­یابی کشتی­ها و هواپیماها استفاده شد. بعد از جنگ جهانی دوم رادار با دید جانبی(SLAR) جهت جستجوی اهداف نظامی و کشف مناطق نظامی ساخته شد. در سال 1950 با توسعه سیستم­های دید جانبی، تکنولوﮊی رادار با دریچه مصنوعی گامی در جهت ایجاد تصاویر با کیفیت بالا برداشته شد و نهایتا در سال 1960 استفاده از رادارهای هوایی و فضایی توسعه یافت و علاوه بر کاربرد نظامی، جهت نقشه برداریهای جغرافیایی و اکتشاف علمی و غیره مورد استفاده قرار گرفت. ماهواره ERS1 در سال ۱۹۹۱ توسط سازمان هوایی اروپا به فضا پرتاﭖ شد. این ماهواره اولین ماهواره­ای بود که تجهیزات راداری را حمل کرده و نتایج مطلوبی را در زمینه تصویربرداری راداری به دست آورد. بعد از آن در سال 1995 ماهواره ERS2 توسط همین سازمان به فضا پرتاﭖ شد و ماموریت ERS1 را ادامه داد. در سال ۲۰۰۲ ماهواره اروپایی Envisat به فضا پرتاﭖ شده و تصاویر راداری بسیاری تا به امروز توسط این ماهواره تهیه شده است. در حال حاضر تصویربرداری راداری گسترش یافته و ماهواره های فراوانی دارای تجهیزات راداری می­باشند. به عنوان مثال ماهواره Radarsat کانادایی و ماهواره های ALOS و JERs ﮊاپنی و ماهواره X_SAR که محصول مشترک کشور ایتالیا و آلمان است، را می توان نام برد.

3-1- طيف الكترومغناطيس

امواج تابش الكترومغناطيسي داراي طول موجهاي مختلفي از 03/0 آنگستروم تا چند صد متر بوده و به شكل طيفي پيوسته هستند. دامنه طيفي براي امواج قراردادي بوده و اغلب كمي با هم فرق دارند. مهمترين امواج شناخته شده به ترتيب افزايش طول موج عبارتند از:

• اشعه گاما ( )
• اشعه ماوراء بنفش (UV)
• اشعه ايكس (X)
• اشعه مرئي
• اشعه ي مادون قرمز (IR)
• اشعه مايكروويو
• اشعه راديويي

اشعه گاما و ايكس طول موج هاي بسيار كوتاهي دارند و به وسيله جو بالا جذب شده و در كارهاي سنجش از دور مصرفي ندارند، سپس به طور اختصار به تشريح امواج ديگر اكتفا مي شود (شکل 1-1).

شکل 1-1- طیف الکترومغناطیسی

1-3-1- امواج ماوراء بنفش

طول موج اين بخش از طيف در فاصله 4/0-003/0 ميكرومتر قرار دارد و به قسمتهاي زير تقسيم مي شود (برحسب نزديكي به نور مرئي ):

ماورا بنفش نزديك             4/0-3/0 ميكرومتر

ماوراء بنفش دور                 3 /0-2/0 ميكرومتر

ماوراء بنفش خيلي دور        2/0-003/0 ميكرومتر

10 درصد از امواجي كه به زمين مي رسند جزء اين دسته هستند. اين امواج همان پرتوهايي هستند كه در انسان موجب برنزه شدن پوست مي شود. لايه­­ فوقاني اتمسفر (ozonospher) پخش اعظم اين امواج را جذب كرده و فقط انرژي مربوط به طول موج هاي بلندتر از 3/0 ميكرومتر يعني ماوراء بنفش نزديك به زمين مي رسد. بنابراين تنها اين بخش از ماوراء بنفش در سنجش از دور استفاده مي شود.

