امروز:یکشنبه, ۳ بهمن , ۱۳۹۵
زمان انتشار : چهارشنبه, فروردین ۱۹ام, ۱۳۹۴ | پرینت مطلب |جلیل هلالی| بازديد: 555 بار

لزوم مطالعات و اندازه گیری برف-بخش دوم-کاربرد تصاویر ماهواره ای

امروزه استفاده از ماهواره ها به ویژه در مطالعات علوم طبیعی از جمله هواشناسی، اقلیم شناسی و هیدرولوژی امری اجتناب ناپذیر شده است. مطالعات برف به دلیل گستره زیادی که در کره زمین دارد با استفاده از این فناوری لازم و ضروری است.

گستره و تغییرپذیری پوشش فصلی برف پارامترهای مهمی در سیستم­های هیدرولوژیکی و اقلیمی بزرگ مقیاس هستند. سنجش از دور ماهواره­ای فرصتی را برای پایش و ارزیابی پارامترهای متنوع برف و ارزیابی آن­ها در مقیاس­های منطقه­ای تا جهانی ایجاد می­کند (هال و مارتینس، ۱۹۸۵؛ هال و همکاران، ۲۰۰۵).

داده­های ماهواره­ای طیف مرئی

پوشش برف در اغلب موارد در تصاویر ماهواره­ای طیف مرئی به آسانی قابل شناسایی است زیرا اصولاً دارای آلبیدویی است که از آلبیدوی انواع سطوح مقدارش بیشتر است. برف ممکن است به طور دستی از طریق شدت انعکاس بالای آن شناسایی گردیده و یا به طور خودکار از طریق بکارگیری الگوریتمی که طیف انعکاسی برف را شناسایی می­کند مشخص شود. قابلیت انعکاس طیفی برف بستگی به یک سری از پارامترها مثل اندازه و شکل دانه برف، درصد ناخالصی­ها، محتوی آب مایع نزدیک سطح برف، زبری سطح و ارتفاع خورشید دارد. آلبیدوی برف در طیف مرئی به طور زیادی به درصد ناخالصی موجود در برف حساسیت نشان می­دهد (وارن و ویسکامب، ۱۹۸۱). در ناحیه مادونِ قرمزِ نزدیک، شدت انعکاس برف با افزایش طول موج کاهش می­یابد که عمدتاً بستگی به اندازه دانه­های برف دارد (گرنفل و پروویچ، ۱۹۸۱؛ ویسکامب و وارن، ۱۹۸۱). در این طیف وجود آب مایع در حالت ذوب اثر خیلی کمی بر روی آلبیدو دارد. همچنین، دانه­های بزرگ­تر که از تغییر ناشی از ذوب به وجود می­آیند باعث می­شوند که قابلیت انعکاس برف در طیف مادون قرمز نزدیک کاهش یابد. در طول موج­های بزرگ­تر از ۴/۱ میکرومتر مقادیر آلبیدوی برف حدود چند درصد است ولی قابلیت انعکاس ابرها در این طول موج­ها بالا باقی می­ماند و همین امر باعث می­شود ما بتوانیم به راحتی بین ابر و برف تفاوت را تشخیص دهیم.