2-3-1- نور مرئي

ناحيه نور مرئي بخشي از طيف است كه چشم انسان قادر به رؤيت آنست و به طور معمول در ناحيه 7/0-4/0 ميكرومتر قرار دارد. اگرچه نور مرئي ناحيه بسيار كوچکي از طيف را در بر مي گيرد، ولي در طبيعت، بيش از 50% انرژي خورشيدي كه به سطح زمين مي رسد مربوط به همين امواج است. نور مرئي در اثر تجزيه به رنگهاي قرمز، نارنجي، زرد، سبز، آبي، نيلي و بنفش تقسيم مي شود. در دورسنجي براي ساده سازي، فقط سه رنگ اصلي آن يعني، آبي، سبز و قرمز مورد توجه است. در طول روز به دليل مخلوط بودن تمام طول موجها رنگ خاصي نيست و نور سفيد داريم.

3-3-1- امواج مادون قرمز

محدوده ي اين طيف از 7/0 ميكرومتر تا 1 ميلي متر (1000 ميكرومتر) است. البته در عمل تنها طول موج هاي 14-7/0 ميكرومتر، در دورسنجي كاربرد دارند. اين امواج به انسان احساس گرمي مي دهند. ناحيه مادون قرمز را به دو طريق، مي توان تقسيم بندي كرد. يكي براساس نزديكي به نور مرئي كه در اين حالت انواع زير را خواهيم داشت:

مادون قرمز نزديك        3/1-7/0 ميكرومتر

مادون قرمز مياني           3-3/1 ميكرومتر

مادون قرمز دور             3 ميكرومتر تا 1 ميليمتر

و در يك تقسيم بندي ديگر، بسته به اينكه در كدام قسمت از طيف قرار دارند، انواع زير قابل تشخيص خواهند بود:

مادون قرمز انعكاسي                 3-7/0 ميكرومتر

مادون قرمز دفعي يا حرارتي      15-3 ميكرومتر

40% انرژي خورشيد كه به زمين مي رسد از نوع مادون قرمز است.

4-3-1- امواج ماکروویو

اين بخش از طيف، بين امواج مادون قرمز و امواج راديويي قرار دارند و طول موج آنها از 1 ميليمتر تا يك متر است. اين امواج كه در شرايط برآب و هوايي نيز قادر به عبور از جو هستند و به جز بخش اوليه، بقيه چندان تحت تإثير اتمسفر قرار نمي گيرند. محدوده امواج مايكروويو در طيف الكترومغناطيسي خورشيد بسيار ناچيز است ولي چون اين امواج قابليت نفوذ عالي در ابرها و رطوبت جو دارد. اهميت زيادي در دور سنجي دارند. و مي توان به كمك مولدهاي نصب شده به سكوها اين امواج را توليد كرد و به زمين فرستاد و بازتابش آنها را ثبت كرد. به اين قبيل امواج مصنوعي امواج راداري اطلاق مي شود.

امواج مایکروویو به چند محدوده تقسیم می شود که هر کدام را با یک حرف انگلیسی و تحت عنوان باند نمایش می دهند. در شکل 1-2 طیف الکترومغناطیس و محدوده ماکروویو و باند های آن نشان داده شده است.

شکل1-2- نمایش طیف الکترومغناطیس و باند های مایکروویو

5-3-1- امواج راداری

طول موج­هاي بلند مايكرويو و طول موج­هاي كوتاه راديويي را امواج راداري مي­گويند. اين امواج غالباً به طور مصنوعي توليد شده و داراي طول موجي از يك سانتيمتر تا 3 متر هستند. اما عملاً امواج با طول موج 86/0 تا 3/3 سانتيمتر در سنجش از دور كاربرد زيادي دارند. امواج راداري از گذشته تاكنون در كارهاي نظامي مورد توجه بوده است. و به وسيله يك فرستنده امواج قوي در فواصل كوتاه به صورت ضرباني و در جهت معيني ارسال شده و سپس بازتاب آنها جمع آوري مي­گردد. چون امواج بسيار قوي هستند. تصاوير حاصله از آنها قدرت تفكيك بيشتري نسبت به امواج طبيعي مايكروويو دارد. به دليل نفوذپذيري زياد در ابرها، باران، برگ درختان، پوشش گياهي حتي در خاك و برف. از اين امواج در بررسي خاك زير پوشش گياهان و در بررسيهاي زمين شناسي نيز استفاده مي­شود. امواج راداري را به باندهاي مختلف (P,L,S,C,X,K) تقسيم مي كنند (جدول 1-1). كه از بين آنها باند K با طول موج 7/2 -83/0 سانتيمتر و باند X با طول موج 8/5-7/2 سانتيمتر در دورسنجي مورد استفاده قرار مي گيرد. باندهاي رادار شامل بخش­های زیر می­شود.

باندهايKa, K, Ku: این بخش با طول موج­هاي بسیار کوتاه براي سیستم هاي رادار هوایی استفاده می شد ولی امروز استفاده از آنها غیر معمول است.

باندX: از این بخش بطور وسیع در سیستم هاي هوایی و براي شناسایی نظامی و نقشه برداري سطوح استفاده می شود.

باند S: این بخش در ماهواره روسی آلماز مورد استفاده قرار می­گیرد.

باند L: این بخش در ماهواره آمریکایی SEASAT و ماهواره هاي ژاپنی JERS-1 و برخی از سیستم هاي ارسال شده توسط سازمان فضایی امریکا کاربرد دارد.

باند P: این بخش بلندترین طول موجهاي رادار را شامل شده و براي سیستم تحقیقات هوایی آزمایشی ناسا مورد استفاده قرار گرفته است (شکل 1-3).

تصاویر SAR نوعی ارزیابی رفتار بازتابش امواج رادار بوسیله سطوح روي زمین را بازگو می­کنند. سطوح تیره تر در تصاویر نشان دهنده امواج بازتابش کمتر، در مقابل سطوح روشن تر که نشان دهنده بازتابش بیشترند می­باشند. پدیده هاي روشن به معنی بازتابش نامنظم امواج گسترده اي از انرژي رادار می باشند که به سمت رادار بازتابش می یابد، در حالیکه پدیده هاي تاریک اشاره براین دارند که میزان انرژي بسیار کمتري را بازتابش نموده اند.

جدول 1-1- خصوصیات باند هاي راداري

میزان بازتابش امواج براي منطقه مدنظر در طول موج ها و پلاریزاسیون هاي مشخص بنا به شرایط متنوعی تغییر حالت خواهد یافت، مانند اندازه فیزیکی امواج تابشی در منطقه مد نظر، خصوصیات الکتریکی و حامل هاي رطوبت، پدیده هاي مرطوب که روشن نمایان می شوند، و پدیده هاي خشک تر تیره نمایان می شوند. یک مورد استثناء وجود دارد و آن قسمت هاي صاف روي سطح آب است، که مانند یک سطح صاف خشکی عمل می­کند که پالس هاي رسیده را از سنجنده دوردست منعکس می کند. این قسمت ها تاریک نمایان خواهند شد.

شکل 1-3 – بازه باندهاي راداري بر حسب طول موج

4-1- ویژگی­های یک سیگنال­ راداری

امواج راداری در محیط اتمسفری (با حضور ابرها، مه، دود، آئروسل) بدون هیچگونه حذف قابل توجه سیگنال انتشار می­یابد و توانایی تصویربرداری در شب و در هر گونه شرایط آب و هوایی را میسر می­سازد. این دو مزیت نسبت به تصویربرداری اپتیکال، به منظور پایش پدیده­های در حال تغییر سریع و یا به منظور نظارت در نواحی ابری حائز اهمیت است. یک موج صفحه­ای الکترومغناطیس، دارای مؤلفه های میدان مغناطیسی و الکتریکی متغیر با زمان، در صفحه ای عمود بر جهت انتشار می­باشد. این دو میدان بر همدیگر عمود هستند و توسط معادلات ماکسول قابل توصیف می باشند. سه پارامتر برای توصیف انتشار امواج الکترومغناطیس در خلأ لازم وکافی می باشد: ثابت دی الکتریک، قابلیت نفوذپذیری و قابلیت رسانایی  در کل، وقتی یک موج الکترومغناطیس از یک منبع (مثل آنتن رادار) گسیل می گردد، با نیرو و فاز مشخص در تمام جهات ممکن انتشار می یابد. در فاصله ای بسیار دور از آنتن، می توان فرض کرد که بر روی یک صفحه قرار می گیرد (نه بر روی سطح یک کره). در نتیجه، فرضیه موج صفحه­ای مناسب می­باشد (Handerson et al. 2009).