بعضی از اولین کاربردهای سنجش از دور ماهواره­ای تلاش کردند که گستره پوشش برف را به صورت نقشه درآورده و پایش نمایند. در واقع، گستره پوشش برف طولانی­ترین فرآورده محیطی قابل دسترس است که به وسیله سنجش از دور ماهواره­ای مهیا شده است. در سال ۱۹۶۶، اداره ملی جوی و اقیانوسی ایالات متحده (NOAA) عملیاتی را برای تصویربرداری گستره پوشش برف نیمکره شمالی با استفاده از داده­های ماهواره­ای باند مرئی آغاز نمود (ماتسون و ویسنت، ۱۹۸۱؛ ماتسون و همکاران، ۱۹۸۶؛ رابینسون و همکاران، ۱۹۹۳). در طی ۱۰ سال بعدی، محققان شروع به ارائه نتایجی نمودند که اثبات می­کرد سنجش از دوره ماهواره­ای در هیدرولوژی برف توانایی­های عملیاتی خوبی دارد (رانگو، ۱۹۷۵؛ اشنایدر و همکاران، ۱۹۷۶). در طی ۴ دهه گذشته اطلاعات خیلی ارزشمندی از مقیاس قاره­ای تا نیمکره­ای پوشش برف به وسیله سنجش از دور ماهواره­ای در باندهای مرئی مهیا شده است. از سال ۱۹۶۶ تا ۱۹۹۹ NOAA-NESDIS به طور هفتگی چارت­های گستره برف سطوح زمینی نیمکره شمالی را با استفاده از تصاویر ماهواره­ای باند مرئی تولید نمود (رابینسون و همکاران، ۱۹۹۳؛ فری و رابینسون، ۱۹۹۹). چارت­های NOAA از تفسیرهای دستی رادیومتر پیشرفته با تفکیک خیلی بالا (AVHRR)، ماهواره محیطی عملیاتی زمینگرد (GOES)، ماهواره اروپا (METEOSAT)، ماهواره­های هواشناسی زمینگرد ژاپن، و دیگر داده­های ماهواره­ای مرئی که به وسیله هواشناسان آموزش داده می­شود به دست آمده است. سپس چارت­ها به طور هفتگی با استفاده از سیستم نقشه­برداری قطبی در شبکه مربعی ۸۹ در ۸۹ با تفکیک اسمی ۱۹۰٫۵ کیلومتر رقومی شدند. مقادیر داده­ها به صورت باینری (دودویی) و سلول­های شبکه­ای اگر سلول بیشتر یا کمتر از ۵۰ درصد پوشش برف باشد به صورت پوشیده با برف و عاری از برف طبقه­بندی شده­اند (دوی و هین، ۱۹۸۲).

داده­های چند طیفی با تفکیک بالا

سنسورهای چند ماهواره قطب گرد باندهای چند طیفی در طیف مرئی  (۰٫۷ – ۰٫۴ میکرومتر)، مادون قرمز نزدیک (۰٫۷-۱٫۱میکرومتر) و مادون قرمز موج کوتاه (۳-۱٫۱میکرومتر) و همچنین طیف مادون قرمز حرارتی (۱۰۰-۳ میکرومتر) دارند. این سنسورها تفکیک مکانی بسیار بالا در مقایسه با نقشه­های تولید شده واقعی برف مشتق شده از سنسورهایی همچون AVHRR دارند. برای تحلیل یک زیر پیکسل از نواحی پوشیده با برف افزایش تعداد باندها برای تفکیک ویژگی­های برف ارزش بالایی دارد و قادر است نواحی بدون پوشش برف را به راحتی تشخیص دهد (مثلاً نولین و همکاران، ۱۹۹۳؛ روزنتال و دوزیر، ۱۹۹۶؛ دوزیر و پاینتر، ۲۰۰۴). به هر حال ، یکی از معایب آن فرصت کم برای مشاهده سطح برف در موقعی که تفکیک مکانی کم است که روزی ۱۸ بار تکرار می­شود و در عین حال با مشکلات ناشی از پوشش ابر نیز این وضع بدتر می­گردد. این محدودیت­ها به اضافه هزینه­های خیلی بالای این مجموعه داده­های با تفکیک مکانی بالا، استفاده از آن­ها را در آزمایشات کاربردی کوتاه مدت و محلی محدود می­کند.