مقادیر خاکستری تشکیل دهنده یک تصویر رادار، نتیجه امواج برگشتی از هدفها و عوارض زمینی می­باشد. عوارضی که نسبت بیشتری از موج ارسالی از آن ها به طرف سنجنده برگشته باشد در تصاویر روشن تر ظاهر خواهند شد و برعکس عوارضی که نسبت کمتری از امواج ارسالی را به طرف سنجنده بازگردانده باشند تیره­تر ظاهر خواهند شد. میزان موج برگشتی به سنجنده تابعی از خصوصیات هدف مانند: شکل هندسی، میزان پستی بلندی، ثابت دی الکتریک، زاویه برخورد محلی و ویژگیهای سنجنده از قبیل طول موج (فرکانس)، زاویه دید و پلاریزاسیون میباشد. ترکیبی از این فاکتورها میزان موج برگشتی به سنجنده را تعیین میکند، بنابراین تغییر در میزان موج برگشتی به سنجنده میتواند ناشی از تغییر در هر یک از پارامترهای فوق باشد. آگاهی و آشنایی با تاثیر و نقش هر کدام از این پارامترها بر میزان موج برگشتی به تفسیر درست تصویر رادار کمک خواهد کرد (حاجی زاده و همکاران، 1392).

5-1- انواع سطوح برخورد در امواج رادراي

به طور معمول سطوح به دو دسته سطوح صاف وسطوح زبر و ناهموار تقسیم می­شوند ومقایسه انحراف ارتفاعی این سطوح با استفاده از طول موج محاسبه می­شود. میزان روشنایی (درخشندگی) تصویر به میزان پراکندگی سیگنال مایکرویودر برخورد باسطح بستگی دارد. پراکنش سیگنال به پارامترهایی از قبیل مشخصات رادار (فرکانس قطبیدگی هندسه دید وهمچنین خصوصیات سطح (پستی وبلندي نوع پوشش و غیره) وابسته است. به طور کلی می توانیم عوامل بالا را در سه عامل اصلی زیر خلاصه کنیم:

1- صیقلی بودن سطح

2- هندسه دید و رابطه آن باسطح

3- درصد رطوبت وخصوصیات الکتریکی سطح

صیقلی بودن سطح مهمترین عامل تعیین کننده روشنایی تصویر می­باشد. سطوح صاف موجب بازتابش آیینه اي در فعل و انفعال سیگنال رادار با سطح می­گردند (Hanssen, 2013). درنتیجه این نوع بازتابش مقدار اندکی ازسیگنال هاي بازتابیده شده به سمت رادار باز می­گردند. بنابراین سطوح صاف با درجه تیره­گی بیشتر در تصویر ظاهر خواهند گشت. سطوح ناصاف سیگنال هاي رادار راتقریبا به صورت یکنواخت بازتاب می دهند. و درنتیجه بخش عمده اي از این سیگنال ها به سمت رادار باز می­گردند. بنابراین سطوح ناصاف با درجه روشنایی بیشتر در تصویر مشاهده می شوند. به این نوع انعکاس بازتابش پخشیده گفته می شود. احتمال وقوع انعکاس زاویه­اي (C) در نواحی که از سطوح عمود برهم تشکیل شده وجود دارد. به بیان ساده تر سیگنال هاي بازتابیده شده از سطح اول پس از برخورد به سطح دوم به سمت رادار بازتاب داده میشود .این نوع انعکاس به طورمعمول در مناطق شهري (ساختمان ها خیابان ها پل ها و( … اتفاق می افتد. صخره ها کوه ها ونیزار رودخانه ها نیز سیگنال رادار را اینگونه بازتاب می دهند (شکل 1-4).

شکل1-4- تاثیر سطوح مختلف بر امواج رادار (Handerson et al. 2009).

6-1- هندسه رادار

در سیستم رادار یک آنتن بلند روی سنجنده قرار دارد به طوری که محور طولی آن موازی با جهت پرواز می­باشد. با دید عمود بر جهت پرواز، آنتن ماهواره امواج الکترومغناطیس را به سمت زمین ساتع و امواج بازگشتی را دریافت می­کند. سیستم رادار در راستای مایل و در دو جهت پرواز و عمود بر آن تصویربرداری می­کند. جهت پرواز را راستای آزیموت، عمود بر آن را راستای رنج و راستای مایلی که پالس در آن ارسال و دریافت می شود رنج مایل مینامند. آنتن ماهواره دارای یک زاویه انحراف نسبت به امتداد نادیر است که زاویه off_nadir نامیده می­شود (Handerson et al. 2009). این زاویه بین˚20 تا ˚50 متغیر است. به دلیل انحنای سطح زمین این زاویه با زاویه دید ماهواره به میزان ناچیزی تفاوت دارد و لذا در هندسه رادار، سطح زمین مسطح فرض می­شود. منطقه زیر پای آنتن در روی زمین که در شکل 1-5 روشن تر نشان داده شده جای پا  نام دارد. این منطقه برای ماهواره های مختلف متفاوت است، به عنوان مثال برای ماهواره ERS این منطقه در حدود ۵کیلومتر در راستای آزیموت و 100 کیلومتر در راستای رنج می باشد. پالس های رادار همچنان که در راستای رنج ارسال و دریافت می شوند با حرکت ماهواره در مسیر خود، در راستای آزیموت نیز ارسال و دریافت می­شوند و در واقع منطقه جای پا با حرکت ماهواره روی زمین حرکت می کند. جزئیات و المان های رادار در شکل 1-6 نشان داده شده است.

شکل 1-5- خصوصیات هندسی تصویر برداري راداري و زوایاي مهم (Handerson et al. 2009).

خصوصیات هندسی تصویر برداري راداري و زوایاي مهم در شکل 1-6 مشخص شده است.

Altitude: ارتفاع برابر با فاصله عمودي از سکوي سنجنده راداري تا نقطه زیر پاي ماهواره در سطح زمین است. ارتفاعی که به همراه هر تصویر گزارش می شود فاصله عمودي ماهوره تا سطح متوسط آبهاي آزاد است.

Nadir: نقطه اي که درست زیر پاي ماهواره بر روي سطح زمین قرار دارد.

Azimuth: جهت موازي با حرکت ماهواره بر روي زمین است.

Range direction: جهت انتقال سیگنال که عمود بر جهت آزیموت است.

Range vector: برداري که نشان دهنده جهت و اندازه فاصله ماهواره تا سطح زمین در جهت انتقال سیگنال است.

Earth normal vector: برداري که عمود بر سطح زمین است.

Slant range: فاصله ماهواره تا تارگتی کهدر جهت رنج ماهواره قرار دارد.

Ground range: فاصله جغرافیایی و یا به عبارتی تصویر slant range بر روي سطح زمین.

Near range: به کوتاهترین slant range بر روي تصویر گویند.

Far range: به بلند ترین slant range بر روي تصویر گویند.

Swatch length: طول تصویر اخذ شده در جهت آزیموت را گویند.

Swatch width: پهناي تصویر اخذ شده در جهت آزیموت را گویند.

Illumination angle: زاویه بین بردار عمود بر سطح زمین در نادیر و بردار رنج را گویندکه با افزایش ارتفاع ماهواره کاهش می یابد.

Incidence angle: زاویه بین بردار عمود بر سطح زمین (بیضوي مبنا) را گویند.

Local incidence angle: زاویه بین بردار رنج رادار و بردار عمود محلی بر سطح زمین را گویند که این زاویه کاربرد زیادي در تعریف سایر مفاهیم رادار دارد.