داده­های میکروویو ماهواره­ای غیرفعّال

به دلیل قابلیت نفوذ امواج در ابرها، امکان جمع آوری داده­ها در طی تاریکی ممکن است و پتانسیل مهیا نمودن یک شاخص عمق برف یا آب معادل برف، سنجش از دور ماهواره­ای موج غیرفعّال می­تواند اندازه­گیری­های برف مبتنی بر داده­های مرئی را بهبود بخشد. داده­های ماهواره­ای میکروویو (ریز موج) غیر فعّال جهانی، چند کانالی و قابل اطمینان با ابزار NASA SMMR ( رادیومتر میکروویو اسکن کننده چند کاناله) در طی دوره ۱۹۸۷-۱۹۷۸ قابل دسترس گردید (گلوئرسن و همکاران، ۱۹۸۴؛ هال و مارتینس، ۱۹۸۵) و در ادامه به وسیلهDMSP ( برنامه ماهواره هواشناسی دفاعی) SSM/I (سنسور مخصوص تصویرگر/میکروویو) از ۱۹۸۷ تا ۲۰۰۸ و به بعد نیز قابل دسترس گردید (هولینگر و همکاران، ۱۹۹۰). تجهیزات SMMR و SSM/I دامنه­ای ترکیبی از فرکانس­ها از ۶ تا ۸۹ گیگاهرتز هم در پولاریزاسیون عمودی و هم افقی را مهیا کردند. تکنیک­های مورد استفاده برای استخراج پارامترهای برف از داده­های میکروویو غیرفعّال با تکیه بر کانال­های ۱۸ تا ۱۹، ۳۷ و ۸۵ گیگاهرتز انجام می­شود. موقعی که برف زمین را می­پوشاند، انرژی انتشار یافته توسط خاک زیرین به وسیله دانه­های برف پخش می­گردد. بنابراین، وقتی از زمین­های عاری از برف به سطوح پوشیده از برف حرکت صورت گیرد، کاهش شدیدی در قابلیت انتشار امواج مایکروویو ایجاد شده و دماهای روشنایی ( درخشایی) مربوطه نشانه­ای از وجود برف خشک را مشخص می­کنند (ماتزلر، ۱۹۹۴). اضافه بر این، برف یک گرادیان طیفی منفی را نشان می­دهد به این معنی که وقتی فرکانس میکروویو افزایش یابد (برای مثال از ۱۹ به ۳۷ گیگا هرتز) قابلیت انعکاس و دماهای روشنایی مرتبط نیز کاهش می­یابد. دمای روشنایی حاصل گسیلندگی سطح در یک فرکانس میکروویو مشخص و دمای فیزیکی هدف است (استائلین و همکاران، ۱۹۷۷). بر خلاف برف دیگر سطوح تقریباً یک گرادیان طیفی مثبت را نشان می­دهند. مطالعات تجربی و نظری اثبات نموده که قدرت پخش امواج مایکروویو یا کاهش در دمای روشنایی را می­توان با ضخامت یا چگالی پوشش برف و طول موج مرتبط کرد. بر اساس این روابط، الگوریتم­هایی توسعه یافتند که وجود برف را مشخص می­کنند (گرودی و باسیست، ۱۹۹۶؛ هیتبِرونر، ۱۹۹۶) و هر کدام آب معادل برف یا عمق برف را با چگالی مفروض مورد محاسبه قرار می­دهند (چانگ و همکاران، ۱۹۸۷؛ گودیسون، ۱۹۸۹؛ ناگلر، ۱۹۹۱؛ تایت، ۱۹۹۸؛ پولیاینین و هالیکاینن، ۲۰۰۱).

سامانه­های میکروویو فعّال ماهواره­ای

سامانه­های میکروویو نوع فعّال (رادار) تفکیک مکانی بهتری (چند ده متری) نسبت به سامانه­های غیرفعّال مهیا می­کنند، اما دارای محدودیت­هایی هستند که در پایین ذکر خواهد شد. ابزار و آلات میکروویو فعّال در طول موج­های میلیمتر تا چند ده متری کار می­کنند. سنسورهای مورد استفاده در تحقیقات برف عموماً در دامنه حدودی از۵٫۵ تا ۱٫۵ سانتیمتر (فرکانس­های ۴ تا ۱۸ گیگاهرتز) کار می­کنند. پایش مقیاس جهانی پوشش برف با میکروویو فعّال یا سامانه­های راداری در دهه­های اخیر با ظهور و ماهواره­های راداری دیافراگم ترکیبی (SAR) امکان پذیر گردیده است. اولین داده­های موفقیت آمیز SAR برای مطالعات برف زمین مسطح ۸۵۰-SAR در ۱۹۸۱ جمع­آوری گردید (ماتزلر و شاندا، ۱۹۸۴؛ روت و ماتزلر، ۱۹۸۷). نسل­های اخیر سنسورهای ماهواره میکروویو فعّال تفکیک مکانی و زمانی بالایی دارند که وجود پوشش ابر یا تاریکی در طی فصل زمستان محدودیتی برای آن­ها ایجاد نمی­کند.

منبع: سبزی پرور، علی اکبر؛ هلالی، جلیل؛ پناهی، مهدی؛ ۱۳۹۳؛ برف و اقلیم، فرآیندهای فیزیکی، تبادل انرژی سطحی و مدلسازی، انتشارات دانشگاه بوعلی سینا 







Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.

avatar

نویسنده: جلیل هلالی